动态法桥梁损伤检测与识别技术面临的挑战

    近十几年来,基于振动测试与分析的桥梁损伤检测与识别技术已成为国际土木工程界研究热点。其基本思想是通过测试桥梁结构的动力反应,根据其动力参数变化或差异来推测结构本身的变化或缺陷。相对于传统的人工外观检查、静力荷载试验或局部无损检测(如超声波法)等,其优点非常明显,一是可全面反映桥梁的健康状况;二是可发现结构内部以及一些难以接近部位的损伤或缺陷;三是检查结果受人为因素影响较小,其客观性与准确性较高。

    除了上述优点之外,这一方法还可以利用环境激励引起的结构振动来对结构进行检测,因此无须封闭交通,从而使桥梁的在线监测成为可能。目前已有许多国家或地区在一些已建或在建的大跨度桥梁上作了尝试,如新加坡的Anderson桥、英国的Hamber桥以及香港的青马大桥等桥梁上均安装了自动数据采集系统,对风、加速度、应变和位移等进行自动监测,其结果将成为评估桥梁健康状态的重要依据。而我国的江阴长江大桥、徐浦大桥等特大型桥梁上也设有类似的振动测试系统。

    实际上,基于振动测试与分析的损伤识别技术在发达国家已被广泛应用于航空、航天和精密机床等领域的故障诊断、荷载识别和动力学修改等问题,并取得了丰硕的成果。但对于大型土木结构,尤其是桥梁结构却远未成熟。尽管到目前为止,已有不少学者在此领域做了许多工作,并取得了一些进展。但绝大多数仍停留在数值模拟或室内实验阶段,缺乏足够的实际工程检验,因此其可靠性与有效性值得怀疑。作者在系统调研的基础上,分析和总结了该项技术在研究与应用过程中面临的主要障碍,同时对其下一步的研究工作提出了相关建议,希望能对今后的研究工作有所启发。

1　动态法桥梁损伤检测与识别技术研究的现状

    概括地说,动态法桥梁损伤识别可以分为三个步骤。第一步是进行结构动力测试,测试内容可以是位移、速度、加速度或应变等。第二步是从测得的信号中提取出与结构损伤有关的特征参数。第三步则根据这些特征参数运用适当的数学方法进行损伤识别。因此,这项技术实际包含结构振动测试、信号分析及损伤识别三项内容。其中,前两者是基础,它为后者提供必要的输入信息。结构振动测试技术经过几十年的发展现已日趋成熟。目前,国内已经研制出多种智能信号采集系统的商业产品,可以实现信号的实时采集与监测。而信号分析技术主要有频域法、时域法及时频域法三种,其中又以频域法发展得最早且较为简单,因此应用最为普遍。其缺点是进行模态分析时需要人工干预,并且当模态密集时较难给出正确判断。而时域法由于可以在一定程度上克服以上困难,因而正逐渐被研究者重视,目前比较有代表性的成果有随机子空间法(SSI)及特征系统实现法(ERA)等。但这些方法较复杂,计算量也较大,同时对噪声的处理比较困难[1]。时频域法是近几年兴起来的一种振动信号分析技术,主要包括小波分析及Wigner分布等,其特点是可在时域和频域同时细化处理,使其具有良好的局部化能力。目前,时频分析方法在结构损伤检测中的应用尚不太多,主要集中在机械工程领域[2,3],能否用于大型土木结构还有待进一步研究。