大跨橋梁結構健康監測系統應用現狀
作者：百檢網 時間：2021-11-30 來源：互聯網
近二十年來，我國橋梁建設取得了世人矚目的成就，一批結構新穎、技術難度高的大跨徑懸索橋、斜拉橋相繼建成。
但隨著跨度的增大，許多問題接踵而來，其中安全性問題尤為突出。當橋梁出現損傷，如果不及時準確的對損傷進行檢測與修復，將會危及人民群眾的人身安全，給國民經濟造成重大損失。
因此，為了確保大跨橋梁結構的安全高效運營，我國大跨橋梁基本都設置結構健康監測系統，如江陰長江大橋、香港青馬大橋、潤揚長江大橋、東海大橋、杭州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、嘉紹大橋等。
結構動態健康監測系統隨著橋梁投入運營時間的推移在橋梁全壽命期內將逐步積累產生大量的監測數據和圖像信息，但是如何對這些不同歷史階段采集的數據進行有效提取、處理和分析利用，獲得反映大橋結構受力狀態的代表性動、靜力指紋，并定期對結構的運營安全進行評估，已逐漸成為橋梁工程領域的研究熱點。
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1?、健康監測系統應用研究的重要性
橋梁健康監測是由傳統的
通過對橋梁所處環境及其響應的實時監測，分析橋梁的損傷情況，給出橋梁的狀態評估和剩余壽命預測，并能在特殊氣候、交通或其他情況下觸發預警信號，為橋梁的養護、維修及管理決策提供依據。橋梁健康監測系統分析應用研究的重要性主要體現在評估與預警、設計驗證和可持續發展三個方面。
評估與預警是指通過各種結構允許的測試手段，測試出能夠反映結構當前工作狀態的內部信息，并在此基礎上運用結構狀態評估理論，對構件以及結構整體的施工、運營等工作狀態進行評估，以確定結構的安全性和耐久性，并對損傷進行預警。
設計驗證是指大型橋梁在設計時一般依賴于理論分析和實驗室室內試驗，理論分析常根據理想的有限元模型和基本假定，而實驗室室內試驗則不可能與大橋所處的真實環境完全相符，因此通過橋梁健康監測所獲得環境參數及大橋響應可以用來驗證大橋的理論模型與計算假定，并修正和完善橋梁結構現有的設計理論與規范。
橋梁健康監測系統另一個重要作用體現在大型橋梁設計年限一般較長，在服務期內或多或少面臨著荷載等級的變化，通過對監測系統所獲數據開展分析，可以為今后荷載等級提升提供依據。
大型橋梁健康監測系統應用現狀分析
目前，在利用橋梁健康監測系統所獲海量數據開展有效分析方面，研究成果比較系統豐富的主要有香港青馬大橋和潤揚長江大橋。
香港青馬大橋
以健康監測系統所獲海量數據為研究對象，徐幼麟等學者從原始數據的梳理、篩選和分析，到結構有限元模型的建立，再到針對特殊事件( 如臺風、大風天氣等) 下結構受力性能的分析評估，開展大量研究工作，取得了一系列研究成果。
(1)?初始有限元模型建立
青馬大橋建模時將整個結構劃分為四大部分:鋼主梁、橋墩和橋塔、纜索系統和銜接構件、整體結構。單元類型根據構件受力行為和特點進行選取，并根據研究目的不同采用針對性的有限元模型，如三維空間桿系有限元模型、全三維混和有限元模型、部分三維多尺度有限元模型以及部分三維實體有限元模型等。
(2)?有限元模型分析方法
主要有精細化計算方法和工程計算方法。精細化計算方法主要采用模態疊加法考慮風－ 車－ 橋耦合作用進行精確有限元分析，但是該方法計算效率較差; 工程計算方法采用影響線加載單獨考慮每種荷載的作用，再進行線性疊加，該方法在滿足工程精度要求基礎上能大幅提高計算效率。
(3)?疲勞狀態評估方面
明確了疲勞分析的具體步驟，**對青馬大橋整體結構進行有限元分析，明確易產生疲勞的構件及其應力分布情況; 其次通過局部應力分析以確定熱點處的應力集中系數; 接著確定關鍵位置處的應力范圍和平均應力; *后通過裂縫初始階段的疲勞損傷分析或裂縫發展期的裂縫發展分析確定疲勞損傷的狀態和結構剩余使用壽命。
潤楊長江大橋
李愛群教授及其科研團隊以潤揚長江大橋健康監測海量數據為主要研究對象，重點解決大跨斜拉、懸索橋梁健康監測海量數據處理分析與評估各項關鍵技術，形成了系統的橋梁健康監測海量數據
分析和評估理論、方法和技術體系。
(1)?外荷載監測數據分析技術
主要針對潤揚大橋斜拉橋和懸索橋鋼箱梁溫度場數據、日常風監測數據和多次臺風監測數據進行研究，建立鋼箱梁橫截面的全壽命溫度場和模擬潤揚懸索橋橋址區的三維脈動風場。
(2)?結構有限元模型建立和修正關鍵技術
懸索橋模型分為六大部分: 主梁結構、主塔結構、主纜系統、吊桿系統、中央扣結構和邊界連接條件; 斜拉橋模型分為四大部分: 索塔、斜拉索、主梁結構以及邊界條件。面向不同的研究目標，采用3種不同精度模型( 脊骨梁模型、殼單元常規模型以及精細殼單元模型) 進行模擬。
對于懸索橋有限元模型的修正，**利用裸塔的現場模態測試信息對索塔的有限元模型進行3個階段的修正: 模型階次誤差修正( 單元數確定方法)、模型結構誤差修正( 節點剛域模擬方法) 和模型參數誤差修正( 構件材料和截面特性參數修正方法)。其次在修正后的橋塔模型基礎上，采用優化算法，并結合竣工實驗中主梁動力和靜力信息，對全橋有限元模型進行修正。
(3)?基于監測數據的結構模態識別技術
采用*大熵譜分析代替傳統功率譜分析識別結構模態頻率，該方法能顯著地改善傳統功率譜法對于非平穩振動響應頻率分辨率低、識別精度差等問題。
(4)?基于監測數據的鋼箱梁疲勞損傷評估技術
以應變監測數據為基礎，研究鋼箱梁焊接細節的疲勞效應與溫度和車輛增長的相關性，采用統計分析技術建立焊接細節疲勞荷載效應的概率模型，在此基礎上采用S－N曲線和Miner 線性損傷累積理論建立鋼箱梁焊接細節疲勞可靠度的評估方法，采用Miner 線性損傷累積理論和線彈性斷裂力學理論建立焊縫疲勞損傷評估技術，并根據Palmgren－Miner 準則和雙線性概率S － N 曲線( S 代表應力幅，N 代表壽命) 對焊接細節開展疲勞壽命評估。
(5)?基于梁端位移監測數據的伸縮縫健康狀態評價技術
采用梁端位移的變化規律表征橋梁伸縮縫的健康狀態，基于溫度、車輛荷載以及主梁梁端位移的健康監測數據，研究主梁梁端位移與溫度、車輛荷載的相關性特征，用“環境條件歸一化”方法消除溫度、車輛荷載的影響，*后采用均值控制圖方法識別伸縮縫位移的異常變化。
其它大橋
除上述介紹的香港青馬大橋和潤揚長江大橋外，不少學者針對其他一些大橋的健康監測系統開展結構橋梁評估方面的研究。如濱州黃河公路大橋、香港KapShulMun 橋、永和大橋、南京長江大橋等。
在有限元模型建立方面，各學者所采用的方法基本與青馬大橋、潤揚長江大橋類似。在有限元模型修正方面，基本思路為通過對監測信息的處理，得到結構的頻率、振型等參數變化，再綜合利用監測得到的結構參數變化信息對結構的有限元模型進行修正，*終得到反映結構的真實狀況的有限元模型。
修正方法一般采用直接矩陣元素修改法和參數修改的靈敏度分析法。前者采用直接修改剛度矩陣或者質量矩陣的方式來使得有限元模態分析的特征值與結構實測頻率一致，后者主要依靠修改有限元模型的材料常數等參數來減小實測模態頻率、模態振型與計算值的誤差。
在眾多研究中，值得一提的是: 濱州黃河公路大橋利用實測頻率修正模型過程，修正模型采用構造原始頻率函數的逼近函數，考慮大變形和初始應力狀態的模態分析，基于遺傳算法的參數優化算法的方法進行。
永和大橋基于靈敏度分析的有限元模型修正算法研究，在直接搜索算法的基礎上改進為自適應模式搜索算法進行模型修正，利用在迭代過程中獲得的函數值信息在迭代的過程中不斷修正搜索模式，使得優化過程獲得更快的收斂速度且收斂性更有所保證。
在基于監測數據的結構模態識別技術方面，主要方法為頻域法、時域法以及綜合兩者的其它一些方法。時域法里*為成熟的是特征系統實現法( EＲA) 和隨機子空間法( SSI)。前者由于需要系統的輸入信息，所以應用于環境激勵的情況時，還需要結合隨機減量技術或者NEXT 法使用。
頻域法里*為常用的是峰值點拾取法。在基于監測數據的鋼箱梁疲勞損傷評估技術方面，大多采用構造細部的S － N 曲線，按照Miner法則計算構造細部的疲勞壽命，如江陰大橋正交異性鋼橋面板各構造細部疲勞評估，蕪湖長江大橋的預估疲勞壽命等。