大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究

熊青松

（麗江公路局，云南 麗江 674100）

引言

目前，既有或新建橋梁進行監(jiān)測和評估的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已發(fā)展的非常成熟，世界各國在橋梁結(jié)構(gòu)上都已實施了結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常包括：（1）驗證設計假設和參數(shù)，以改進未來類似結(jié)構(gòu)的設計規(guī)范；（2）檢測荷載和響應中的異常情況，以預防在早期階段可能發(fā)生的損壞、損傷，確保結(jié)構(gòu)和運營安全；（3）在災害和極端事件發(fā)生后立即提供與安全評估有關(guān)的實時信息；（4）為橋梁檢查、修復、維護和維修提供證據(jù)和指導；（5）監(jiān)測評估維護、改造和維修工程的有效性；（6）獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，用于橋梁工程的前沿研究，如抗風和抗震設計、新型結(jié)構(gòu)類型和智能材料應用[3-5]。

目前橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)包括分布式和嵌入式傳感、數(shù)據(jù)管理和存儲、數(shù)據(jù)挖掘、診斷方法以及向橋梁管理部門提供有效可靠的信息，以便進行維護和管理決策。

1 結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感

在過去的十年里，傳感技術(shù)已經(jīng)取得了重大進展，各種創(chuàng)新的傳感系統(tǒng)，如光纖傳感器和無線傳感器，已投入商用。傳感系統(tǒng)是實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵。橋梁健康監(jiān)測使用空間分布、無線供電、無線網(wǎng)絡化的嵌入式傳感設備，支持獲取與荷載和環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的實時信息。光纖傳感器已成功應用于大型橋梁結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測，而無線傳感器在橋梁監(jiān)測中的應用尚處于技術(shù)示范階段。

一些傳統(tǒng)的傳感器在用于大型橋梁的長期監(jiān)測時具有明顯的局限性，例如難以測量大跨度橋梁的撓度。傳統(tǒng)的位移傳感器只能用于相對位移測量，而激光傳感器和全站儀已被證明不適合長跨度橋梁的長期監(jiān)測。目前解決這個問題的辦法是使用全球定位系統(tǒng)（GPS），但GPS在橋梁監(jiān)測中的應用有兩個局限性：（1）GPS的測量精度不足以完全滿足橋梁健康監(jiān)測的要求；（2）GPS不能很好地監(jiān)測橋面以下橋墩的位移（由船舶碰撞、沉降等引起）。

應變測量是橋梁健康評估的另一個重要問題。常用的應變傳感器有電阻式應變計和振弦式應變計兩種，但均有缺陷：（1）電阻應變計能測量動態(tài)應變，但零點穩(wěn)定性低，導致被測物隨時間漂移；（2）振弦應變計零點穩(wěn)定性高，但只能用于準靜態(tài)應變測量。傳統(tǒng)應變計的缺陷使得創(chuàng)新型光纖傳感器越來越多地應用于大型橋梁的長期監(jiān)測。光纖傳感器最優(yōu)越的特點是其分布式傳感和測量能力，可對大型橋梁進行精細地狀態(tài)監(jiān)測。目前阻礙光纖傳感器廣泛應用于橋梁監(jiān)測的主要障礙是缺乏對傳感器在惡劣環(huán)境下的耐久性及其與建筑材料長期性能的工程論證。

光纖傳感器在電纜支撐橋梁中的另一個應用是將傳感器嵌入橋梁電纜中，用于溫度和應變的測量，構(gòu)成電纜橫截面的電線已被不銹鋼管所取代，用于部署光纖傳感器，見圖1。

圖1 電纜截面中光纖傳感器

布里淵散射傳感器中的光纖“無應變”鋪設在每根鋼管內(nèi)，用于沿電纜長度進行分布式溫度測量。采用布里淵光時域反射（B-OTDR）技術(shù)，將激光脈沖發(fā)射到作為傳感元件的光纖中，結(jié)合散射信息和激光脈沖沿光纖的傳播時間實現(xiàn)溫度測量。在電纜橫截面的最外層添加七根鍍鋅線以保持電線的總面積不變。同時，在電纜端部嵌入光纖布拉格光柵（FBG）傳感器進行應變測量。光纖光柵陣列由3個間距為2 m的光纖光柵應變傳感器組成，光纖光柵對應變和溫度都很敏感。光纖光柵的溫度由B-OTDR系統(tǒng)獲得，因此可以確定施加在光纖光柵上的應變。由于光纖光柵陣列是沿鋼管安裝的，用于容納B-OTDR進行溫度測量，因此避免了額外的鋼管和導線面積縮小。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上的數(shù)據(jù)采集單元(DAU)是必不可少的。DAU被分配在橋梁的多個位置，以收集來自相鄰傳感器的信號，并將模擬信號數(shù)字化并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)。它們還具有短期數(shù)據(jù)存儲和初步信號處理的功能。對于傳感器密集分布的大型橋梁，DAUs的優(yōu)化配置對于保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和保真度具有重要意義。所需DAU的數(shù)量取決于高采樣率和低采樣率下的傳感器通道數(shù)。DAU的位置主要取決于模擬型傳感器的位置，尤其是那些具有低靈敏度電壓信號輸出的傳感器，必須考慮傳感器和DAU之間的工作環(huán)境和允許的最大距離，以消除傳輸損耗、噪聲并保護DAU免受干擾。

結(jié)構(gòu)上的DAU必須針對各種環(huán)境條件進行設計，如溫度、濕度、雷電和電磁干擾。為防止鋼梁腐蝕，結(jié)構(gòu)設計要求密封箱體內(nèi)的濕度通過除濕系統(tǒng)保持恒定，內(nèi)部空氣不得與外部空氣循環(huán)，在設計DAUs的保護系統(tǒng)時，必須滿足這一要求。見圖2，不銹鋼柜設計用于容納每個DAU，并保護其免受灰塵、溫度、濕度和電磁干擾。機柜內(nèi)安裝有空調(diào)系統(tǒng)，以適應鋼箱梁內(nèi)部的惡劣溫度條件，溫度可能在0 ℃以下至60 ℃以上，以阻止機柜內(nèi)的空氣與鋼箱梁內(nèi)部的空氣循環(huán)，在主站附近的下層甲板法蘭處留有兩個直徑為150 mm的孔，利用冷劑入口管和冷劑出口管將柜內(nèi)空氣與甲板箱外的空氣直接循環(huán)。此外，每個DAU均采用隔離變壓器，以防雷擊。

圖2 DAU保護設施

3 測量數(shù)據(jù)與模型驗證

大量研究表明，溫度是引起模態(tài)變化的關(guān)鍵因素，公路橋梁由溫度引起的模態(tài)頻率變化可達5%～10%，多數(shù)情況下超過了結(jié)構(gòu)損傷或劣化引起的頻率變化。大型橋梁結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)通常包括振動傳感器和溫度傳感器，因此，可利用涵蓋在環(huán)境條件下全周期的測量數(shù)據(jù)，對溫度的模態(tài)特性影響進行定量建模。

以某大橋一年的實測資料，對溫度模態(tài)頻率影響的各種統(tǒng)計回歸方法有效性進行比較研究，作為該橋長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，共安裝83個溫度傳感器和45個加速度計，用于實時測量溫度和動態(tài)響應。采用自動模態(tài)識別程序，每隔1 h對測得的加速度數(shù)據(jù)進行模態(tài)識別，得到橋梁的模態(tài)頻率，并通過1 h平均得到20個選定傳感器處的相應溫度。利用一年770 h的實測數(shù)據(jù)，研究模態(tài)頻率與溫度的相關(guān)性，相關(guān)性分析采用線性、非線性回歸模型和神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

3.1 線性回歸模型

圖3顯示了通過測量和線性回歸模型獲得的第一模態(tài)頻率序列，對訓練數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，得到線性回歸模型。

圖3 線性回歸模型測量和生成的頻率序列

結(jié)果表明：（1）模型能很好地再現(xiàn)訓練數(shù)據(jù)，但對新的驗證數(shù)據(jù)的預測能力較差。（2）說明殘余誤差的分布，適當?shù)哪Ｐ蛻山咏咚狗植嫉姆植肌?/p>

3.2 非線性回歸模型

根據(jù)kernel函數(shù)由非線性回歸模型獲得的結(jié)果，見圖4。非線性回歸模型比線性回歸模型具有更強的泛化能力，但仍缺乏對頻率變化的準確預測。

圖4 非線性回歸模型測量和生成的頻率序列

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡模型

圖5 展示了通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型獲得的測量和預測結(jié)果，該模型在預測性方面表現(xiàn)出良好的能力。分析可知，只需一個感知器神經(jīng)網(wǎng)絡就足以進行建模，而適當數(shù)量的節(jié)點能提高模型的預測能力。

圖5 由神經(jīng)網(wǎng)絡模型測量和生成的頻率序列

4 結(jié)語

對大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了概述，主要包括橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀和最新趨勢，在長期健康監(jiān)測實踐中實施創(chuàng)新的傳感和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與橋梁檢測、養(yǎng)護和管理的銜接。研究表明：（1）傳感系統(tǒng)、信號處理、通信和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展為橋梁安全監(jiān)測提供了新途徑。（2）橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以為評估結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性和可靠性提供有價值的監(jiān)測數(shù)據(jù)。（3）采用線性、非線性回歸模型和神經(jīng)網(wǎng)絡模型研究了模態(tài)頻率與溫度的相關(guān)性，結(jié)果表明上述3種模型的預測曲線與測量數(shù)據(jù)吻合較好。