论文部分内容阅读
摘要：随着社会经济和科技的不断发展，交通系统日益完善，出现了越来越多的桥梁，桥梁结构也更加复杂。在桥梁的设计、施工、运营等阶段，由于可能随时受到一些因素的影响，发生一定程度的损伤，进而可能造成桥梁结构破坏，严重影响社会环境和国民经济。为了对桥梁实际运用情况加以了解，以多模态参数为基础，运用科学的识别方法，对桥梁结构损伤进行准确识别，了解损伤程度、位置等，從而为桥梁养护和维修提供依据。
关键词：多模态参数；桥梁结构；损伤识别；方法
前言：近年来，随着社会经济和科技的发展，桥梁建筑行业取得了长足的进步，桥梁结构设计年限也不断延长。不过，与其它结构物相同，桥梁建筑也具有自己的使用寿命。桥梁在设计、施工阶段可能受到一定因素的影响，同时在建成运营当中，也会受到一些因素的影响，例如台风、地震、超载等。这些因素可能造成桥梁局部或整体破坏，进而影响其结构安全和使用寿命。为了充分了解桥梁结构的实施性能与状况，需要采取有效的方法，对桥梁结构损伤进行识别，从而判断桥梁的耐久性与安全性，避免发生安全事故，保障桥梁运营安全。
一.桥梁结构损伤的概念类型
桥梁结构损伤指的是由于长期荷载的影响，同时在自然因素、外部力学因素、疲劳效应的作用下，发生破损或结构功能性退化。根据不同的时期，可将桥梁结构损伤分为受力和非受力损伤。受力损伤指的是在外力作用下，构件或结构开裂造成的破坏。非受力损伤指的是在施工或使用阶段，由于突发灾害、材料老化、温湿度变化等因素造成的结构特性退化。桥梁结构损伤容易产生裂缝，进而影响桥梁使用性能及安全[1]。根据损伤对结构力学性能的影响，还可以分为线性和非线性损伤，线性损伤指的是结构损伤改变物理特性，进而造成阻尼比、振型、频率改变，且可以利用线性理论描述。非线性损伤指的是结构损伤后，无法用线性运动方程模拟结构力学性能，只能通过非线性理论加以模拟。
二、桥梁结构损伤识别的目的
关于桥梁结构损伤识别，主要目标分为四个部分，分别是结构损伤的判断，结构损伤位置的判断，结构损伤程度的确定，结构剩余寿命的预估。在桥梁结构损伤识别中，运用现有的仪器设备，对桥梁实际运营情况下的结构参数进行测试，进而对桥梁结构损伤或破损加以确定[2]。另外，需要定量桥梁结构损伤程度，并预估剩余的使用寿命，其对于桥梁结构整体性评价，后期保养维护等具有重要的参考作用。不过，单独利用振动测量分析师别方法，仅能够明确桥梁结构损伤及损伤位置，而结合动态损伤识别方法，可定量分析损伤程度，再结合其它学科知识和技术，才能实现桥梁结构剩余价值的预估。但在实际操作中，这种目标往往难以一次实现，因而通常利用分步法，首先对桥梁结构损伤及位置加以判断，然后对结构损伤程度进行确定。
三、桥梁结构损伤识别的分类
在桥梁结构损伤识别当中，根据不同的标准可分为不同的类型。例如，根据识别分为，可以分为局部和全局损伤识别，其中局部损伤识别主要是采用非破坏性检测技术，在诊断构件和结构性能中，不会影响结构使用性能及受力性能。常用的局部损伤识别方法包括利用电磁学、X射线、超声波、染色渗透等技术，定期进行局部结构位置检查；或是将传感器布设在重要构件上，了解相应的监测系统，实现远程实时在线监控[3]。在全局损伤识别技术中，运用了基于物理参数的模态参数函数思想，结构物理参数发生变化，结构动力响应也会发生改变，利用含有损伤信息的模态参数，对结构损伤进行定量和定位。目前常用的全局损伤识别方法包括智能识别法、模型修正法、动力指纹法等。根据不同的结构损伤诊断技术，可以分为静态和动态检测，其中静态检测直接对测量静态参数加以利用，包括构件和结构的弹性模量、材料强度、尺寸等。动态监测技术则是利用现场动载试验，测量结构损伤引起的阻尼比、振型、频率变化，进而发现桥梁结构损伤。
四、基于多模态参数的桥梁结构损伤识别方法
（一）基于静态测量参数的桥梁结构损伤识别方法
桥梁结构特征参数主要包括了几何尺寸、静位移、弹性模量等静态特性参数，以及感度、质量等動态特性参数。当桥梁结构发生损伤后，构件刚度下降，应变、应力、位移等参数都将产生变化，可以利用现有设备仪器，对损伤结构的应变、位移进行测量，然后比较相应的计算值、测量值残差，进而得到结构损伤情况。在基于静态测量参数的桥梁结构损伤识别方法中，通常可以利用刚度信息完成损伤识别，静态测量数据中包括了和结构相关的刚度信息，可以据此对结构刚度进行计算，进而发现损伤位置。另外，静态数据测量成本较低，操作简单，测量精度高，实际应用方便。不过，在此种损伤识别方法中，也存在一定的难题。和动态测量数据损伤识别方法相比，静态数据识别方法获得的信息量较少，具有利用价值的则更少，因而有时难以得到理想的结果。
（二）基于动态测量参数的桥梁结构损伤识别方法
基于动态测量参数的桥梁结构损伤识别方法，主要是利用了结构固有振型、频率等动态信息改变，以及结构相应情况，对桥梁结构整体性加以判断。利用外界因素作为激励源，引起结构振动，对结构动态相应信息进行获取，作为结构物理特性函数，能够对结构物理参数进行反演。动态损伤识别方法，能够在结构健康监测中，实现远程在线监测，不会影响桥梁的正常使用，还能整体性的了解结构性能。和静态测量数据相比，动态测量数据中的损伤信息更多，各个损伤指标对于损伤也具有不同的反应。在该方法的实际应用中，重点是对有限元计算模型的准确建立，以及对模态参数的正确估计和对损伤指标的合理选择，其对于桥梁结构损伤定量和定位检测具有重要的意义。
（三）基于人工智能技术的桥梁结构损伤识别方法
近年来，随着科技的发展进步，在桥梁结构损伤识别中，开始引入遗传算法、神经网络、小波分析等只能识别方法，尽管应用时间较晚，但由于这些技术具有独特的优势，因而也得到了较大的发展。例如，基于神经网络的损伤识别方法，利用了神经网络对非参数的识别，无需运用系统动力学特性先验知识，特别是典型三层结构的BP神经网络，具有很高的应用频率。神经网络能够很好的适应现行映射，还能适应复杂的非线性映射系统，即便缺少精确数据，也能准确识别桥梁结构损伤。遗传算法相当于一种优化方法，在桥梁结构损伤损伤识别中，运用遗传算法，寻求最优参数解，在缺少充足数据的前提下，可发挥自身优势，快速定量和定位结构损伤。小波分析是数学领域中一个全新的发展方向，在特异性检测、图像分析处理等方面均可发挥良好的作用。小波分析对于瞬态反应具有很高的敏感性，可准确识别桥梁结构损伤，具有很高的识别效率。
结论：近年来，随着桥梁建筑行业的快速发展，越来越多的桥梁出现，结构也日益复杂。桥梁在使用过程中，由于受到一些因素的影响，可能会发生一些难以察觉的结构损伤，进而影响桥梁使用性能和运营安全。对此，可运用基于多模态参数的桥梁结构损伤识别方法，通过静态测量数据、动态测量数据、人工智能技术等方法，对桥梁结构损伤进行准确识别，从而为桥梁养护和维修提供依据。
参考文献：
[1]茅建校，王浩，程怀宇，等.基于小波变换的台风激励下千米级斜拉桥模态参数识别[J].东南大学学报（自然科学版）， 2015， 45（1）：159-164.
[2]孙海蛟，刘文会，宋和骏，等.基于曲率变化率的梁桥损伤识别研究[J].吉林建筑大学学报，2017，34（3）：7-10.
[3]韦健，徐典，张威，等.基于结构模态参数的两种损伤识别方法的比较[J].工程建设与设计，2015（4）：36-38.
关键词：多模态参数；桥梁结构；损伤识别；方法
前言：近年来，随着社会经济和科技的发展，桥梁建筑行业取得了长足的进步，桥梁结构设计年限也不断延长。不过，与其它结构物相同，桥梁建筑也具有自己的使用寿命。桥梁在设计、施工阶段可能受到一定因素的影响，同时在建成运营当中，也会受到一些因素的影响，例如台风、地震、超载等。这些因素可能造成桥梁局部或整体破坏，进而影响其结构安全和使用寿命。为了充分了解桥梁结构的实施性能与状况，需要采取有效的方法，对桥梁结构损伤进行识别，从而判断桥梁的耐久性与安全性，避免发生安全事故，保障桥梁运营安全。
一.桥梁结构损伤的概念类型
桥梁结构损伤指的是由于长期荷载的影响，同时在自然因素、外部力学因素、疲劳效应的作用下，发生破损或结构功能性退化。根据不同的时期，可将桥梁结构损伤分为受力和非受力损伤。受力损伤指的是在外力作用下，构件或结构开裂造成的破坏。非受力损伤指的是在施工或使用阶段，由于突发灾害、材料老化、温湿度变化等因素造成的结构特性退化。桥梁结构损伤容易产生裂缝，进而影响桥梁使用性能及安全[1]。根据损伤对结构力学性能的影响，还可以分为线性和非线性损伤，线性损伤指的是结构损伤改变物理特性，进而造成阻尼比、振型、频率改变，且可以利用线性理论描述。非线性损伤指的是结构损伤后，无法用线性运动方程模拟结构力学性能，只能通过非线性理论加以模拟。
二、桥梁结构损伤识别的目的
关于桥梁结构损伤识别，主要目标分为四个部分，分别是结构损伤的判断，结构损伤位置的判断，结构损伤程度的确定，结构剩余寿命的预估。在桥梁结构损伤识别中，运用现有的仪器设备，对桥梁实际运营情况下的结构参数进行测试，进而对桥梁结构损伤或破损加以确定[2]。另外，需要定量桥梁结构损伤程度，并预估剩余的使用寿命，其对于桥梁结构整体性评价，后期保养维护等具有重要的参考作用。不过，单独利用振动测量分析师别方法，仅能够明确桥梁结构损伤及损伤位置，而结合动态损伤识别方法，可定量分析损伤程度，再结合其它学科知识和技术，才能实现桥梁结构剩余价值的预估。但在实际操作中，这种目标往往难以一次实现，因而通常利用分步法，首先对桥梁结构损伤及位置加以判断，然后对结构损伤程度进行确定。
三、桥梁结构损伤识别的分类
在桥梁结构损伤识别当中，根据不同的标准可分为不同的类型。例如，根据识别分为，可以分为局部和全局损伤识别，其中局部损伤识别主要是采用非破坏性检测技术，在诊断构件和结构性能中，不会影响结构使用性能及受力性能。常用的局部损伤识别方法包括利用电磁学、X射线、超声波、染色渗透等技术，定期进行局部结构位置检查；或是将传感器布设在重要构件上，了解相应的监测系统，实现远程实时在线监控[3]。在全局损伤识别技术中，运用了基于物理参数的模态参数函数思想，结构物理参数发生变化，结构动力响应也会发生改变，利用含有损伤信息的模态参数，对结构损伤进行定量和定位。目前常用的全局损伤识别方法包括智能识别法、模型修正法、动力指纹法等。根据不同的结构损伤诊断技术，可以分为静态和动态检测，其中静态检测直接对测量静态参数加以利用，包括构件和结构的弹性模量、材料强度、尺寸等。动态监测技术则是利用现场动载试验，测量结构损伤引起的阻尼比、振型、频率变化，进而发现桥梁结构损伤。
四、基于多模态参数的桥梁结构损伤识别方法
（一）基于静态测量参数的桥梁结构损伤识别方法
桥梁结构特征参数主要包括了几何尺寸、静位移、弹性模量等静态特性参数，以及感度、质量等動态特性参数。当桥梁结构发生损伤后，构件刚度下降，应变、应力、位移等参数都将产生变化，可以利用现有设备仪器，对损伤结构的应变、位移进行测量，然后比较相应的计算值、测量值残差，进而得到结构损伤情况。在基于静态测量参数的桥梁结构损伤识别方法中，通常可以利用刚度信息完成损伤识别，静态测量数据中包括了和结构相关的刚度信息，可以据此对结构刚度进行计算，进而发现损伤位置。另外，静态数据测量成本较低，操作简单，测量精度高，实际应用方便。不过，在此种损伤识别方法中，也存在一定的难题。和动态测量数据损伤识别方法相比，静态数据识别方法获得的信息量较少，具有利用价值的则更少，因而有时难以得到理想的结果。
（二）基于动态测量参数的桥梁结构损伤识别方法
基于动态测量参数的桥梁结构损伤识别方法，主要是利用了结构固有振型、频率等动态信息改变，以及结构相应情况，对桥梁结构整体性加以判断。利用外界因素作为激励源，引起结构振动，对结构动态相应信息进行获取，作为结构物理特性函数，能够对结构物理参数进行反演。动态损伤识别方法，能够在结构健康监测中，实现远程在线监测，不会影响桥梁的正常使用，还能整体性的了解结构性能。和静态测量数据相比，动态测量数据中的损伤信息更多，各个损伤指标对于损伤也具有不同的反应。在该方法的实际应用中，重点是对有限元计算模型的准确建立，以及对模态参数的正确估计和对损伤指标的合理选择，其对于桥梁结构损伤定量和定位检测具有重要的意义。
（三）基于人工智能技术的桥梁结构损伤识别方法
近年来，随着科技的发展进步，在桥梁结构损伤识别中，开始引入遗传算法、神经网络、小波分析等只能识别方法，尽管应用时间较晚，但由于这些技术具有独特的优势，因而也得到了较大的发展。例如，基于神经网络的损伤识别方法，利用了神经网络对非参数的识别，无需运用系统动力学特性先验知识，特别是典型三层结构的BP神经网络，具有很高的应用频率。神经网络能够很好的适应现行映射，还能适应复杂的非线性映射系统，即便缺少精确数据，也能准确识别桥梁结构损伤。遗传算法相当于一种优化方法，在桥梁结构损伤损伤识别中，运用遗传算法，寻求最优参数解，在缺少充足数据的前提下，可发挥自身优势，快速定量和定位结构损伤。小波分析是数学领域中一个全新的发展方向，在特异性检测、图像分析处理等方面均可发挥良好的作用。小波分析对于瞬态反应具有很高的敏感性，可准确识别桥梁结构损伤，具有很高的识别效率。
结论：近年来，随着桥梁建筑行业的快速发展，越来越多的桥梁出现，结构也日益复杂。桥梁在使用过程中，由于受到一些因素的影响，可能会发生一些难以察觉的结构损伤，进而影响桥梁使用性能和运营安全。对此，可运用基于多模态参数的桥梁结构损伤识别方法，通过静态测量数据、动态测量数据、人工智能技术等方法，对桥梁结构损伤进行准确识别，从而为桥梁养护和维修提供依据。
参考文献：
[1]茅建校，王浩，程怀宇，等.基于小波变换的台风激励下千米级斜拉桥模态参数识别[J].东南大学学报（自然科学版）， 2015， 45（1）：159-164.
[2]孙海蛟，刘文会，宋和骏，等.基于曲率变化率的梁桥损伤识别研究[J].吉林建筑大学学报，2017，34（3）：7-10.
[3]韦健，徐典，张威，等.基于结构模态参数的两种损伤识别方法的比较[J].工程建设与设计，2015（4）：36-38.