中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
近年來，大跨度橋梁呈現(xiàn)輕柔化設(shè)計及不斷復(fù)雜的功能及結(jié)構(gòu)形式，其安全運營對于促進交通及經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的作用。因大型橋梁工程建設(shè)通常都處于惡劣的工作環(huán)境，需要較大的投資、較長的設(shè)計周期及使用年限，易受多種因素影響，因此監(jiān)測及評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)就顯得尤為重要，在一定程度上也促進了大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。
1、大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)
大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)隨著計算機、通訊及傳感技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，主要用于智能化評估及實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。經(jīng)長期使用或遭遇災(zāi)害后對橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標進行測定，獲得橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，以判定橋梁結(jié)構(gòu)受損情況，對于保證橋梁安全，及時發(fā)現(xiàn)病害，使橋梁延長使用壽命等方面都具有重要意義。
大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常包括傳感系統(tǒng)、信號采集與處理系、通信系統(tǒng)及監(jiān)控中心四個主要部分。主要用于對橋梁結(jié)構(gòu)固定模態(tài)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼，在正常荷載及風載作用下橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與力學(xué)狀態(tài)，受突發(fā)事件而引起的損害，結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞狀況，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)施狀態(tài)，橋梁環(huán)境條件等方面的實時監(jiān)控。大型橋梁由于具有不同的結(jié)構(gòu)及使用年限等，健康監(jiān)測系統(tǒng)也具有不同的預(yù)期目標。
現(xiàn)以某大跨橋梁為例，其健康監(jiān)測系統(tǒng)主要功能為，對橋梁結(jié)構(gòu)在不同工作環(huán)境下的載荷變化進行監(jiān)測，設(shè)定用于管理橋梁日常運營情況的信道報警系統(tǒng)，對橋梁主要構(gòu)件工作狀況進行監(jiān)測以用于對橋梁結(jié)構(gòu)進行科學(xué)維護，對橋梁結(jié)構(gòu)中存在損壞的構(gòu)件進行監(jiān)測并提前預(yù)警，評估橋梁主要構(gòu)件潛在損壞狀況及預(yù)期使用壽命，評估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況及安全可靠性。
2、橋梁狀態(tài)評估
近年來，檢測橋梁結(jié)構(gòu)損傷方法的相關(guān)研究工作也逐漸深入，本文基于對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷綜述橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估主要是利用多種測試手段，對目前工作狀態(tài)進行測試，基于此采用有關(guān)狀態(tài)評估理論，評估構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)安全耐久性。橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估理論是基于建筑結(jié)構(gòu)可靠性評估理論而得到發(fā)展，主要經(jīng)歷了探索，提出多種評估方法，評估已建結(jié)構(gòu)的損傷、模式識別及評價可靠性三個階段。
我國在二十世紀八十年代開展此項研究工作，1987年對已建及擬建結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別進行了探討，并提出可靠性分析方法和步驟。1990年提出使用中已建結(jié)構(gòu)的動態(tài)可靠度，對其分析特點及新建結(jié)構(gòu)可靠度及優(yōu)化維修方案等有關(guān)問題進行了論述，橋梁安全陛洋估方法較多，常用的主要有層次分析法及專家系統(tǒng)等。
分析橋梁結(jié)構(gòu)安全性時，采用可靠度理論應(yīng)確定依靠分析的極限狀態(tài)。對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或構(gòu)件的失效模式進行分析，再根據(jù)極限狀態(tài)對極值荷載和臨界強度進行確定，以獲得相應(yīng)指標。在可靠度分析方法中，目前一次二階矩方法比較常用，但因結(jié)構(gòu)功能函數(shù)或其經(jīng)映射變換后具有較高的非線性程度，只對功能函數(shù)的計算精度進行考慮還難以達到工程應(yīng)用的需要。所以基于一次二階矩法提出二次二階矩方法，它是以數(shù)值逼近中的拉普拉斯?jié)u近原理為基礎(chǔ)，基于廣義隨機空間內(nèi)可靠度分析，綜合結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的二次非線性項而形成的。該方法模擬收斂速度與基本隨機變量維數(shù)之間不存在任何關(guān)系，計算中不需要線性化狀態(tài)函數(shù)，可將問題直接解決。而且，易于確定數(shù)值模擬誤差，使模擬次數(shù)和精度得到準確確定。
層次分析法是由美國在二十世紀七十年代提出的用于綜合評價多指標的一種定量方法，利用對相同層次中各評估指標的初始權(quán)重進行確定，進而定量化定性因素，對主觀減少影響，實現(xiàn)科學(xué)化評價。國內(nèi)已日益重視該方法的應(yīng)用，采用基于可靠度分析的多層次評估模型研發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估系統(tǒng)，利用分析監(jiān)測數(shù)據(jù)及有關(guān)損傷識別結(jié)果，綜合評價出橋梁整體及構(gòu)件狀態(tài)，成為橋梁維修的重要參考依據(jù)。遺傳算法是由美國在二十世紀七十年代提出，基于自然遺傳和自然選擇思想的尋優(yōu)方法，其強大的尋優(yōu)功能可充分適應(yīng)可靠性計算與分析要求。在可靠度指標計算上，采用遺傳算法十分接近驗算點法及蒙特卡羅法，而誤差也低于驗算點法，該算法的不足之處是不具有較決的收斂速度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近年來得到迅速發(fā)展，它基于非線性大規(guī)模并行分布，在模式識別等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為某些工程問題的—個有效解決工具。該方法在重構(gòu)功能函數(shù)方面的優(yōu)勢十分明顯，有研究結(jié)果顯示，即便是在強非線性的功能函數(shù)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能對該功能函數(shù)進行精確逼近。結(jié)合遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進響應(yīng)面法，通過遺傳算法對設(shè)計點進行尋找，再在設(shè)譏點附近利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對功能函數(shù)進行重構(gòu)，利用重要抽樣法對各失效模式的失效概率進行計算。有效規(guī)避了一次二階矩法的局限性，使計算效率和精度得到明顯提高。在大型橋梁結(jié)構(gòu)中，通常多層次的失效模式及路徑都具有一定聯(lián)系，目前很多研究還處于構(gòu)件層次，分析結(jié)構(gòu)體系的可靠度還有待于進一步開展相關(guān)研究工作。
3、大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢
大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個方向，一是與大型橋梁結(jié)構(gòu)特點相結(jié)合，利用振動模態(tài)測試分析技術(shù)和系統(tǒng)識別理論，對適用于大型結(jié)構(gòu)的模型修正方法進行探索。二是積極研究結(jié)構(gòu)損傷的通用量化指標。對于振動故障診斷預(yù)測，不管信號源自何處，經(jīng)處理后可結(jié)合識別信號對結(jié)掏損傷狀態(tài)進行判斷。三是研制新型傳感設(shè)備及激振器。應(yīng)用新型傳感設(shè)備，使橋梁結(jié)構(gòu)具有自感知和自診斷能力。四是布置傳感設(shè)備的最優(yōu)技術(shù)，對于結(jié)構(gòu)模型試驗和在線監(jiān)測都具有重要作用。五是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性因素對于結(jié)構(gòu)健康檢測診斷中應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法都具有良好的前景。如小波分析在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢就十分突出。
綜上所述，隨著不斷深人開展的大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估相關(guān)研究工作，大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對于提高橋梁安全性將發(fā)揮十分積極的作用
