橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別理論的研究現(xiàn)狀

（重慶市涪陵公路事務(wù)中心，重慶 408000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)是我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵，對我國交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著不可忽視的重要。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)的使用階段中，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效安全的健康檢測和安全評估，確保橋梁結(jié)構(gòu)在使用期間保證服務(wù)功能和安全性就顯得格外重要。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限一般在數(shù)十年到百年之間，但在整個(gè)使用階段會(huì)出現(xiàn)材料老化、鋼筋銹蝕等不可逆因素的影響，除此之外，還需要承受各種外部荷載的影響，例如，車輛荷載、溫度荷載、強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)震等，近幾年橋梁結(jié)構(gòu)坍塌事故偶會(huì)發(fā)生，歸納起來，主要有以下幾方面原因。

（1）設(shè)計(jì)方面：現(xiàn)有設(shè)計(jì)體系與理論不夠完善，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全定義標(biāo)準(zhǔn)較低，在設(shè)計(jì)的時(shí)候忽視結(jié)構(gòu)整體復(fù)雜性以及沒有綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)營中所面臨的各種因素。

（2）施工方面：施工過程結(jié)構(gòu)易受到環(huán)境、溫度、材料等影響，偶然會(huì)存在偷工減料現(xiàn)象，危害結(jié)構(gòu)整體安全性。

（3）運(yùn)營方面：在運(yùn)營中，缺乏嚴(yán)格的管理措施，超載、超速現(xiàn)象偶爾會(huì)出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)中，且對結(jié)構(gòu)后期的保護(hù)保養(yǎng)力度不夠也是導(dǎo)致橋梁事故的原因之一。

橋梁事故具有突發(fā)性強(qiáng)、危害高、等特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)橋梁倒塌事故，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡，后果不堪設(shè)想。據(jù)調(diào)查顯示，在美國現(xiàn)有橋梁中，有超過1/4 的橋梁存在設(shè)計(jì)缺陷或承載能力退化，為避免橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌等事故，需對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)有效的健康檢測和安全評估。橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別作為橋梁安全評估和健康監(jiān)測的根本核心技術(shù)，在國際上已經(jīng)成為各專家學(xué)者的關(guān)注焦點(diǎn)。最近幾年，對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別研究一般是以振動(dòng)測試技術(shù)和分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)開展的。一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)的響應(yīng)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)損傷而發(fā)生改變，例如頻率、振型、曲率模態(tài)等都會(huì)隨著結(jié)構(gòu)損傷狀況而發(fā)生改變[1]。于是國內(nèi)外很多專家學(xué)者根據(jù)理論分析和上述不同的參數(shù)提出了關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)損傷鑒定的多種損傷識(shí)別方法。

1 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

1.1 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別概念

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的基本原理是結(jié)構(gòu)自身的材料特性與模態(tài)參數(shù)之間可以用數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來表達(dá)，通過相關(guān)試驗(yàn)測出結(jié)構(gòu)在特定狀況下的響應(yīng)，并利用特殊的響應(yīng)分析方法分析，確定相應(yīng)的模態(tài)信息，并利用物理特征與結(jié)構(gòu)模態(tài)之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)物理特征參數(shù)[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的發(fā)展

結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展在國外大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段[3]：

第一，1940年至1960年，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別進(jìn)入探索階段。這個(gè)時(shí)期結(jié)構(gòu)損傷的判斷方法主要是通過目測判斷的，利用目測觀察結(jié)構(gòu)是否發(fā)生裂縫、存在明顯的變形等顯著的損傷特征。

第二，1960年至1980年，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別進(jìn)行發(fā)展階段。在這個(gè)階段，隨著橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始加深對結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的認(rèn)識(shí)，很多專家學(xué)者投入到結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究中，極大促進(jìn)了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者先后提出各種結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。

第三，1980年至今，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別進(jìn)入完善階段。20世紀(jì)末至今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，越來越多的大規(guī)模土木工程項(xiàng)目拔地而起，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度也不斷增加，使得頻繁出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)損傷而導(dǎo)致的災(zāi)難，為避免這種情況的頻繁出現(xiàn)，各專家學(xué)者開始對結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別方法深入研究。所以，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法得到了快速發(fā)展，現(xiàn)有損傷識(shí)別體系也不斷被各個(gè)學(xué)者完善修改。

2 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法

目前，橋梁結(jié)構(gòu)的整體損傷識(shí)別方法主要有：靜力測試判斷結(jié)構(gòu)損傷法、智能計(jì)算判斷結(jié)構(gòu)損傷、動(dòng)力指數(shù)判斷結(jié)構(gòu)損傷、模型修正判斷結(jié)構(gòu)損傷等幾大類識(shí)別方法[4]，本文將主要對這幾種方法進(jìn)行闡述。

2.1 基于靜力測試的損傷識(shí)別方法

這種損傷識(shí)別方法主要是利用在靜力荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)，分析材料的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)的靜力特性的變化，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀況的判斷。結(jié)構(gòu)的物理特性參數(shù)以及使用材料參數(shù)可以通過試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，因此在橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法中，靜力損傷識(shí)別方法在國內(nèi)外被廣泛試驗(yàn)[5]。Wang 等[6]將靜力作用下計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)采用迭代的方法進(jìn)行求解，能夠精確地對結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生位置進(jìn)行定位和對損傷狀況的判斷；蔣華等[7]在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究中，將結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別轉(zhuǎn)化為求解約束下的最優(yōu)解問題，以結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移為模型的測試指標(biāo)，利用計(jì)算軟件建立了精準(zhǔn)識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)學(xué)模型；

2.2 基于動(dòng)力指數(shù)的損傷識(shí)別方法

這類的方法是通過結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)測試得到的振動(dòng)位移、速度、加速度時(shí)程響應(yīng)或?qū)⒆儞Q分析后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)當(dāng)做損傷指示信息來確定結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度。

2.2.1 利用模態(tài)參數(shù)的損傷識(shí)別

（1）基于頻率的損傷指數(shù)

這種方法在對損傷進(jìn)行定位主要利用兩個(gè)不同階頻率變化比來實(shí)現(xiàn)，它認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損傷的時(shí)候只會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度矩陣的局部降低，并且在計(jì)算中假定由局部損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)第i 階頻率的改變量是結(jié)構(gòu)損傷位置向量的函數(shù)。

基于頻率損傷指數(shù)識(shí)別方法在進(jìn)行結(jié)構(gòu)識(shí)別的時(shí)候，首先需要對損傷的位置向量進(jìn)行假定，計(jì)算出結(jié)構(gòu)頻率的變化比，然后將實(shí)測的頻率變化比與假定計(jì)算出的結(jié)構(gòu)頻率變化比進(jìn)行比較，如果兩者相等，則認(rèn)為實(shí)際位置即為假定位置。若兩者不相等，則需要重新假定，然后重復(fù)上面工作，直到確定出損傷位置。實(shí)際結(jié)構(gòu)中損傷可能不止發(fā)生在一處，因此在使用這種方法的時(shí)候，必須要將結(jié)構(gòu)損傷的所有情況考慮在其中，然而，對一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)而言，可能出現(xiàn)的損傷位置組合實(shí)在太多，不可能完全考慮進(jìn)去，而且，通過試驗(yàn)測得的頻率僅為結(jié)構(gòu)的低階頻率，對反映局部的損傷程度并不敏感[7]。所以，通過基于頻率的損傷指數(shù)方法對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定位是相當(dāng)困難的，在實(shí)際測試中一般很少采用。

（2）基于振型的損傷指數(shù)

在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別發(fā)展初期，對損傷定位一般就是通過對比結(jié)構(gòu)損傷前后的振型來實(shí)現(xiàn)的。1986年提出了模態(tài)保證準(zhǔn)則MAC（Modal Assurance Criterion），這種方法主要是通過計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的比較來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別；1988年，Lieven 和Ewins 對MAC 準(zhǔn)則進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則COMAC。為了提高結(jié)構(gòu)損傷對模態(tài)變化的敏感度，1991年，Pandy 提出了曲線模態(tài)的概念，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)損傷對于模態(tài)變化的敏感度，后來隨著使時(shí)間的發(fā)展，有學(xué)者在Pandy 基礎(chǔ)上提出了應(yīng)變模態(tài)概念，并得出了結(jié)構(gòu)損傷對應(yīng)變模態(tài)更為敏感的結(jié)論。

為了找尋對結(jié)構(gòu)損傷更為準(zhǔn)確的定位方法，一些學(xué)者將有限元模型與振型相結(jié)合定義出了新的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，并且通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別和定位中，模態(tài)應(yīng)變能起著不可忽視的作用[8]。Stubbs 和Kim 等在20世紀(jì)末開創(chuàng)了模態(tài)應(yīng)變能識(shí)別和評估結(jié)構(gòu)損傷與定位的先河，除此之外，1998年，Law 在基于模態(tài)應(yīng)變能識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷方法的基礎(chǔ)上提出了新的損傷指數(shù)—單元能量商EEQ（Elemental Energy Quotient）。在同年，又有學(xué)者基于這個(gè)方法提出了單元模態(tài)應(yīng)變能（EMSE）的概念，并且在研究中證明了該種損傷指數(shù)對局部損傷較為敏感，可以用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。

（3）利用頻率與振型相結(jié)合的聯(lián)合損傷指標(biāo)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的不斷深入，結(jié)構(gòu)的頻率和振型都能夠通過現(xiàn)有的手段和設(shè)備準(zhǔn)確測試到，于是不少學(xué)者開始將研究目光投入到頻率與振型聯(lián)合進(jìn)行損傷識(shí)別。其中，在1994年，由Pandy 和Biswas 提出的柔度矩陣法最具代表性，并且該方法不斷被后續(xù)學(xué)者充實(shí)和完善。

2.2.2 利用振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程或變換

這類方法主要由：（1）基于波形的識(shí)別指標(biāo)。這種方法主要利用試驗(yàn)測得結(jié)構(gòu)在損傷前后的加速度FRF 波形，提出了幾種結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別指標(biāo)，比如，WCC（Waveform Chain Code）、ATM（Adaptive Template Methods）和SAC（Signature Assurance Criteria）等，經(jīng)過試驗(yàn)對比研究發(fā)現(xiàn)，WCC 與ATM 指標(biāo)對加速度波形極為敏感，能夠較為直觀反映FRF 的細(xì)微變化，而相反，SAC則沒有前兩個(gè)指標(biāo)敏感，對波形的變化識(shí)別能力較差，WCC 和ATM 指標(biāo)盡管對結(jié)構(gòu)損傷極為敏感但是并不能識(shí)別出結(jié)構(gòu)損傷的位置。（2）用小波分析技術(shù)處理振動(dòng)響應(yīng)信號識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷。用小波變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別具有多分辨分析的思想，可以對聚集信號的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行頻域處理，非常適合用于振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的判斷，李書進(jìn)等就該種結(jié)構(gòu)損傷分析方法提出了響應(yīng)的算法。（3）利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域交換方法。這種方法包括時(shí)域峰值法、振動(dòng)水平診斷、沖擊脈沖法、峭度因子分析法、峰值因素法。

2.3 基于智能計(jì)算的損傷識(shí)別方法

上述所論述的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法是利用結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷前后的動(dòng)靜力參數(shù)和一些損傷分析指數(shù)對比判斷損傷程度和位置的。但智能計(jì)算的損傷識(shí)別方法并不是分析結(jié)構(gòu)的物理特性參數(shù)，而且將結(jié)構(gòu)損傷前后產(chǎn)生的反應(yīng)與不同損傷程度串聯(lián)起來，建立能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的反應(yīng)記錄下來的標(biāo)準(zhǔn)模式庫，將結(jié)構(gòu)在不同激勵(lì)作用得到的反應(yīng)情況，與模式庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而確定出結(jié)構(gòu)損傷的具體程度。

4 結(jié)論

有限元模型的修改需要將結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相互結(jié)合以尋求最佳的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，然而結(jié)構(gòu)損傷往往比較特殊，理論值與模型計(jì)算結(jié)果之間往往存在差距。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，損傷的產(chǎn)生只會(huì)局部的剛度降低，但在有限元模型中，修正剛度是針對的整個(gè)剛度矩陣。有限元模型的修正過程是在原先建立模型的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行修正使得模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符合。而損傷識(shí)別不單單是判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，更重要的是確定損傷的具體位置，這遠(yuǎn)比修改模型更復(fù)雜。

基于智能計(jì)算的損傷識(shí)別方法采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主，這種方法特點(diǎn)是學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，且運(yùn)算能力會(huì)隨著不斷訓(xùn)練而加強(qiáng)，該種方法在未來發(fā)展具有很大的潛力，但是難點(diǎn)在于輸入向量與輸出目標(biāo)的確定，而且這種方法同樣會(huì)受到測量誤差的影響。