改善桥梁结构损伤识别系统的分析与思考

崔 飞，王清远，陈宜言，石宵爽

(1.四川大学，成都 610065;2.深圳市市政设计研究院，广东 深圳 518029)

1 桥梁损伤识别系统的应用概述

国内外近年来在一些大桥上耗费巨资兴建了桥梁健康监测系统。其出发点都是希望能通过大桥响应信息(尤其是振动信息)的采集与处理，实现桥梁结构损伤的判别及工作状态的评估。桥梁损伤识别系统的核心是结构损伤识别技术。结构损伤识别技术的应用源自航空、航天、机械装备等领域，因此传统的结构损伤识别方法主要关注结构裂纹的出现与发展，尤其关注结构在运转过程中裂纹产生的可检测性。典型结构损伤识别方法可以分为如下三种。

1)基于结构振动特性(动力指纹)变化的损伤识别方法

基于结构振动特性(动力指纹)变化的损伤识别方法以振动模态试验、激振试验为基础，其基本原理是:根据结构动力学方程，结构中特定部分的质量和刚度的损失，将在自振频率和振型的测量中有所反映，当系统自振频率和振型的测量值与原始未损伤系统自振频率和振型之间出现了差异时，就表示系统中出现了损伤。比较常见的几种基于振动的损伤识别有利用频率、振型变化识别，柔度矩阵识别，残余力向量损伤识别等。

2)基于结构损伤模板匹配的识别方法

基于结构损伤模板匹配的识别方法的核心思路是对原结构通常可能发生的各种损伤情况所对应的结构反应建立标准模式库。结构需要做损伤识别时即通过把当前的结构反应与标准模式库作比较，以此利用模糊比对确定其损伤情况。

3)基于反问题优化或演化求解的结构损伤方法

基于反问题优化或演化求解的结构损伤识别方法大体有两种:一种是把结构计算模型的矩阵作为识别对象，基于矩阵摄动方法求出矩阵的摄动值，见诸于文献的有最佳矩阵法、灵敏度法、特征结构分配法、混合法等;另一种方法则是以结构的物理参数作为识别对象，如弹性模量、截面惯性矩、质量、阻尼等，根据结构响应信息、目标函数的构造、约束条件以及优化求解方法的不同，近年来发展了系列的求解方法。

然而由于理论与实践在一定程度上的脱节、测试技术的相对滞后、算法结构的稳定性及抗干扰性相对欠缺等因素，特别是对于桥梁一类大型土木结构，其损伤包括结构的受力裂缝、关键构件的锈蚀、预应力的损失、支承系统的失效、结构构件的异常变位、钢结构连接的松弛或失效、多梁桥的横向连接失效、结构在正常服役期间的振动过剧、结构的非均匀沉降等，显然依据目前发展的损伤识别方法所建成的桥梁健康监测系统很多实际上并未达到其设计目标。

2 桥梁损伤识别系统发展瓶颈的分析

从实际的运行效果看来，很多桥梁健康监测系统距离设想的目标仍有不小的距离。其中的困难与疑惑聚焦在桥梁损伤识别技术上，具体体现在以下三方面:

1)测试问题:试验的数据不完备，局限于测试规模，桥梁结构的动/静载试验通常只能在关键截面上布置少量的传感器;测试精度有待提高，由于工作环境的影响及试验水平的限制，振动试验获取的试验数据精度偏低，此外转角自由度的偏转值也难以精确测量;测试数据对结构局部损伤不敏感。例如从振动模态试验获取的低频模态在大多数情况下对结构损伤尤其是局部损伤不敏感，对结构局部损伤敏感的高频模态却又难以准确测取;针对结构损伤识别缺乏系统有效的传感器优化布设方法;大型结构的加载、激振条件有限。

2)算法问题:基于力学反问题求解策略的参数识别方法对试验数据误差的敏感度较高;基于Monte Carlo法等试图对解空间进行随机及彻底搜索的算法理论上可以避免反问题求解方法的困难，但在当前的计算条件下难以求解大型结构的复杂问题。由于存在试验数据不完备与待识别、修正参数数量巨大的矛盾(结构越大及越复杂，矛盾越尖锐)，传统的基于灵敏度分析的求解过程稳定性较差，解难以收敛。目前发展的大多数算法针对的是时不变线弹性结构，没有考虑结构几何、材料及连接非线性的影响。

3)应用问题:①当前发展的很多损伤识别算法对于桥梁结构的应用缺乏针对性，桥梁结构构件的精密程度较航空、航天结构构件等相去甚远，结构中信息的不确定性比很多其他领域更强，在役混凝土构件与设计相比离散程度很高，普通混凝土结构本身就是设计为带裂缝的工作状态，混凝土结构存在的大量细微裂缝(如收缩裂缝等)不会演化成桥梁的安全问题;② 在应用层面上缺乏系统有效的应用成果，在役桥梁由于在结构形式、材料应用、几何尺寸(主要是跨度)等因素上存在很大差别，对于不同种类的桥梁宜采用不同方法、不同层次的损伤识别技术。对桥梁损伤涉及的一些问题缺少系统的研究和应用，如关键构件的锈蚀、支承系统的失效、结构构件的异常变位和多梁桥的横向连接失效等。

笔者认为桥梁损伤识别系统遇到的算法问题相对容易解决，未来改善桥梁损伤识别系统内容有:①建立系统的参照计算模型(既可以是确定性的也可以是不确定性的)，通过不同时期关键参数的相关性比较确定桥梁状态的变化;②面对研究对象的复杂性与不确定性，桥梁结构损伤识别的结果强调的不应是其绝对真实值，而是其合理评估值;③降低损伤识别系统对测试条件的要求;④综合应用各种信息。

3 改善桥梁损伤识别系统的设想

为了充分应用已建成桥梁损伤识别系统的结构响应信息(位移、应变、振动模态信息)，同时发挥有限元模型分析的强大效能，提出了一个基于传统有限元模型修正方法的桥梁损伤识别系统的设想。系统的流程框架见图1。该系统具有以下特点:利用人工神经元网络方法解决了试验数据不完备与待识别、修正参数数量巨大的矛盾;解决了待识别参数对试验数据的敏感性不足。

图1 利用神经元网络方法改善的结构损伤识别系统流程

4 结语

本文在近年来有关研究的基础上分析了桥梁结构损伤识别系统面临的瓶颈问题，提出了解决问题的关键在于充分利用各种信息，充分应用当前结构分析的最新成就，引入人工智能的辩识与联想功能，在结构损伤识别过程中追求合理评估值而非精确求解值。在此基础上降低损伤识别系统对测试条件的要求，使桥梁损伤识别系统真正走向实用。

［1］刘正光，黄启远.桥梁结构健康监测系统［C］//第十三届全国桥梁学术会议论文集.上海:同济大学出版社，1998.

［2］李俊萍，李霆.工程结构损伤识别技术的发展现状［J］.华北工学院学报，2002，23(5):356-360.