试析桥梁结构的安全监测
2015-06-23
桥梁结构安全是保证桥梁安全运营的重要前提，随着我国大跨度桥梁建设的不断发展，桥梁的安全性越来越为社会各界所关注，国内的桥梁结构检测分析技术不断提高，并逐渐应用在桥梁结构的安全检测中，为确保我国桥梁的安全运营，延长桥梁的使用寿命提供了技术保证。
一、桥梁结构的安全监测
桥梁结构的安全检测主要包括结构的病害诊断和状态检测两个过程，两者之间既相互联系又有所区别，其中病害诊断是一种较高层次的桥梁安全结构监测技术，这种监测技术不仅要求对桥梁结构产生病害的部位和原因作出判断评估，而且还要对桥梁结构的工作状态作出初步诊断，检测结果可以给桥梁的结构管理决策提供科学依据，这种监测技术又被称为精密诊断。状态检测则是通过一些方法对桥梁结构的特征参数，特别是应力、温度、变形、振动等进行测量，以此来判别桥梁结构的工作状态是否正常，所以状态检测又称为简易诊断，主要是对桥梁结构有无病害进行评判，通常情况下，技术人员只要选择恰当的检测周期、测点以及检测参数就能取得较好的检测效果。简易诊断是对桥梁结构的状态做出迅速有效的概括性评价，与此同时，技术人员还需要结合监测经验对桥梁结构状态作出初步判断；而精密诊断主要是针对简易诊断中判定的有异常的桥梁结构进行深入的测量和评估，最后确定使用哪种必要的技术措施对其加以修正。就桥梁结构监测的全过程而言，状态监测是保证桥梁结构监测准确的基础工作，为此技术人员必须保证状态监测采集数据的准确性，病害诊断是在状态检测基础上的深化和发展，桥梁结构的病害控制是病害诊断的最终目标。
在桥梁结构检测过程中，如果桥梁结构出现了病害，检测参数就会表现出与正常状态不同的特征，而这种差异往往包含有丰富的信息，桥梁结构安全检测的目的在于通过监测数据寻找桥梁结构病害的特征，并对桥梁的结构安全度进行深入探究。桥梁结构的安全检测一般包括桥梁结构病害分离与评估、病害特征提取、评价与决策等几方面。
1.桥梁结构的状态监测
桥梁结构的状态检测分为连续监测和定期监测两种，主要监测内容包括表面形貌监测、强度监测、性能趋向监测、温度监测、声学监测和振动监测等，对于不同的监测对象，受其工作性能控制因素的不同，桥梁结构监测的物理参数也各不相同，其中振动和噪声检测在桥梁检测中的使用最广泛，对于一些大型桥梁通常是以强度监测、振动监测以及表明形貌监测为主要目标。在对桥梁结构进行监测时，为了保证监测数据的准确性，技术人员一定要严格监测对象的选择，通常情况下，应该选择灵敏度较高的特征参数作为监测数据。
2.桥梁结构的病害诊断
依照桥梁结构病害特征和决策方法的不同，桥梁结构病害诊断形成了不同的诊断方法，主要包括不依赖于模型和诊断方法和依赖于模型的诊断方法，针对这两种诊断方法，使用的决策和分离方法主要有五种。其一，模糊数学法，在系统装填不确定或不分明时，可以使用模糊集来描述，技术人员可以通过使用模糊聚类分析将模糊集分成不同水平的子集，并以此来判别病害最有可能属于的子集。
其二，模式识别法，使用这种诊断方法需要进行离线分析和在线诊断，所谓离线分析是指通过离线分析来确定可以表达结构状态特征向量集以及以该特征向量集所描述的病害模式向量，并以此形成病害的基本模式集；在线诊断需要实时提取结构状态的特征向量，并通过判别函数对桥梁结构病害进行分离定位。
其三，专家系统法，这种方法是通过该领域一些专家的触觉、听觉、嗅觉以及视觉来获得一些客观事实，然后依照桥梁结构以及病害历史对桥梁病害的部位和原因作出判断。这种诊断方法尤其适用于一些复杂结构的桥梁病害故障诊断。
其四，人工神经网络法，这种诊断方法在桥梁结构病害诊断时分为两个阶段，首先是学习阶段，技术人员需要选择合适的网络结构和模型，同时借助一定的学习算法，反映系统的动态特征以及干扰影响的变量作为神经网络的输入，对应的状态编码是期望输出，形成输入/期望输出的样本，进而确定神经网络的阈值和权值，在学习收敛之后再冻结神经网络的阈值和权值。诊断阶段是使训练好的神经网络处于回想状态，对于给定的输入，产生相应的输出，通过输出与状态编码之间的比较，确定病害。
最后是对比诊断法，这种诊断方法的使用范围最为广泛，技术人员首先通过初期的统计归纳和计算分析，确定与各个状态相一致的征兆，最后把征兆和基准模式相比较，获得桥梁结构的状态。
二、桥梁结构安全检测的动力响应法
桥梁结构的在各种激励下的功力响应是其整体状态的一种度量，桥梁结构的质量和刚度在结构出现损坏而发生病害时会有所改变，动力响应也会因此而发生变化，桥梁结构的这些变化可以通过振动测试方法得到。动力响应监测又可以分为动力系数法和振动模态法两种。
所谓动力系数是桥梁由于振动而增加的动挠度或者应力对静载所增值的比率。在桥梁发生病害时，桥梁的动力系数会增加，技术人员可以使用电阻应变片或者红外线挠度仪来测量桥梁的动静应力和动静挠度信号，之后再使用信号采集系统的信号，对动力系数是否超出标准值加以分析，最后对桥梁的安全状态进行评估。动力系数法的使用较为简单，只需要把传感器安装在桥梁上即可，对环境没有污染，操作成本较低，而且可以长期进行在线监测，或者通过网络进行远距离操作。例如车辆在桥面行驶时，桥梁会发生振动，技术人员可以在桥梁的关键部位安装一些拾振器，诸如速度传感器、加速度计以及应变传感器等，通过这些设备来测量桥梁的动力响应，进而判断恰频率的相应值是否超过标准值，并由此对桥梁结构的安全性能做出相应评估。
振动模态是准确监测桥梁结构各种参数变化以及评估桥梁结构病害程度的方法。桥梁结构的振动模态可以使用常规的试验模态测试分析得到，这种振动方法实施起来，不仅安全有效而且比较经济，振动模态在其他领域的使用为该技术在桥梁监测中的使用积累了丰富的实践经验，所以振动模态测量在桥梁结构安全监测中的使用越来越多。在进行模态监测分析时，技术人员应该注意数据采集系统、选择恰当的传感器和振动测点网络、便捷的可控激振方法，分析软件，从含噪声的测试信号中提取期望的模态信息。对振动模态测量而言，结构病害敏感参数的选择是一个重要环节，这些敏感参数一般可以分为两种，一种是盈利应变参数，例如应变能、应力分布以及应变模态等，另一种是振动模态参数，例如阻尼比、固有频率以及模态振型。
结语：
桥梁结构的安全监测是保证桥梁安全运营的重要手段，随着桥梁结构安全监测技术的不断发展进步，桥梁结构监测的准确性逐渐提高，在一定程度上保证了我国桥梁结构的安全性，延长了桥梁的使用寿命。
