桥梁健康监测技术发展现状及趋势分析

２００８年９月第９期（总１２０）
铁道工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＩＬＷＡＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳＯＣＩＥＴＹ
Ｓｅｐ２００８
ＮＯ．９（Ｓｅｒ．１２０）
文章编号：１００６—２１０６（２００８）０９—００４４—０４
桥梁健康监测技术发展现状及趋势分析。

魏新良１王震洪２¨
（１．新疆交通职业技术学院，鸟鲁木齐８３１４０１；２．新疆交通建设局，鸟鲁木齐８３１４０１）
摘要：研究目的：通过对桥梁健康监测技术涉及到的模型修正、指纹、动力等不同的状态评估方法的归纳，对桥
梁健康监测技术现状进行了综合分析，并对健康监测技术的发展趋势进行预测。

研究结果：桥梁健康监测与状态评估系统的研究尚处于基础性的探索阶段，距离实用性的系统目标尚有很大的差距。

目前仅能准确测量低频响应，而低频响应多为结构的整体模态，对整体响应贡献小的局部，即使
在整体模态中有所反映，但由于量值过小，往往也容易淹没在噪声、误差和不确定因素引起的扰动之中。

今后
桥梁健康监测的发展方向一是降低噪声和不确定性因素的影响，二是提高桥梁损伤诊断方法的灵敏度，通过
技术优化可以达到对损伤程度的量化。

关键词：状态评估；损伤；监测；趋势
中图分类号：Ｕ４４６文献标识码：Ａ
ＴｈｅＣｕｒｒｅｎｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＳｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄＴｒｅｎｄｏｆＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＢｒｉｄｇｅＨｅａｌｔｈ
ＷＥｌＸｉｎ—ｌｉａｎ９１．ＷＡＮＧＺｈｅｎ—ｈｏｎ９２
（１．ＸｉｎｊｉａｎｇＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｕｒｕｍｑｉ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ８３１４０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＸｉｎｊｉａｎｇＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，Ｕｒｕｍｑｉ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ８３１４０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｔｈｒｏｕｇｈｍａｋｉｎｇｓｕｍｍａｒｙｏｎｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｍｏｄｅｌｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｂｒｉｄｇｅｈｅａｌｔｈ，ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｂｒｉｄｇｅｈｅａｌｔｈｉｓｍａｄｅａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔＩｅｎｄｉｓｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｂｒｉｄｇｅｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｓｔａｇｅａｎｄｉｔｈａｓ
ｌｏｎｇｗａｙｔｏｇｏｔｏｐｕｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏ
ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｎｏｗａｄａｙｓｏｎｌｙｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃａｎｂｅｍｅａｓｕｒｅｄｐｒｅｃｉｓｅｌｙ
ａｎｄｏｎｌｙｃａｎｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｅｖｅｎｓｕｃｈｒｅｓｐｏｎｓｅｃａｎｂｅｒｅｆｌｅｃｔｅｄｉｎｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｔａｔｕｓ，ｂｕｔｉｔｉｓｅａｓｉｌｙｄｉｓｔｕｒｂｅｄｂｙｔｈｅｎｏｉｓｅ，ｅｒｒｏｒａｎｄｕｎｓｔａｂｌｅｆａｃｔｏｒｓｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅｉｓｔｏｏｓｍａｌｌ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｂｒｉｄｇｅｈｅａｌｔｈｉｓａｓ
ｆｏｌｌｏｗｓ：Ｔｈｅｆｉｒｓｔｉｓｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｏｉｓｅａｎｄｕｎｓｔａｂｌｅ
ｆａｃｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄｉｓｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄｏｆｂｒｉｄｇｅｄａｍａｇｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ
ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅｄａｍａｇｅｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｕｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｄａｍａｇｅ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｔｒｅｎｄ
近几十年来，随着社会的进步和土木工程技术的发展，越来越多的大跨度桥梁得到了修建，虽然保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对大型复杂结构的认识程度，许多不定时的或不可确定因素
’收稿日期：２００８—０７—１５
・’作者简介：魏新良．１９７４年出生，男。

工程师，新疆交通职业技术学院立弓公路设计所所长；王震洪，１９７４年出生，男，工程师。

万方数据
第９期魏新良王震洪：桥梁健康监测技术发展现状及趋势分析４５
（超期服役，飓风，腐蚀，疲劳，甚至突发性的地震，车、船的冲撞，爆炸等危害性事件），人们并不能都进行有效控制或预测，为了确保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标准，特别是大跨度桥梁这种重要的大型结构，实时了解其“健康”状态是非常重要的。

状态评估技术现状
１．１传感器的优化布设问题
基于随机振动的大跨度桥梁的健康监测技术，其有效性首先建立在模态试验的好坏上，而传感器的类型，位置和数量对试验结果起决定作用。

由于客观因素的制约，传感器的数量总是有限的。

如何安排有限数量的传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，是大跨度桥梁的健康监测的关键技术之一。

传感器的优化布没方法¨‘２Ｊ，依采用的不同标准而异，如使测量的模态正交性得到最大程度保留的ＭＡＣ矩阵非对角元最小化准则；使测点远离振型节点，以保证测试数据质量的动力能最优准则（Ｕｄｗａｄｉａ认为此准则不一定得到传感器最优布设，并建议不再进一步发展这类方法）等。

１．２损伤诊断的动力指纹法类方法
这类方法的基本思想就是寻找与结构动力特性相关的动力指纹在结构损伤前后的变化来判断结构状态。

根据对动力测试信息利用状态的不同可分为３类‘３｜：
（１）使用单一测试动力特征：如Ｈｅａｒｎ的频率比法和Ｓｔｕｂｂｓ的整体损伤估计法，振型差法及ｆＩｌ振型（位移）一阶、二阶导数概念衍生的应变模态法和曲率模态法等；
（２）使用多个测试动力特征（频率和振型）：有柔度差阵，刚度差阵。

均载变形一曲率法及基于能量概念的能量损伤指纹和能量商差指纹等；
（３）使用其它测试响应：如Ｓａｍｍａｎ等人提出ＦＲＦ波形指纹（含ＷＣＣ、ＡＴＭ、ＳＡＣ等几个指针）。

１．３损伤诊断的模型修正法类方法
这类方法使用动力测试资料，基本运动方程和有限元模型构造优化约束问题，不断修正结构模型的质量、刚度与阻尼分布（通常为刚度阵），使其响应尽可能地接近由测试得到的结构动态响应，通过修正模型矩阵与基线模型相对比，实现对结构损伤的诊断。

模型修正类损伤诊断法由于实际测试模态的不完备性与有限元模型间的矛盾，一个最大的问题是要进行非适定问题的线性或非线性反演，另外尚需解决建模不确定性及噪声干扰等问题。

解决的一些途径包括［４。

５］：（１）对不完备模态进行扩阶（基于保持结构矩阵相连性的理由，不推荐使用模型缩聚法）；
（２）在模型修正中结合统计理论考虑建模误差及测试误差的影响；
（３）与指纹法或其它方法相结合，为模型修正提供先验信息，减小计算量，提高损伤识别的准确度；
（４）注意扩阶带来的误差，以及在进行非适定反演时考虑同时使用数学和物理约束。

１．４损伤诊断的人工神经网络方法
人工神经网络的方法是２０世纪８０年代以来得到广泛关注的一种模拟人体神经机理来研究客观事物的新方法，其高效并行的信息处理的方式（学习／训练，计算／识别）将反问题正问题化，故特别适于对大型反问题（如结构的损伤诊断）的求解。

注意到当前大多数的基于ＡＮＮ的损伤识别方法学习模式都为“指导”型如广泛使用的ＢＰ网络，对于大型复杂结构就存在一个问题即大数目的自由度数造成损伤的情况数（网络的训练样本）过大，不但给网络收敛带来困难且往往不可能穷尽所有情况。

自组织神经网络为无“指导”的向量竞争算法，只需输入不需输出，网络会自动根据输入资料的规律和自身功能进行权重的调整，虽然目前对其训练机理还不能说完全清楚，但可预见是ＡＮＮ方法用于结构损伤诊断的一个重要发展方向。

１．５分析误差与不确定因素的处理
上述理论方法受误差及不确定因素的影响是阻碍基于振动的损伤诊断技术实用化的最主要障碍。

这些因素造成识别结果的所谓正误（ｆａｌｓｅ－－ｐｏｓｉｔｉｖｅ识别损伤而实际上无损伤，不会对安全造成致命威胁）与反误（ｆａｌｓｅ—ｎｅｇａｔｉｖｅ实际上损伤而识别无损伤，对安全造成致命威胁）使目前的结构健康监测技术可信度较低。

这些误差不确定性因素主要源于以下一些方面：１．５．１测试误差
（１）仪器噪声；（２）环境因素；（３）野外测量中难以消除的寄生激振的影响；（４）测量资料不完整。

１．５．２数据处理误差。

１．５．３建模误差
（１）物理参数的不确定性；（２）离散化误差；（３）边界模拟误差；（４）非结构构件的建模误差。

以上误差有的可以采取～定手段消除，有的则难以控制，不同损伤诊断方法所受的影响也不同，完全消除所有的误差与不确定性是不可能的。

系统消除误差，并利用统计方法给出结果的置信度，对比研究误差及不确定对结果识别的影响都有利于得到较高可靠度的结论。

总的来讲这方面的研究还很少，但正在引起关注。

Ｋｉｍ使用了ＳＡＣ、ＭＳＥ、ＭＩＥ、ＤＭＥ、和ＦＡＥ等５个值域为０—１的指针来度量３类理论模型不确定
万方数据
铁道工程学报２００８年９月
性的影响。

Ｋａｔａｆｙｇｉｏｔｉｓ则通过建立基于Ｂａｙｅｓｉａｎ的概率统计框架来处理由于测量噪声与建模误差在模型修正中引起的不确定。

１．６统计方法的应用
最近的研究表明基于振动的损伤诊断本质上是一个统计模式的识别问题。

５１。

包含４个过程：
１．６．１操作评估
决定监测的对象及其实现。

１．６．２数据采集与净化
实现传感器的选择和最优布设及决定资料的取舍问题。

１．６．３特征提取
特征提取是损伤检测的核心内容，基本上通过所提取特征在结构损伤前后的变化来实现损伤的诊断。

特征的提取本质上是资料的缩聚过程，可选取单个或多个结构特征组合，如上述桥梁损伤识别常用的各种损伤指纹。

结构非线性特征，自回归模型预测值与实测值间的残差口等，基本的要求特征向量的维数尽可能低，对损伤的敏感度高（如使用局部量等），对已往的经验及测试资料的分析。

有限元数值模拟都有助于寻找损伤敏感特征。

１．６．４统计模型的建立
即建立所提取特征的统计分布的算法。

２健康监测技术发展
桥梁健康监测是以桥梁状态评估技术为基础的，其带来的不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。

尽管桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料、新工艺的出现不断推动着桥梁的发展，但是，大跨度桥梁的设计中还存在很多未知和假定，超大跨度桥梁的设计也有许多问题需要研究。

同时，桥梁结构控制与健康评估技术的深入研究与开发也需要结构现场试验与调查。

２．１监测内容
监测系统对以下几个内容进行监控：
（１）桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；
（２）桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如斜拉桥振动控制装置）的工作状态；
（３）桥梁在突发事件（如强烈地震、意外大风或其它严重事故等）之后的损伤情况；
（４）结构构件耐久性；
（５）桥梁结构构件的真实疲劳状况；
（６）大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。

桥梁
材料及缺损
状态监测
驯障
堋Ｉ蓁
渊睡
降｜｜测｜｜测
桥梁结构安全性与耐久性评估
————瓜虿—一
重Ｉｌ维ＩＩ维
建ｌｌ修ｌＩ护
对
结
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指
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损
伤
程
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图１桥梁健康监测与状态评估流程图
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一‘・传感器系统：：信息收集系统
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图２桥梁健康监测与评估管理系统拓扑结构图２．２监测系统组成
通常，桥梁健康监测系统由以下几部分组成：
上缆索锈蚀状况Ｔ
上桥梁支座的破损Ｔ
上保护层损伤状况Ｔ
万方数据
第９期魏新良王震洪：桥梁健康监测技术发展现状及趋势分析４７
（１）传感系统。

由传感器、二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成；
（２）信号采集与处理系统。

实现多种信息源、同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数，以一定的形式存储起来；
（３）通信系统。

将处理过的数据传输到监控中心；
（４）监控中心。

利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。

一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控：
２．３监测设计难点
与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估，而整个系统的核心也是难点就是对桥梁损伤情况的评估，如图３所示。

目前只能做到对结构有无损伤进行判断，而对损伤的位置难以进行准确识别，对损伤类型和损伤程度的更不易确定。

图３桥梁结构损伤监测状况
３桥梁监测技术的发展趋势
从上述总结中可知，桥梁健康监测与状态评估系统的研究尚处于基础性的探索阶段，距离实用性的系统目标尚有很大的差距。

最基本的问题在于以目前的测试水准，仅能较准确测量结构的低频响应，而低频响应多为结构的整体模态，对整体响应贡献小的局部，即使在整体模态中有所反映，但由于量值过小，往往也容易淹没在噪声、误差和不确定因素引起的扰动之中，故
除非出现非常精确的测试技术或结构产生严重的损伤才可能对局部损伤进行诊断。

实际上不同类型、部位的结构损伤对结构各阶模态的影响程度有极大的不同。

寻找特定结构形式不同损伤对其动力模态的敏感因素，并尽可能排除噪声对结果判断的影响，有可能在一定程度上推进此技术的实用化进程。

达成这一目的可从两方面人手：
３．１降低噪声和不确定性因素的影响
即对其进行量化，就工程应用而言，利用概率统计信息来表征，是合理且可行的。

３．２提高桥梁损伤诊断方法的灵敏度
对已往的经验及测试资料的分析，有限元数值模拟都有助于寻找特定桥型的损伤敏感特征。

４结论
本文对桥梁健康监测技术的研究现状进行了总结，对不同的状态评估方法特点进行了分析。

同时也指出对结构的损伤评估仍是目前桥梁健康监测中的技术难点，今后应从信号采集、模型分析、损伤识别等多个方面进行研究和突破，为今后我国桥梁健康监测技术的发展和应用打下坚实的基础。

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万方数据。