基于振动测量的大型桥梁结构健康监测方法

2013-12-15何山清

黑龙江交通科技 2013年12期

郑晗，何山清

(武汉轻工大学土木工程学院)

1 概述

桥梁结构损伤监测一般可分为整体检测法和局部检测法两大类。局部检测法主要有目检法、以及染色法、回弹法、超声脉冲法、射线法、磁场扰动法等物理手段的无损探伤方法。该类方法已比较成熟，可较精确的对结构缺陷部位进行探察和定量分析;但它通常需要预先了解损伤发生的大致位置，另外，结构的许多部位难以用以上方法实现检测。整体监测方法目前主要是基于结构振动信号测量、建立在结构振动模态分析与参数识别基础上的整体状态监测评估技术。它不需要大型加载设备，不影响桥梁正常运行，可以连续或间歇地观测，甚至可以做到全天候自动监测，近二十年来成为该研究领域的热门课题。这种基于振动测量的桥梁结构损伤监测方法，其基本原理在于:结构振动的动态特性(如频率响应函数和模态特征参数—固有频率、模态振型、模态阻尼比等)是结构物理特性(如质量、刚度、阻尼等)的函数;因此，结构物理特性的变化，如结构部位出现裂纹或连接件的松动等造成结构刚度下降，将引起频率响应函数和模态特征参数出现可检测的变化;它们以及它们的导出量的变化可以作为结构损伤的特征指标，并且基于振动的损伤诊断过程最终简化为某种形式的模式识别问题。

结构损伤检测按对损伤进行探察和分析的程度可以划分为四个层次，即(1)层次1:确定结构是否有损伤产生。(2)层次2:在层次1 基础上并确定损伤的大致位置。(3)层次3:在层次2 基础上并能量化损伤的严重程度。(4)层次4:在层次3 基础上并能预测结构的剩余使用寿命。目前，基于振动测量的桥梁结构损伤监测方法在不结合运用结构解析计算模型条件下，主要给出层次1 和层次2 水平的损伤识别;在运用结构解析模型条件下，对于一些结构类型可以给出层次3 水平的损伤识别;层次4 的预测通常还涉及断裂力学、疲劳寿命分析等学科，将不在综述范围。另外，基于结构非线性振动响应分析或非参数模型的方法(如基于神经网络的方法)也不作讨论。

2 桥梁结构损伤识别的振动激励方式

桥梁的SHM 振动动态特性测试，首先需要有运行环境或人工施加的方式激励起现场桥梁结构的振动响应，人工激振方法与桥梁动载试验时采用的相同。

2.1 人工激振

(1)冲击激励

一般采用突然加载和突然卸载两种方法。突然加载法是在被测结构上急速施加一个冲击作用力。如在现场测试中，采用试验车辆的后轮从三角垫块上突然下落对桥梁对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的竖向振动，简称“跳车试验”，如图1 所示;当测试某一构件时(如拉索)常采用木锤敲击的方法。突然卸载法是在结构上预加一个载荷，使结构产生一个初位移，然后突然卸去载荷，利用结构的弹性使其产生自由振动;图2 所示就是一种用来激励桥梁侧向振动的突然卸载装置示意图。这类激振方法具有便于实现、作用点可变以及可以激励出宽频振动等优点。

图1 “跳车试验”及三角垫块示意图

图2 激励桥梁侧向振动的突然卸载法示意图

(2)强迫激励

强迫激励法是利用专门的激振装置，如偏心质量块激振器、液压伺服激振器等，对桥梁结构施加激振力，使结构产生强迫振动。对于原型桥梁结构，常常采用试验车辆以不同的行驶速度通过桥梁，使桥梁产生不同程度的强迫振动，简称“跑车试验”。如常采用一辆十吨重的试验车辆分别以20、40、60、80 km/h 的速度进行跑车试验。

2.2 环境激振

运用环境激励(风载、地脉动、车辆激励等)下振动响应，使人们能在实际使用环境下得以评估桥梁的状态。对于大型桥梁来说，它是最可行的一种激振方式，具有节省人工和设备费用、安全性好、不影响桥梁运行等显著优点。自然环境振动条件下结构动力响应测试数据，具有非平稳性、幅值小、随机性强和数据量巨大的特点，另外，由于不能确定激励输入，无法把握激励频段范围，这些给结构系统的识别带来很大的难度，也是当前该研究领域的难点。

3 桥梁结构损伤识别的振动测量方法

3.1 模态振型曲率方法

Pandey 等假设结构损伤仅降低结构刚度，不影响结构质量。作者通过对简支梁的数值模拟，发现损伤前后结构的模态振型曲率在损伤位置处将发生突变，且突变大小与损伤程度成正比。这是因为由于梁的曲率与其弯曲刚度成反比，当结构出现损伤时，在损伤处结构的刚度会降低，此处的曲率就会增大，从而引起振型曲线的曲率增大。由损伤出现前后测试的位移模态振型，可数值计算得到各处模态振型曲率。因此曲率模态的变化可以反映结构局部特征的变化，对局部损伤敏感，可以用来确定结构损伤的发生和损伤的位置，是一种比较理想的损伤识别指标。

3.2 应变模态方法

位移模态反映了复杂结构的固有振动形态，代表其固有的能量平衡形式。应变是位移的一阶导数，对应于每一阶位移模态，则必有其对应的固有应变分布状态，这种与位移模态相对应的固有应变分布状态称之为应变模态。和位移模态一样，应变模态反映了结构的固有特征。Yao 等提出了基于应变模态概念的结构损伤检测技术。当一个结构受到损伤时，其力的平衡状态会发生变化，这种变化可以从测量结构在损伤前后的应变模态来发现。内力重分布的程度反映了损伤的大小，由于在损伤附近内力重分布最大，由此可以根据应变模态的剧烈变化来确定损伤位置。Seran 和Stubbs建立了用应变模态表示的估计损伤位置和程度的公式。应变模态对结构的局部变化如开口、裂纹等非常敏感，更有利于进行结构损伤的检测。文献指出，以应变(应变、应变模态、曲率模态等)为基础的损伤定位方法，明显优于以位移(位移、位移模态、柔度矩阵等)为基础的损伤定位方法。

3.3 模态柔度矩阵方法

对于多自由度系统，柔度矩阵与刚度矩阵具有互逆性。因此，柔度矩阵与结构静载荷和位移响应有关。由刚度矩阵可知，柔度矩阵的每一列表示了单位荷载作用下结构的各个自由度的位移响应。Pandy 和Biswas 提出了用于检测损伤出现和损伤位置的柔度矩阵方法，其关键是柔度矩阵可由低阶位移模态得到较准确的估计。一般来讲，基于柔度矩阵变化的损伤识别方法主要是通过比较结构损伤前后柔度矩阵的差别来进行损伤识别的，主要有柔度矩阵变化的直接比较法、单位阵检查法和刚度误差法。Yan 和Golinval 由柔度矩阵求伪逆得到对应的刚度矩阵，结合这两个矩阵的变化定位损伤位置。Patjawit 和Nukulchai 给出一个整体柔度指标来推断公路桥梁的健康状态劣化，取测得的模态柔度矩阵的谱范数为指标。

3.4 模型修正方法

基于振动的结构损伤识别和结构动力学计算模型修正问题在理论和方法上有着类似性:结构损伤定位和量化相当于结构动力学模型参数误差定位和修正。它们同属结构动力学反问题，其中建模误差定位和结构损伤定位正是这类反问题的关键和瓶颈。对于新建结构，由于建模误差、对结构参数估计误差等原因，理论解析模型和实际结构存在差别，理论解析模型并不能真正反映实际结构，通过对实际结构进行测试，根据实测响应对模型修正，得到比较符合实际的模型，从而对理论模型有一个正确的估计，以此作为新建结构的基准模型。

对于已使用了一段时间的结构，基于结构的基准有限元模型和测试数据，形成约束优化问题，通过修正结构有限元模型，使其产生的数据与测量静、动力响应尽可能接近，求解得到修正后的模型，比较修正后模型和结构的基准模型，就能定量确定损伤的位置和程度。结构损伤的模型修正法主要包括矩阵优化修正法、子矩阵修正法、基于敏感性分析的修正方法和特征结构分配法等方法。