中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
近年來，大跨度橋梁呈現(xiàn)輕柔化設(shè)計(jì)及不斷復(fù)雜的功能及結(jié)構(gòu)形式，其安全運(yùn)營對(duì)于促進(jìn)交通及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用。因大型橋梁工程建設(shè)通常都處于惡劣的工作環(huán)境，需要較大的投資、較長的設(shè)計(jì)周期及使用年限，易受多種因素影響，因此監(jiān)測及評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)就顯得尤為重要，在一定程度上也促進(jìn)了大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。
1、大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)
大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)、通訊及傳感技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，主要用于智能化評(píng)估及實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。經(jīng)長期使用或遭遇災(zāi)害后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測定，獲得橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，以判定橋梁結(jié)構(gòu)受損情況，對(duì)于保證橋梁安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害，使橋梁延長使用壽命等方面都具有重要意義。
大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常包括傳感系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系、通信系統(tǒng)及監(jiān)控中心四個(gè)主要部分。主要用于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)固定模態(tài)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼，在正常荷載及風(fēng)載作用下橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與力學(xué)狀態(tài)，受突發(fā)事件而引起的損害，結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞狀況，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)施狀態(tài)，橋梁環(huán)境條件等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。大型橋梁由于具有不同的結(jié)構(gòu)及使用年限等，健康監(jiān)測系統(tǒng)也具有不同的預(yù)期目標(biāo)。
現(xiàn)以某大跨橋梁為例，其健康監(jiān)測系統(tǒng)主要功能為，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在不同工作環(huán)境下的載荷變化進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)定用于管理橋梁日常運(yùn)營情況的信道報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)橋梁主要構(gòu)件工作狀況進(jìn)行監(jiān)測以用于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)維護(hù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中存在損壞的構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測并提前預(yù)警，評(píng)估橋梁主要構(gòu)件潛在損壞狀況及預(yù)期使用壽命，評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況及安全可靠性。
2、橋梁狀態(tài)評(píng)估
近年來，檢測橋梁結(jié)構(gòu)損傷方法的相關(guān)研究工作也逐漸深入，本文基于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷綜述橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估主要是利用多種測試手段，對(duì)目前工作狀態(tài)進(jìn)行測試，基于此采用有關(guān)狀態(tài)評(píng)估理論，評(píng)估構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)安全耐久性。橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估理論是基于建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估理論而得到發(fā)展，主要經(jīng)歷了探索，提出多種評(píng)估方法，評(píng)估已建結(jié)構(gòu)的損傷、模式識(shí)別及評(píng)價(jià)可靠性三個(gè)階段。
我國在二十世紀(jì)八十年代開展此項(xiàng)研究工作，1987年對(duì)已建及擬建結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別進(jìn)行了探討，并提出可靠性分析方法和步驟。1990年提出使用中已建結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可靠度，對(duì)其分析特點(diǎn)及新建結(jié)構(gòu)可靠度及優(yōu)化維修方案等有關(guān)問題進(jìn)行了論述，橋梁安全陛洋估方法較多，常用的主要有層次分析法及專家系統(tǒng)等。
分析橋梁結(jié)構(gòu)安全性時(shí)，采用可靠度理論應(yīng)確定依靠分析的極限狀態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或構(gòu)件的失效模式進(jìn)行分析，再根據(jù)極限狀態(tài)對(duì)極值荷載和臨界強(qiáng)度進(jìn)行確定，以獲得相應(yīng)指標(biāo)。在可靠度分析方法中，目前一次二階矩方法比較常用，但因結(jié)構(gòu)功能函數(shù)或其經(jīng)映射變換后具有較高的非線性程度，只對(duì)功能函數(shù)的計(jì)算精度進(jìn)行考慮還難以達(dá)到工程應(yīng)用的需要。所以基于一次二階矩法提出二次二階矩方法，它是以數(shù)值逼近中的拉普拉斯?jié)u近原理為基礎(chǔ)，基于廣義隨機(jī)空間內(nèi)可靠度分析，綜合結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的二次非線性項(xiàng)而形成的。該方法模擬收斂速度與基本隨機(jī)變量維數(shù)之間不存在任何關(guān)系，計(jì)算中不需要線性化狀態(tài)函數(shù)，可將問題直接解決。而且，易于確定數(shù)值模擬誤差，使模擬次數(shù)和精度得到準(zhǔn)確確定。
層次分析法是由美國在二十世紀(jì)七十年代提出的用于綜合評(píng)價(jià)多指標(biāo)的一種定量方法，利用對(duì)相同層次中各評(píng)估指標(biāo)的初始權(quán)重進(jìn)行確定，進(jìn)而定量化定性因素，對(duì)主觀減少影響，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化評(píng)價(jià)。國內(nèi)已日益重視該方法的應(yīng)用，采用基于可靠度分析的多層次評(píng)估模型研發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評(píng)估系統(tǒng)，利用分析監(jiān)測數(shù)據(jù)及有關(guān)損傷識(shí)別結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)出橋梁整體及構(gòu)件狀態(tài)，成為橋梁維修的重要參考依據(jù)。遺傳算法是由美國在二十世紀(jì)七十年代提出，基于自然遺傳和自然選擇思想的尋優(yōu)方法，其強(qiáng)大的尋優(yōu)功能可充分適應(yīng)可靠性計(jì)算與分析要求。在可靠度指標(biāo)計(jì)算上，采用遺傳算法十分接近驗(yàn)算點(diǎn)法及蒙特卡羅法，而誤差也低于驗(yàn)算點(diǎn)法，該算法的不足之處是不具有較決的收斂速度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近年來得到迅速發(fā)展，它基于非線性大規(guī)模并行分布，在模式識(shí)別等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為某些工程問題的—個(gè)有效解決工具。該方法在重構(gòu)功能函數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯，有研究結(jié)果顯示，即便是在強(qiáng)非線性的功能函數(shù)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能對(duì)該功能函數(shù)進(jìn)行精確逼近。結(jié)合遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)響應(yīng)面法，通過遺傳算法對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行尋找，再在設(shè)譏點(diǎn)附近利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，利用重要抽樣法對(duì)各失效模式的失效概率進(jìn)行計(jì)算。有效規(guī)避了一次二階矩法的局限性，使計(jì)算效率和精度得到明顯提高。在大型橋梁結(jié)構(gòu)中，通常多層次的失效模式及路徑都具有一定聯(lián)系，目前很多研究還處于構(gòu)件層次，分析結(jié)構(gòu)體系的可靠度還有待于進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。
3、大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)方向，一是與大型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，利用振動(dòng)模態(tài)測試分析技術(shù)和系統(tǒng)識(shí)別理論，對(duì)適用于大型結(jié)構(gòu)的模型修正方法進(jìn)行探索。二是積極研究結(jié)構(gòu)損傷的通用量化指標(biāo)。對(duì)于振動(dòng)故障診斷預(yù)測，不管信號(hào)源自何處，經(jīng)處理后可結(jié)合識(shí)別信號(hào)對(duì)結(jié)掏損傷狀態(tài)進(jìn)行判斷。三是研制新型傳感設(shè)備及激振器。應(yīng)用新型傳感設(shè)備，使橋梁結(jié)構(gòu)具有自感知和自診斷能力。四是布置傳感設(shè)備的最優(yōu)技術(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)和在線監(jiān)測都具有重要作用。五是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性因素對(duì)于結(jié)構(gòu)健康檢測診斷中應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法都具有良好的前景。如小波分析在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)就十分突出。
綜上所述，隨著不斷深人開展的大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評(píng)估相關(guān)研究工作，大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)于提高橋梁安全性將發(fā)揮十分積極的作用
