中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
一、研究現(xiàn)狀
在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，無(wú)論是交通控制還是損傷檢測(cè)，數(shù)據(jù)分析是最關(guān)鍵也是最難的部分，數(shù)據(jù)分析就象一個(gè)人的思維，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如果沒有思維分析能力，也就沒有任何存在的價(jià)值。
①國(guó)外研究歷程
早在第二次世界大戰(zhàn)以前，人們就考慮到橋梁的修復(fù)和檢測(cè)，但是沒有形成好的標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的規(guī)程。由于不斷發(fā)生橋梁的失效和倒塌事故，五十年代開始，美國(guó)和其它一些國(guó)家建立了橋梁檢測(cè)的一些標(biāo)準(zhǔn)，于是產(chǎn)生了第一代的橋梁安全檢測(cè)。1967 年 12 月，俄亥俄河上的一座主要橋梁倒塌，導(dǎo)致 46 人喪生，這使得橋梁安全檢測(cè)發(fā)生了重大發(fā)展。1971 年，美國(guó)制定了國(guó)家橋梁檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（NBIS），提供檢測(cè)方法的細(xì)節(jié)、檢測(cè)時(shí)間間隔和檢測(cè)人員資格的統(tǒng)一的指導(dǎo)。根據(jù) NBIS，當(dāng)橋梁剛建成或橋梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)改變的時(shí)候，要進(jìn)行驗(yàn)收檢測(cè)。每?jī)赡暌M(jìn)行一次確定橋梁物理和功能狀態(tài)的例行檢測(cè)。以及在其它特殊情況下進(jìn)行損傷檢測(cè)、深入檢測(cè)和臨時(shí)檢測(cè)等。
1991 年，Abdel-Ghaffar 提出了利用橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)框圖。包括有儀器的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)的辯識(shí)流程等。該文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了對(duì)結(jié)構(gòu)的地震、風(fēng)等輸入荷載進(jìn)行量測(cè)的重要性。
1993 年夏，美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)和其它兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)一座即將廢棄的橋梁（The 1-40 Bridge over the Rio Grande）進(jìn)行了一系列實(shí)橋試驗(yàn)，以便為橋梁健康監(jiān)測(cè)算法的研究提供一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)（Mayes 1995）。
1995 年，Westermo 介紹了一個(gè)安裝在美國(guó)的 Savannah River Bridge 三跨連續(xù)鋼梁上的一個(gè)簡(jiǎn)單的僅僅測(cè)量應(yīng)變的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目的是為了了解重卡車通過(guò)時(shí)橋梁的傾斜和應(yīng)力。該文獻(xiàn)還介紹了一個(gè)設(shè)計(jì)中的全自動(dòng)的舊礦業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?！癆PPA Bridge Monitoring Projcct”，同時(shí)監(jiān)測(cè)十座鋼橋和混凝土橋，每座橋都有一個(gè)自動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括一個(gè)嵌入式微處理器，聯(lián)接信號(hào)調(diào)制器的雙絞線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)蜂窩電話的 fax/pager/mode 接口和備用光電池組等。
Griffiths R W (Griffiths 1995)認(rèn)為，由于沒有通過(guò)應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估橋梁完整性的靜態(tài)模型，所以建議用動(dòng)態(tài)方法來(lái)確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。他認(rèn)為監(jiān)測(cè)的目的應(yīng)包括設(shè)計(jì)驗(yàn)證、材料的完整性、環(huán)境和偶然事件影響等。應(yīng)結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁的局部和整體的完整性測(cè)試。他們已經(jīng)將光纖傳感器安裝到多座橋梁上。加拿大的 Measures. R.M. Alavie. A.T.Maaskant.R 等在 1993 年將光纖傳感器預(yù)裝到一座碳纖維預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋（The Beddington Trail Bridge in the eity of Calgrav）上，橋梁開通后連續(xù)監(jiān)測(cè)了八個(gè)月，測(cè)量了砼內(nèi)部的整體分布應(yīng)變。
土木工程中的發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)從材料屬性轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性的研究上（Bungey 1994）。對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的分析通常是進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的加速度進(jìn)行模態(tài)分析從而建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征。對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)現(xiàn)在主要是將應(yīng)變計(jì)預(yù)裝在混凝土中，以評(píng)估性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)。 至今，圍繞橋梁結(jié)構(gòu)的整體性監(jiān)測(cè)尚處于方興未艾的階段。
②國(guó)內(nèi)研究歷程
在這一方面，我國(guó)起步較慢。但近年來(lái)，經(jīng)過(guò)一些高等院校、科研單位和社會(huì)企業(yè)的共同努力，我國(guó)的橋梁健康監(jiān)測(cè)發(fā)展也很迅速，已初步具備產(chǎn)業(yè)化的能力。自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，在一些大型橋梁上安裝了不同規(guī)模的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 在上海徐浦大橋上安裝的帶有研究性質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其目的是為了摸索大型橋梁健康監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括車輛荷載、中跨主梁的標(biāo)高和自振特性，以及跨中截面的溫度和應(yīng)變、斜拉索的索力和振動(dòng)水平。 在江陰長(zhǎng)江公路大橋上安裝的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)加勁梁的位移、吊索索力、錨跨主纜索股索力以及主纜、加勁梁、吊索的振動(dòng)加速度等。
在南京長(zhǎng)江大橋上安裝的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要進(jìn)行溫度、風(fēng)速風(fēng)向、地震及船舶撞擊、墩位沉降，以及恒載幾何線形、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、主桁桿件應(yīng)力、支座位移等監(jiān)測(cè)。
在 1997 年完工的香港 Tsing Ma 大橋和 Kap Shui Mun 大橋上，安裝有一套較為復(fù)雜的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。Tsing Ma 大橋當(dāng)時(shí)為世界第二長(zhǎng)懸索橋，第一長(zhǎng)公路鐵路兩用型懸索橋，將承受巨大的交通荷載和強(qiáng)烈的風(fēng)荷載。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分（包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理等）非常完善，但其數(shù)據(jù)分析部分相對(duì)簡(jiǎn)單，只分析風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)荷載及響應(yīng)。未利用采集數(shù)據(jù)來(lái)分析橋梁的真正健康狀態(tài)，比如損傷分析、剩余壽命預(yù)測(cè)、交通控制和維修管養(yǎng)決策等。該橋梁的數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng)現(xiàn)仍處于研究發(fā)展中。
東南大學(xué)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究所從 2002 年開始開展?jié)檽P(yáng)長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的研發(fā)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了對(duì)大橋車輛荷載狀況(車載、車速及車流量)、橋址處的氣候環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向)、地動(dòng)脈、索塔沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，還對(duì)于南汊懸索橋和北汊斜拉橋針對(duì)結(jié)構(gòu)形式確定項(xiàng)目，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁還有虎門大橋等。
浙江大學(xué)橋梁健康監(jiān)測(cè)研究中心基于文暉大橋建立的大型橋梁健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估管理系統(tǒng)，是一種基于內(nèi)在環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析、損傷識(shí)別技術(shù)和外部的橋梁調(diào)查檢測(cè)相結(jié)合的先進(jìn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)。它突破了傳統(tǒng)的僅靠目測(cè)和外觀檢測(cè)的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理模式，能有效地提高大型橋梁工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)水平和效率，有助于保障結(jié)構(gòu)及行車的安全。
但總體而言，我國(guó)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)技術(shù)還與國(guó)際水平存在差距，主要體現(xiàn)在以下方面：模仿國(guó)外技術(shù)多，自主創(chuàng)新少；利用傳統(tǒng)方法設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單組合應(yīng)用的多，針對(duì)實(shí)際橋梁需求自主開發(fā)技術(shù)與設(shè)備的少；針對(duì)單一橋梁特定對(duì)象研究的多，研究不同種類橋梁的共性技術(shù)以及集群系統(tǒng)的少；橋梁安全評(píng)價(jià)的純理論性研究多，面向用戶的實(shí)用化評(píng)價(jià)體系方法及軟件少。
③制約因素
橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系對(duì)保證系統(tǒng)的順利實(shí)施將起到關(guān)鍵作用。然而以下因素制約著本研究的發(fā)展：
第一，橋梁的結(jié)構(gòu)不確定性因素和復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)的靈敏性造成了不利的影響，導(dǎo)致了目前橋梁整體監(jiān)測(cè)的許多困難；第二，對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)工作特性的變化缺乏全面深入的研究，難以建立客觀統(tǒng)一的橋梁狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，所以整個(gè)技術(shù)的成功開發(fā)乃至系統(tǒng)目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)有賴于今后更好地結(jié)合橋梁的自身特性及工作環(huán)境討論問(wèn)題，這主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：
1)首先橋梁作為一個(gè)由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)成分應(yīng)力狀態(tài)、易損性不一，剛度、動(dòng)力特性相差甚大。如果直接從機(jī)械振動(dòng)模態(tài)技術(shù)出發(fā)，籠統(tǒng)地用某種單一的動(dòng)力特性變化指標(biāo)去評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，顯然是難以得到預(yù)期效果。反過(guò)來(lái)如果把結(jié)構(gòu)材料形式相近、動(dòng)力特性一致的部分劃分為子結(jié)構(gòu)，從各子結(jié)構(gòu)的指紋變化來(lái)反映整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，則在每次處理中能大幅度減小需要修正的參數(shù)，從而使方程組的病態(tài)與奇異性減小到較低的程度。子結(jié)構(gòu)劃分的越細(xì)，損傷的診斷、定位以及能力評(píng)估就越準(zhǔn)確。把整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為子結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在布點(diǎn)問(wèn)題中，可以通過(guò)劃分子結(jié)構(gòu)的辦法對(duì)重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)布設(shè)傳感器，使有限的傳感器發(fā)揮最大的效能。
2)迄今在橋梁健康監(jiān)測(cè)中尚缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)算法。這個(gè)問(wèn)題在軌道航天器的動(dòng)態(tài)控制與系統(tǒng)識(shí)別中雖得到廣泛的研究，但在橋梁模態(tài)試驗(yàn)中的應(yīng)用還存在不少的難點(diǎn)。在充分考慮各種自然環(huán)境下橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及測(cè)量條件的基礎(chǔ)上，尋求這樣一套布點(diǎn)方案：a)在含噪音的環(huán)境中，能夠利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；b)測(cè)得的時(shí)程記錄將對(duì)模態(tài)參數(shù)的變化最為敏感；c)能夠通過(guò)合理添加傳感器對(duì)感興趣的部分模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集；d)測(cè)得的模態(tài)應(yīng)能夠與模型分析的結(jié)構(gòu)建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外通過(guò)傳感器的優(yōu)化布設(shè)可改善對(duì)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的可視性。希望由此實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變信息的最優(yōu)采集，改善早期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體探傷能力。
3)橋梁結(jié)構(gòu)不同于機(jī)械、航空結(jié)構(gòu)之處還在于：當(dāng)結(jié)構(gòu)的指紋發(fā)生改變，甚至混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下產(chǎn)生許多裂紋，橋梁的工作性能都不一定受到影響，損傷的判斷與其結(jié)構(gòu)工作特性有關(guān)。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足安全和使用上的要求，所謂“安全”是一個(gè)相當(dāng)含糊的概念，它應(yīng)基于一個(gè)指定的結(jié)構(gòu)受力反應(yīng)限度來(lái)說(shuō)，如允許應(yīng)力或某個(gè)服務(wù)能力準(zhǔn)則。當(dāng)前的工程實(shí)際中就有兩種不同的準(zhǔn)則：一種是給荷載與承載能力加上適當(dāng)系數(shù)后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一種則是基于結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)（我國(guó)公路橋梁新規(guī)范明確規(guī)定，所有橋涵結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算）。由此看來(lái)橋梁健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估只有與各種標(biāo)準(zhǔn)下的承載能力緊密聯(lián)系起來(lái)，才能完成真正意義的使命。在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中引起強(qiáng)度不足的因素有很多，但應(yīng)注意以下幾方面：a)由于結(jié)構(gòu)的老化、損傷及鋪裝層維修引起的承載能力不足；b)當(dāng)前使用荷載高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；c)依據(jù)已遭淘汰的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但不能在新規(guī)范中通過(guò)；d)結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下（如地震、風(fēng)暴）發(fā)生累積損傷，系統(tǒng)及邊界條件改變。
4)目前對(duì)橋梁缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的綜合性指標(biāo)，并且難以反映各構(gòu)件的缺損及嚴(yán)重程度對(duì)整個(gè)橋梁的影響，于是有人以模糊理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評(píng)估專家系統(tǒng)。這都是很好的出發(fā)點(diǎn)，但其是否能廣泛推廣和運(yùn)用到工程實(shí)踐中還有待于對(duì)各類橋梁工作性能的深入認(rèn)識(shí)及相應(yīng)規(guī)范的建立，而橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為這種智能決策系統(tǒng)最直接、最基本的信息來(lái)源首先必須做到全面、正確地反映橋梁的狀態(tài)，并且不受時(shí)間、環(huán)境的影響。
5)橋梁結(jié)構(gòu)與航天器、精密機(jī)床在受力特點(diǎn)上差別較大，橋梁受的荷載中恒載占了七八成以上，它們對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性起著至關(guān)重要的作用。如果缺乏對(duì)其量值、分布、變化的了解，勢(shì)必會(huì)使反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的指紋變化淹沒于恒載應(yīng)力的變化（如應(yīng)力重分布）之中，使整個(gè)動(dòng)力監(jiān)測(cè)失去意義。這方面在拱橋的監(jiān)測(cè)中尤為明顯，要做到這一點(diǎn)，從施工開始就得建立結(jié)構(gòu)的受力數(shù)據(jù)庫(kù)。
6)環(huán)境因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響很大，一般損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)自振頻率的變化易淹沒在其中，從這一側(cè)面也反映了當(dāng)前振動(dòng)測(cè)試中響應(yīng)量測(cè)值對(duì)感興趣的結(jié)構(gòu)參數(shù)不敏感的原因。此外，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降以及構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失所引起的應(yīng)力重分布都不可避免地對(duì)振動(dòng)模態(tài)分析產(chǎn)生消極影響，目前對(duì)這些方面的研究還沒有引起足夠的重視。
二、目前的主要研究方向及存在的問(wèn)題
盡管橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)具有較大的難度，但科技人員還是努力探索，提出了動(dòng)力指紋分析評(píng)價(jià)技術(shù)、模型修正法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等研究方向，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)踐。
2.1動(dòng)力指紋法
①基本原理
若結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量和剛度會(huì)發(fā)生變化，從而引起相應(yīng)的動(dòng)力指紋的變化。常用的動(dòng)力指紋有：頻率、振型、振型曲率、應(yīng)變模態(tài)、頻響函數(shù)、模態(tài)柔度矩陣、模態(tài)保證準(zhǔn)則（MAC）和坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則（COMAC）等。評(píng)價(jià)方法：首先建立與動(dòng)力指紋相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康時(shí)和一系列先驗(yàn)預(yù)估的損傷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后將發(fā)生損傷時(shí)的動(dòng)力指紋與其比較，進(jìn)而識(shí)別損傷。
②相關(guān)研究情況
Monaco 等采用頻響函數(shù)作為指紋，將改變的頻響函數(shù)作為一個(gè)有代表性的損傷指數(shù)。Ma 等采用去除反射的頻響函數(shù)作為指紋，識(shí)別結(jié)構(gòu)多點(diǎn)損傷。結(jié)構(gòu)損傷改變?nèi)コ瓷涞念l響函數(shù)的相位，因而改變的去除反射的頻響函數(shù)可以作為一個(gè)有代表性的動(dòng)力指紋或者損傷指數(shù)。Whittem 等采用模態(tài)宏應(yīng)變微量法作為指紋，理論表明模態(tài)宏應(yīng)變向量為損傷指數(shù)既準(zhǔn)確又可靠，在損傷的部位或其附近非常敏感。清華大學(xué)提出了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的柔度法。Frank 等采用 ODS 法將模態(tài)振型和固有頻率作為指紋，利用掃描式激光測(cè)振儀研究圓盤的動(dòng)態(tài)特性(模態(tài)和固有頻率)來(lái)確定缺陷。同時(shí)采用邊界效應(yīng)檢測(cè)法（BED）處理數(shù)據(jù)并解釋因缺陷引起的邊界效應(yīng)和確定缺陷位置。Satoko 推導(dǎo)出偽牛頓法（Quasi-Newton Method）將剛度和質(zhì)量作為指紋，用于識(shí)別結(jié)構(gòu)在地震過(guò)后內(nèi)部的不可見損傷。Xie 等利用小波分析算法，提取能量分布作為損傷特征（指紋）。能量分布與損傷之間的關(guān)系，利用模式識(shí)別方法，來(lái)定位細(xì)微的損傷。避免了模態(tài)參數(shù)，如固有頻率等對(duì)細(xì)微損傷的不敏感性，結(jié)果表明實(shí)際損傷位置與檢測(cè)出的位置很接近。Gabe 等采
用ARMA的系數(shù)作為指紋，依據(jù)ARMA能夠自動(dòng)完成從數(shù)據(jù)收集到損傷監(jiān)測(cè)的全過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，利用環(huán)境激勵(lì)的數(shù)據(jù)，檢測(cè)一個(gè)包含不同層次損傷的大型結(jié)構(gòu)的損傷情況。通過(guò)環(huán)境激勵(lì)測(cè)得的原始結(jié)構(gòu)和損傷后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算 ARMA的系數(shù)建立損傷指數(shù)，將得到的損傷指數(shù)按照分類算法組成特征向量，確定是否損傷以及損傷定位。Daniel 等將高頻機(jī)械阻抗作為指紋，試驗(yàn)了基于高頻機(jī)械阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)視系統(tǒng)。其基本原理為對(duì)固定在結(jié)構(gòu)表面的壓電傳感器施加高頻激勵(lì)（通常高于 30Mhz），測(cè)量傳感器的電流和電壓而得到電阻。如果電阻發(fā)生變化，則結(jié)構(gòu)變化，因而有損傷。采用他們自己開發(fā)的便攜設(shè)備，通過(guò)兩個(gè)實(shí)例（煤氣管道和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)）證明了該方法的廣泛實(shí)用性。高頻機(jī)械阻抗實(shí)際上是結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的微小損傷和表面缺陷很敏感。
③存在的問(wèn)題
大量的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明：結(jié)構(gòu)頻率實(shí)測(cè)較準(zhǔn)，但它對(duì)局部損傷不敏感。振型尤其是較高階振型對(duì)局部剛度變化很敏感，但卻很難精確測(cè)量。MAC、COMAC 等依賴于振型的動(dòng)力指紋都存在類似的問(wèn)題。而模態(tài)曲率、應(yīng)變模態(tài)則在低幅值振動(dòng)測(cè)試中變化量級(jí)過(guò)小而難以起到有效的判別作用。某些指標(biāo)如ETR、單元模態(tài)應(yīng)變能可以較有效的確定損傷位置或發(fā)展，然而這些指標(biāo)對(duì)噪聲比較敏感，容易湮沒于噪聲中。目前已有的研究表明，動(dòng)力指紋法對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的簡(jiǎn)單模型結(jié)構(gòu)而言是成功的，應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)構(gòu)上結(jié)果還不太理想?？梢哉f(shuō)，到目前為止，動(dòng)力參數(shù)法對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的能力仍然有限。動(dòng)力指紋法的成功應(yīng)用或許需要依賴于尋找新的綜合性損傷指標(biāo)及試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。
2.2模型修正法
①基本思想
通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，如模態(tài)參數(shù)或者加速度時(shí)程數(shù)據(jù)來(lái)分析模型的剛度分布，然后與修正剛度后模型的反應(yīng)所測(cè)數(shù)據(jù)比較，當(dāng)兩者基本吻合時(shí)，即認(rèn)為此組參數(shù)為結(jié)構(gòu)當(dāng)前參數(shù)，根據(jù)模型剛度有變化來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷的定位和損傷程度的評(píng)估。
②相關(guān)研究情況
模型修正和驗(yàn)證的過(guò)程是橋梁結(jié)構(gòu)有限元模擬的重要過(guò)程。事實(shí)上，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，建模不難修正難，這已經(jīng)成為同行之間的共識(shí)。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型修正理論目前也是亟受關(guān)注的熱點(diǎn)研究對(duì)象。 目前在土木結(jié)構(gòu)的有限元結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中已經(jīng)考慮到的不確定因素一般包括了結(jié)構(gòu)的支撐或邊界條件、各種結(jié)構(gòu)單元之間的連接、能量耗散（結(jié)構(gòu)阻尼）等。這對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析是合適的，但對(duì)于動(dòng)力響應(yīng)分析和疲勞損傷累積分析而言是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的響應(yīng)必然與結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)相關(guān)。
因此，已發(fā)生疲勞損傷的構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系、損傷累積和發(fā)展的機(jī)制以及損傷狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響這些因素都應(yīng)該在結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)建模過(guò)程中加以考慮，尤其是對(duì)于那些已經(jīng)有一定程度的疲勞損傷累積的橋梁。對(duì)于土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型，影響其計(jì)算精度的因素很多。實(shí)際結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中的裝配誤差、鋼結(jié)構(gòu)的焊接工序以及混凝土結(jié)構(gòu)的澆注和養(yǎng)護(hù)條件等諸多因素，會(huì)使得實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何、物理和力學(xué)特性偏離設(shè)計(jì)值。因此按照?qǐng)D紙建立的有限元模型仍然很難精確給出建成結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)，需要經(jīng)過(guò)模型修正，才能給出較為理想的預(yù)測(cè)結(jié)果。
影響結(jié)構(gòu)有限元模擬準(zhǔn)確性的因素眾多，抓住主要影響因素進(jìn)行模型修正才能事半功倍。主要的影響因素大體上可以分為 3 類：空間幾何拓?fù)錁?gòu)形誤差、數(shù)學(xué)離散誤差、物理力學(xué)性質(zhì)誤差。由于建立的有限元模型是嚴(yán)格按照?qǐng)D紙形成的空間幾何構(gòu)形。所以認(rèn)為來(lái)自第 1 類的誤差較小，可以忽略。數(shù)學(xué)離散誤差具體到有限元建立過(guò)程是指單元的疏密程度、單元形態(tài)和單元階次等。物理力學(xué)性質(zhì)誤差主要來(lái)自于材料響應(yīng)的非線性等因素。
Allen 等提出順序概率比實(shí)驗(yàn)方法（SPRT），用于監(jiān)測(cè)若連接處有變化，測(cè)試結(jié)構(gòu)是否有損傷。有兩個(gè)基本假定：一是模型能夠預(yù)測(cè)特征，結(jié)構(gòu)未受損傷；二是模型不能夠預(yù)測(cè)特征，結(jié)構(gòu)已受損傷。在 SPRT 算法的原始公式中，特征被假定為高斯分布且設(shè)定了相應(yīng)的閾值。但可能用于損傷的特征對(duì)分布的尾部敏感，而且其尾部不必滿足高斯分布特征。此時(shí)通過(guò) EVS（極值分布）模型化其尾部，可以設(shè)定 SPRT 算法的閾值而避免正常的假定。
同濟(jì)大學(xué)嘗試用監(jiān)測(cè)仿真判別結(jié)構(gòu)損傷前后的剛度變化，利用剛度變化情況來(lái)評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度并實(shí)現(xiàn)損傷定位，但也遇到了監(jiān)測(cè)仿真含噪音，計(jì)算難度大，損傷前后橋梁剛度變化不明顯等問(wèn)題。
③存在的問(wèn)題
結(jié)構(gòu)識(shí)別就是依據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，由試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)。具體到有限元模型，即根據(jù)結(jié)構(gòu)識(shí)別理論，由測(cè)量的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)反演出有限元模型中的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)識(shí)別理論的核心主要有最小二乘法理論和極大似然理論。其常用的方法主要有擴(kuò)展的 Kalman 濾波法（extended Kalman filter）、極大似然法（maximum likelihood）、遞歸最小二乘法（recursive least squares）和作用變量法（instrumental variable）。Ghanem 和Shinozuka 曾對(duì)這些方法分別進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)述，并依據(jù)具體的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)這幾種方法進(jìn)行了比較。比較的結(jié)果表明，依據(jù)不同的理論有時(shí)給出的結(jié)果相差很大，這說(shuō)明現(xiàn)有測(cè)試數(shù)據(jù)的合理性和可靠性還有待進(jìn)一步提高。
根據(jù)選取的識(shí)別精度，結(jié)構(gòu)識(shí)別理論可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量、剛度等參數(shù)。但由于要直接反演出有限元模型中的質(zhì)量矩陣、剛度短陣和阻尼短陣，
使得該方法不能成功地用于大型土木結(jié)構(gòu)，主要因?yàn)椋阂皇莿偠染仃囍饕芙Y(jié)構(gòu)的高階模態(tài)影響，而實(shí)際測(cè)量中由于受測(cè)試儀器頻寬的限制，測(cè)得的模態(tài)主要是低階模態(tài)。二是有限元模型中的參數(shù)主要決定于結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)和材料性質(zhì)等因素，有具體的物理意義。由于實(shí)際測(cè)量時(shí)“漏頻”現(xiàn)象很容易發(fā)生，這使得識(shí)別的參數(shù)會(huì)偏離其原有的物理意義。自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，在航空航天、汽車制造以及軍事防御等領(lǐng)域，已逐步形成較成熟的結(jié)構(gòu)建模理論及其驗(yàn)證的方法。其中結(jié)構(gòu)建模理論主要有結(jié)構(gòu)識(shí)別理論和模型修正（model updating）理論。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，由于缺乏足夠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和完備的試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)，很少有系統(tǒng)的研究工作和成果的工程范例。
2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
①基本原理
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以生物神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬人腦的功能。實(shí)現(xiàn)方法：由許多處理單元（神經(jīng)元）相互連接組成，按照一定的連接權(quán)獲取信息的聯(lián)系模式，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和關(guān)系映射。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其學(xué)習(xí)能力，非線性變換型和高度的并行運(yùn)算能力，對(duì)新輸入的泛化能力和對(duì)噪聲的容錯(cuò)處理能力，對(duì)系統(tǒng)（尤其是非線性系統(tǒng)）的辨識(shí)等提供了一條非常有效的途徑。
②相關(guān)研究情況
近年來(lái)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在濾波、譜估計(jì)、信號(hào)檢測(cè)、系統(tǒng)辨識(shí)、模式識(shí)別等方面得到了成功的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法可以解決傳統(tǒng)模式識(shí)別中的高噪音干擾和模式損失等缺點(diǎn)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，結(jié)合小波分析技術(shù)，可對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和損傷特征提取。由于橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)得到了測(cè)試數(shù)據(jù)的不完備性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以利用有限的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，用不完備的數(shù)據(jù)識(shí)別在無(wú)數(shù)學(xué)模型的情況下可以較好的解決非線性和不確定性引起系統(tǒng)的辨識(shí)問(wèn)題。目前應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的有基于誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF）、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ART）等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要局限性在于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的獲取，其準(zhǔn)確性在很大程度上取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的完備程度。
高贊明等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法用于香港汲水門大橋的健康監(jiān)測(cè)中。Venkat 等采用小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過(guò)將測(cè)得的原始結(jié)構(gòu)和損傷后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)比較，估計(jì)損傷發(fā)生的位置及程度。通過(guò)一個(gè)映像小波分析中提取出的振動(dòng)特征的函數(shù)來(lái)量化健康狀態(tài)參數(shù)。William 等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，采用一個(gè)壓電傳感器陣列模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射和動(dòng)應(yīng)變。優(yōu)點(diǎn)在于將需要布設(shè)傳感器的通道數(shù)由 N2減小到 2N 個(gè)。當(dāng)結(jié)構(gòu)有瞬態(tài)損傷時(shí)，能夠?qū)鞲衅麝嚵械妮敵鰰r(shí)間歷程記錄下來(lái)，然后通過(guò)組合邏輯準(zhǔn)確地確定發(fā)生的位置。
③存在的問(wèn)題
雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于損傷診斷的研究有了很大的發(fā)展，但依然存在一些問(wèn)題，如模型誤差、測(cè)量誤差和測(cè)量數(shù)據(jù)不完備性的影響，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)的選擇、網(wǎng)絡(luò)收斂性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問(wèn)題都需要進(jìn)一步的研究。
2.4遺傳算法
①基本原理
遺傳算法是 60 年代由 Holland 教授提出的，以達(dá)爾文進(jìn)化論中適者生存，優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則來(lái)搜索下一代中的最優(yōu)個(gè)體，以得到滿足要求的最優(yōu)解。
②相關(guān)研究情況
遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)為簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)。在組織優(yōu)化求解，機(jī)械學(xué)習(xí)和工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。搜索的遺傳算法，通過(guò)測(cè)定激勵(lì)和響應(yīng)來(lái)決定結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。模擬板、殼和飛機(jī)翼，結(jié)果表明，載荷作用位置對(duì)識(shí)別結(jié)構(gòu)有很大影響。該法通過(guò)全局和局部自適應(yīng)調(diào)整局部搜索尺寸和偏差，有很強(qiáng)的抗噪性。還研究了分布式遺傳算法的系統(tǒng)識(shí)別法，該法對(duì)于識(shí)別大型復(fù)雜系統(tǒng)有很多優(yōu)勢(shì)。易偉健引人遺傳算法處理試驗(yàn)得到的動(dòng)力信息對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行診斷，提出了多父體變量級(jí)雜交和變量微調(diào)等新的改進(jìn)措施，并應(yīng)用于固端梁、連續(xù)梁和框架等多個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷診斷，取得了滿足工程要求的結(jié)果。
③存在的問(wèn)題
前向分析計(jì)算量非常大，尤其是對(duì)于橋梁這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)，距離應(yīng)用階段還需有非常多的工作去做。
2.5小波分析法
①基本原理
小波分析（Wavelets Analysis）是數(shù)學(xué)理論中調(diào)和分析技術(shù)發(fā)展的最新成果，可以看作一個(gè)傳統(tǒng)的 Fourier 變換的擴(kuò)展。小波分析的優(yōu)點(diǎn)在于利用一個(gè)可以伸縮和平移的視窗聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行時(shí)頻域處理，提供多個(gè)水平的細(xì)節(jié)以及對(duì)原始信號(hào)多尺度的近似。既可看到信號(hào)的全貌，又可分析信號(hào)的細(xì)節(jié)，并且可以保留數(shù)據(jù)的瞬時(shí)特性。結(jié)構(gòu)模型在環(huán)境激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的損傷可以從對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波離散后的細(xì)節(jié)突變上檢驗(yàn)出來(lái)，這些突變的位置可以精確指出損傷發(fā)生的時(shí)刻。
②相關(guān)研究情況
徐洪鐘等利用多分辨分析（小波多層分散）方法，對(duì)大壩觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常值進(jìn)行了檢測(cè)，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。所采用的小波分析方法適合檢測(cè)單個(gè)和多個(gè)異常值。
Hou等提出了一種基于小波方法的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。用一個(gè)在諧和激勵(lì)下簡(jiǎn)單模型進(jìn)行數(shù)值仿真。模型包括多個(gè)可破壞彈簧，當(dāng)響應(yīng)超過(guò)極限值或運(yùn)動(dòng)循環(huán)的多數(shù)積累超出了它們的疲勞壽命時(shí)，其中的一些彈簧就會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的損傷。無(wú)論是突然損傷還是積累損傷，損傷的發(fā)生以及發(fā)生的時(shí)刻都可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)的小波分解細(xì)節(jié)檢查出來(lái)。Hou 等還利用小波分析理論研究 ASCE 提出的健康監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)問(wèn)題（Health Monitoring Benchmark problem）中的典型結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)響應(yīng)，在仿真過(guò)程中允許結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件發(fā)生損傷，如支撐剛度突然全部消失或部分消失。將得到的加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，通過(guò)分解后高頻波形上的突起來(lái)判斷損傷的發(fā)生和發(fā)生的時(shí)刻。分析過(guò)程中對(duì)多個(gè)結(jié)點(diǎn)加速度進(jìn)行小波分解，并通過(guò)分解后帶有突起的結(jié)點(diǎn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中所處的空間位置來(lái)判斷損傷的位置。結(jié)果表明，小波方法是損傷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)很有潛力的方法。
③存在的問(wèn)題
小波方法對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析具有積極的意義，但對(duì)于橋梁這一使用荷載復(fù)雜且不確定性多、測(cè)試指標(biāo)含噪音大的特殊結(jié)構(gòu)而言，缺乏可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
除此之外，近來(lái)年，國(guó)內(nèi)在結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方面也做了許多研究，主要有： 1996 年，王永平等對(duì)數(shù)十位橋梁專家進(jìn)行了咨詢，在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，收集并整理了橋梁評(píng)估專家的知識(shí)，提出用損傷度來(lái)衡量橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，利用模糊數(shù)學(xué)方法，建立了一個(gè)橋梁使用性能的模糊綜合評(píng)估系統(tǒng)，并探索建立了一個(gè)橋梁評(píng)估專家系統(tǒng)。
胡雄(1998)等利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了以斜拉橋?yàn)楸尘暗睦鳂蛄喊踩耘c耐久性專家評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠同時(shí)處理數(shù)值和語(yǔ)言描述型變量。根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)過(guò)程中所獲得的數(shù)據(jù)，它能對(duì)橋梁總體及其各個(gè)部分的狀況進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)獲得橋梁運(yùn)行狀態(tài)信息，評(píng)估其退化及損傷程度，對(duì)大型橋梁的現(xiàn)代化管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
蘭海，史家鈞(2001)引用灰色關(guān)聯(lián)分析和變權(quán)綜合的概念，提出用層次分析法(AHP)建立評(píng)估指標(biāo)體系，量化并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)語(yǔ)和其它層次指標(biāo)評(píng)語(yǔ)的綜合方法，并做了實(shí)例計(jì)算分析，結(jié)果表明灰色關(guān)聯(lián)度概念和變權(quán)綜合方法可較好應(yīng)用于大型橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估。
張永清(2001)等利用層次分析法建立了橋梁安全評(píng)價(jià)模型，在專家咨詢的基礎(chǔ)上，借助多級(jí)模糊綜合評(píng)判和評(píng)分法相結(jié)合，分析確定影響橋梁安全性的各因素的權(quán)重及隸屬度，并計(jì)算出橋梁安全性的總評(píng)分，據(jù)此確定橋梁安全性等級(jí)，為橋梁使用階段的管理決策提供依據(jù)。
綜上所述，在實(shí)際橋梁安全評(píng)價(jià)中，以上方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景，但仍有許多需要解決的問(wèn)題，距離廣泛的實(shí)際應(yīng)用還較遠(yuǎn)，迄今尚未形成系統(tǒng)的成熟方法，迫切需要提出并完善便于實(shí)際應(yīng)用的橋梁安全評(píng)估新技術(shù)。
