安装桥梁“神经系统”，排除桥梁安全隐患

安装桥梁“神经系统”，排除桥梁安全隐患

                                   --前沿的结构健康诊断新技术

一座桥梁的安全性靠什么来保证？看得见的是钢筋、混凝土，而看不见的是背后的设计和原理。当我们探寻一座桥梁倾覆的原因，需要关注的绝不仅仅是看得见的部分，还有那些看不见的部分可能存在的安全隐患。所以，运用恰当的方法及时了解结构的当前状态，特别是及时发现危及结构安全的损伤，是结构健康诊断的核心问题。

北京赛福思创科技有限公司研发的“对称信号法”、“动静结合法”和“乐音准则法”三项结构健康诊断新技术，获得国家发明专利，突破了结构损伤诊断难点--评判结构损伤与否的“健康基准”。

摘录北京赛福思创科技有限公司和江苏交通科学研究院关于结构健康诊断的两篇文章如下：

        对结构损伤“健康基准”的探究

                                                ——工程结构健康诊断暨灾变预警技术研究

             （北京赛福思创科技有限公司 何雄科）

图1  双塔斜拉桥中塔的对称                                      图2  斜拉桥中索的左右对称  

土木工程结构因施工质量、环境腐蚀、超期服役、自然灾难及人为灾害等因素，引发各种结构安全问题.运用恰当的方法及时了解结构的当前状态，特别是及时发现危及结构安全的损伤，是结构健康诊断的核心问题。

结构损伤检测技术按测试方式可分为静态检测和动态检测。静态测试方法的优势在于测试精度高，可直接获得强度、刚度等结构重要信息。但其工程现场实施困难，工作量大，实施周期长、成本高。

动态检测是基于结构动力参数的测试方法。通过结构动力参数的改变获得结构的损伤信息。具有易实施，花费少，耗时短等优势，并可实现重大结构的实时在线监测和检测。

当前，结构损伤诊断的最大难点在于无法找到评判结构损伤与否的“健康基准”，这也是制约学科发展的瓶颈。鉴于此，中国地震局工程力学研究所研究员与美国伊利诺大学Spenser教授于2005年合作开展旨在建立结构损伤“健康基准”的研究，并获得科技部国际合作重大项目支持——重大结构健康诊断暨灾变预警系统研究（2006DFB71680）。其中“对称信号法”“动静结合法”针对桥梁结构中广泛存在的构件几何构造及边界条件相同的现象，指出各构件的振动信号应具有对称性。不符合该准则，就筛选出来作为有损伤的候选者。这一方法对识别梁式桥、桁架桥、悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥、带吊杆的中承式拱桥等结构构件损伤十分有效。

                                对称信号法

“对称信号法”的基本原理为：对于由长细杆件组成的结构，如钢桁架结构、钢网架结构、斜拉桥、悬索桥等，结构中符合对称条件的杆件，假定同一时刻、在相同位置发生相同程度的损伤是小概率事件，则表征这些杆件工作状态的变形、位移或频率等结构响应信息应该对称。而变形较大者或频率较低者就存在损伤。简而言之，对称杆件应该有对称信号，否则可能存在损伤。（见图1、2）

所谓“符合对称条件的杆件”是指杆件间几何尺寸、材质、边界条件，受力状态相同。对称信号法提供了用于杆件损伤判断的一个健康基准。因为完全“对称”的杆件除了在空间位置上的不同外，其余的状态是相同的，杆件在完好的状态下应该表现出相同的力学性质。如果其中某个杆件发生了损伤，该杆件的动力特性必然改变，而与其对应的没有发生损伤的对称杆件的动力特性保持不变。采用对比法可以发现对称杆件之间在动力特性上的差别，即“信号不同者存在损伤”。

结构损伤评价时，以“信号显着不同者存在损伤”作为结构损伤的判别依据，例如以频率为信号标识量时，对称杆件固有频率值应该相等，否则频率小者可能存在损伤。图3为试验中有损伤和无损杆件的频率对比。

图4直观地表现了两种测试方法对杆件局部损伤的指示效果，结果说明对称信号法对结构损伤的敏感性优于以往基于整结构体频率变化的识别方法。

对称信号法的具体实施步骤如下：

(1)选取对称杆件。依据测试目标及结构特点选取满足“对称”条件的对称杆件 。

(2)布设传感器。一次或分批在每组杆件上布置传感器，传感器的布置需遵守对称原则。

(3)杆件激振及振动信号采集。通过合适激励方式使每组对称杆件产生程度相当的振动响应，每根杆件的振动信号由传感器传输至采集器。

(4)信息处理。通过信号处理技术获得用于杆件损伤判断的损伤标识量。例如获得每组对称杆中每根杆件的固有频率。

(5)损伤识别。对比表征每根杆件物理状态的损伤标识量。标识量存在显着差异者为损伤杆件。例如杆件损伤导致杆件的固有频率降低，通过对称杆件间频率值的对比可发现此差异，频率小者存在损伤。

对称信号法具有良好的工程实用前景。首先，对称信号法属于局部检测方法，对结构的局部损伤识别效果好，实测时传感器与测试杆件一一对应，在发现杆件损伤的同时也可指示出结构损伤的位置，杆件的损伤程度由杆件间损伤标识量的差值大小度量，并且对称杆件可互为健康基准，解决了结构健康基准缺失的难题。其次，对称信号法仅需利用局部杆件的低阶模态构造损伤标识指标，局部杆件的激振相对容易而且更易实现激励的标准化，这些工艺过程以目前的检测技术很容易实现。第三，较比传统局部损伤识别技术，对称信号法具有良好的经济性。

                                         动静结合法

当结构的某类损伤可以用某个静力、动力参数明确指示时，通过建立静、动参数的数学关系的方法，实现动力测试结果等效静力检测结果的效果，这是动静结合法进行结构损伤识别的基本思路。动静结合法依据的是广义的对称信号法基本原理，因此其适用对象也限制在具有“对称”特性的批量的梁式结构上，如空间尺寸相同的塔桅结构，多跨连续桥梁的某几跨桥段，同一个屋盖体系下的多榀排架等。

动静结合法的技术关键在于建立动、静参数的关联性。基于振动理论的损伤识别方法通常在忽略质量矩阵和阻尼矩阵变化的前提下考察结构刚度矩阵（柔度矩阵）中损伤单元的改变，对结构模态参数的影响，因此实测所得的结构模态参数在宏观上是代表结构刚度矩阵（柔度矩阵）状态的标示量。实测的结构静力参数是反映结构宏观性态的刚度信息，二者在数值上建立联系，在实用上具有一定意义。

动静结合法在实施检测时，需要获取可表征结构性态的静力参数和动力参数，工程应用中基于结构整体性态的静力检测通常是通过静力加载试验获取结构的刚度信息。工程结构在正常使用时应该保持在线性的工作状态，基于这种假设可以将静力加载试验所获的数据，回归成直线型的荷载——挠度曲线，这条直线的斜率即为结构的刚度。当条件允许时，可以直接将实验荷载施加到结构的设计荷载值，取得此时结构的最大挠度，以此挠度值与规范的限值进行对比即可确定结构的安全状态，这是以结构安全承载为尺度的健康诊断的基准。

以此基准实施损伤诊断时有几个问题需要特别注意。首先，在施加试验荷载前结构已经发生了一定程度的初始挠度值。其次，试验荷载多数情况下无法正好加至设计的极限荷载，而且将试验荷载加至设计的极限值很多情况下也是不恰当的。图5所示的基于静力加载试验的结构安全评估图综合考虑上述问题。当结构的自重及测试时刻的负载已知时，便可依据所获的结构刚度估算出结构的初始挠度，如图细虚线所示。同理也可估算出最大负荷作用下，结构产生的挠度。当未超出规范规定的结构挠度限值D时，说明结构承载安全。

动静结合法实施步骤和要点如下：

1、分析结构力学特性。结构的力学性能决定结构的测试方案，在充分考虑结构共性特点的情况下要全面衡量个别结构的特性，如变形能力、边界条件等，条件允许时可采用有限元数值模拟技术初步掌握结构力学特性。

2、确立测试方案。对满足广义对称条件且具有一定数量的梁式结构，选取其中几个结构作为样本，结合结构的力学特点设计静载加载方案和振动测试方案。     

3、实验实施。依据既定测试方案对一个样本进行静力和振动测试。实时获得表征结构状态的观测数据。

4、数据及信息处理。依据静力测试数据获得该样本结构的刚度信息，运用模态识别技术获得该样本结构相关的模态信息。

5、测试其余样本。重复3、4步骤。获得每个样本的刚度信息和模态信息。

6、建立动、静参数的数值关系式。依据采集到的样本静力及振动信息，按统计规律建立动、静参数之间的数值关系式。

7、剩余结构振动测试。对剩余的结构进行动力测试，获得所有结构的模态信息。依据动、静参数的数值关系，推算出结构的静力刚度。

8、分析结构的健康状态。以我国现行结构《规范》中相关条文中所规定的结构刚度限值为结构的健康准则。运用图5所示评估方法，判断所测结构在正常使用极限状态条件下的安全性能。

                                        乐音准则法

乐音的物理特性可以归纳为：各音频率间隔规则分布（或算术等间隔或对数等间隔），各谱线呈“梳状”分布，乐音的这两个特征定义为乐音准则。

均匀、规整的一维（杆、索）或二维（板、壳）结构的频谱特征是满足乐音准则的。根据乐音准则的规律，通过观察结构振动频谱的频率分布规律进行结构损伤识别的方法，称为乐音准则法。乐音准则法在损伤识别中不重视个别量值的变化，而是在信号整体上考察结构的完好性，实施简单快捷。

乐音准则法进行损伤识别是基于规则结构的频谱图的规律性，不同于传统的基于单一损伤标识参量变化的损伤识别法，乐音准则法并不重视结构某一频率的变化，而是基于结构频谱全景的判断。频谱的形状、峰值的的分布规律是损伤识别中重点考察的指标。乐音准则法的局限在于测试对象限制于均匀、规则的工程对象。对模态识别技术要求较严格，环境噪音会对测试结果的影响较大，仅能实现损伤识别第一层次的目标，即只能发现损伤而无法指示结构损伤的位置。