改善橋梁結構損傷識別系統的分析與思考

崔 飛，王清遠，陳宜言，石宵爽

(1.四川大學，成都 610065;2.深圳市市政設計研究院，廣東 深圳 518029)

1 橋梁損傷識別系統的應用概述

國內外近年來在一些大橋上耗費巨資興建了橋梁健康監測系統。其出發點都是希望能通過大橋響應信息(尤其是振動信息)的采集與處理，實現橋梁結構損傷的判別及工作狀態的評估。橋梁損傷識別系統的核心是結構損傷識別技術。結構損傷識別技術的應用源自航空、航天、機械裝備等領域，因此傳統的結構損傷識別方法主要關注結構裂紋的出現與發展，尤其關注結構在運轉過程中裂紋產生的可檢測性。典型結構損傷識別方法可以分為如下三種。

1)基于結構振動特性(動力指紋)變化的損傷識別方法

基于結構振動特性(動力指紋)變化的損傷識別方法以振動模態試驗、激振試驗為基礎，其基本原理是:根據結構動力學方程，結構中特定部分的質量和剛度的損失，將在自振頻率和振型的測量中有所反映，當系統自振頻率和振型的測量值與原始未損傷系統自振頻率和振型之間出現了差異時，就表示系統中出現了損傷。比較常見的幾種基于振動的損傷識別有利用頻率、振型變化識別，柔度矩陣識別，殘余力向量損傷識別等。

2)基于結構損傷模板匹配的識別方法

基于結構損傷模板匹配的識別方法的核心思路是對原結構通常可能發生的各種損傷情況所對應的結構反應建立標準模式庫。結構需要做損傷識別時即通過把當前的結構反應與標準模式庫作比較，以此利用模糊比對確定其損傷情況。

3)基于反問題優化或演化求解的結構損傷方法

基于反問題優化或演化求解的結構損傷識別方法大體有兩種:一種是把結構計算模型的矩陣作為識別對象，基于矩陣攝動方法求出矩陣的攝動值，見諸于文獻的有最佳矩陣法、靈敏度法、特征結構分配法、混合法等;另一種方法則是以結構的物理參數作為識別對象，如彈性模量、截面慣性矩、質量、阻尼等，根據結構響應信息、目標函數的構造、約束條件以及優化求解方法的不同，近年來發展了系列的求解方法。

然而由于理論與實踐在一定程度上的脫節、測試技術的相對滯后、算法結構的穩定性及抗干擾性相對欠缺等因素，特別是對于橋梁一類大型土木結構，其損傷包括結構的受力裂縫、關鍵構件的銹蝕、預應力的損失、支承系統的失效、結構構件的異常變位、鋼結構連接的松弛或失效、多梁橋的橫向連接失效、結構在正常服役期間的振動過劇、結構的非均勻沉降等，顯然依據目前發展的損傷識別方法所建成的橋梁健康監測系統很多實際上并未達到其設計目標。

2 橋梁損傷識別系統發展瓶頸的分析

從實際的運行效果看來，很多橋梁健康監測系統距離設想的目標仍有不小的距離。其中的困難與疑惑聚焦在橋梁損傷識別技術上，具體體現在以下三方面:

1)測試問題:試驗的數據不完備，局限于測試規模，橋梁結構的動/靜載試驗通常只能在關鍵截面上布置少量的傳感器;測試精度有待提高，由于工作環境的影響及試驗水平的限制，振動試驗獲取的試驗數據精度偏低，此外轉角自由度的偏轉值也難以精確測量;測試數據對結構局部損傷不敏感。例如從振動模態試驗獲取的低頻模態在大多數情況下對結構損傷尤其是局部損傷不敏感，對結構局部損傷敏感的高頻模態卻又難以準確測取;針對結構損傷識別缺乏系統有效的傳感器優化布設方法;大型結構的加載、激振條件有限。

2)算法問題:基于力學反問題求解策略的參數識別方法對試驗數據誤差的敏感度較高;基于Monte Carlo法等試圖對解空間進行隨機及徹底搜索的算法理論上可以避免反問題求解方法的困難，但在當前的計算條件下難以求解大型結構的復雜問題。由于存在試驗數據不完備與待識別、修正參數數量巨大的矛盾(結構越大及越復雜，矛盾越尖銳)，傳統的基于靈敏度分析的求解過程穩定性較差，解難以收斂。目前發展的大多數算法針對的是時不變線彈性結構，沒有考慮結構幾何、材料及連接非線性的影響。

3)應用問題:①當前發展的很多損傷識別算法對于橋梁結構的應用缺乏針對性，橋梁結構構件的精密程度較航空、航天結構構件等相去甚遠，結構中信息的不確定性比很多其他領域更強，在役混凝土構件與設計相比離散程度很高，普通混凝土結構本身就是設計為帶裂縫的工作狀態，混凝土結構存在的大量細微裂縫(如收縮裂縫等)不會演化成橋梁的安全問題;② 在應用層面上缺乏系統有效的應用成果，在役橋梁由于在結構形式、材料應用、幾何尺寸(主要是跨度)等因素上存在很大差別，對于不同種類的橋梁宜采用不同方法、不同層次的損傷識別技術。對橋梁損傷涉及的一些問題缺少系統的研究和應用，如關鍵構件的銹蝕、支承系統的失效、結構構件的異常變位和多梁橋的橫向連接失效等。

筆者認為橋梁損傷識別系統遇到的算法問題相對容易解決，未來改善橋梁損傷識別系統內容有:①建立系統的參照計算模型(既可以是確定性的也可以是不確定性的)，通過不同時期關鍵參數的相關性比較確定橋梁狀態的變化;②面對研究對象的復雜性與不確定性，橋梁結構損傷識別的結果強調的不應是其絕對真實值，而是其合理評估值;③降低損傷識別系統對測試條件的要求;④綜合應用各種信息。

3 改善橋梁損傷識別系統的設想

為了充分應用已建成橋梁損傷識別系統的結構響應信息(位移、應變、振動模態信息)，同時發揮有限元模型分析的強大效能，提出了一個基于傳統有限元模型修正方法的橋梁損傷識別系統的設想。系統的流程框架見圖1。該系統具有以下特點:利用人工神經元網絡方法解決了試驗數據不完備與待識別、修正參數數量巨大的矛盾;解決了待識別參數對試驗數據的敏感性不足。

圖1 利用神經元網絡方法改善的結構損傷識別系統流程

4 結語

本文在近年來有關研究的基礎上分析了橋梁結構損傷識別系統面臨的瓶頸問題，提出了解決問題的關鍵在于充分利用各種信息，充分應用當前結構分析的最新成就，引入人工智能的辯識與聯想功能，在結構損傷識別過程中追求合理評估值而非精確求解值。在此基礎上降低損傷識別系統對測試條件的要求，使橋梁損傷識別系統真正走向實用。

［1］劉正光，黃啟遠.橋梁結構健康監測系統［C］//第十三屆全國橋梁學術會議論文集.上海:同濟大學出版社，1998.

［2］李俊萍，李霆.工程結構損傷識別技術的發展現狀［J］.華北工學院學報，2002，23(5):356-360.