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橋梁結構損傷識別綜述
2016-09-18 
    1、基于模態分析得橋梁檢測方法

    模態是結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。通常,模態分析都是試驗模態分析。振動模態是彈性結構的固有的、整體的特性。因此,模態分析是橋梁結構損傷識別和橋梁結構的故障診斷的重要方法,只要研究出了橋梁損傷前和損傷后的模態之間的區別便可以知道橋梁損傷,很多研究人員對模態分析在橋梁結構損傷中的應用做了相當大量的和有成效的工作。目前得到廣大研究者普遍認同的一種最有前途和有效的方法就是結合系統識別、振動理論、振動測試技術、信號處理、信號采集與分析等跨學科技術的試驗模態分析方法。

   2、基于神經網絡的損傷識別

    神經網絡損傷識別是以結構模擬發生的損傷訓練為樣本集合,根據當前狀態下的結構損傷指標直接進行損傷診斷的方法。神經網絡法具有線性和非線性映射能力,同時還具備自組織、自適應的學習能力,神經網絡法特有的容錯能力使得其能代表諸多領域的未知模型系統。在橋梁結構損傷識別系統中,神經網絡法的最大優點是增強了環境振動條件下的數據信號處理能力,很好地解決了因環境噪聲引起的橋梁動力參數損失或誤差大的問題。雖然人工神經網絡具有很多優點,但是同時,使用人工神經網絡進行損傷識別還有很長的路要走。主要在模型誤差、測量誤差、測量數據完備、網絡訓練時長、訓練所需樣本量等方面做大量工作。人工神經網絡的方法的主要局限性在于訓練數據集的獲取,該法的識別的準確與否在很大程度上決定于訓練數據集的完備程度和延續性。

   3、基于小波分析的損傷識別

    小波分析具有多分辨率的特點,不管是在時域,還是在頻域都有表征信號局部信息的能力,小波分析作為一種信號處理方法,在損傷檢測與診斷中取得了很大的進展。時頻分析方法主要包括小波分析和小波包分析,近年又出現了Hilbert-Huang變換。在國內,科研工作者利用小波奇異性理論對損傷結構的振動信號進行分析,判斷結構發生損傷的時刻,并且給出了結構損傷的分類識別方法。小波包分析不僅對低頻部分分解,同時也可以對高頻部分進行分解,所以小波包分析比多分辨分析更為精細。小波包變換可以提取由穩態和非穩態信號所合成的信號特征,具有任意的時一頻分辨率。特別是在獲取到的檢測型號出現模糊的波狀圖時,利用小波或者小波包可以容易的檢測出信號中間所包含的橋梁結構損傷信息。有限元數值分析表明基于小波損傷因子損傷識別程序對于突變損傷和線性時變損傷是有效的。

   4、基于環境激勵的損傷識別

    基于環境激勵下的損傷識別方法主要包括峰值拾取法和頻域分解法等。峰值拾取法就是根據頻率響應函數在固有頻率附近出現峰值的原理,用隨機響應的功率譜函數代替頻率響應函數,這種方法具有操作簡單、識別速度快的優點,但是它不能識別密集模態和阻尼比的結構。頻域分解法是峰值拾取法的延伸,是在白噪聲激勵下的頻域識別方法,它的原理是對響應的功率譜進行奇異值分解,將功率譜分解為對應多階模態的一組單自由度系統功率譜。此種方法識別精度高,具有較強的抗干擾能力。

   鑒于橋梁結構的本身特點,到目前為止只有時間序列法中的ARMA模型法能夠較好應用到結構損傷識別中。在利用簡單結構進行數值模擬分析驗證方法可行性的基礎上,提出利用隨機減量技術結合ITD方法、自然激勵技術結合特征系統實現算法形成兩種時域聯合算法對混凝土結構進行模態參數識別,并分別給出了方法的操作流程。然后通過分別模擬車載、風載、地震等激勵,并建立橋梁結構的有限元模型,對模型進行了數值仿真模擬,研究了基于不同環境激勵下對橋梁結構進行模態參數識別的有效性、適用性、穩定性,對方法的優缺點進行了統一的分析。但是在城市環境噪聲影響較大的情況下這種識別方法存在不準確的危險。

   5、基于模糊數學法的結構損傷識別展望

    模糊數學在社會科學中的應用很廣泛,已經應用到社會科學的各個方面,并且取得了很好的效果,能夠幫助人們做出準確的優異的判斷。工程領域中,同樣存在著很多模糊的問題,很多用語言都難以描述清楚,用傳統的經典數學的方法更加不可能完全準確的做出模型,計算出我們想要的結果,有時候在工程中我們并不要求有一個完全精確的解,我們只要能夠掌握這個工程問題的數學模糊解就可以很好的解決問題,這個時候模糊數學就可以起到非常重要的作用。在模糊數學中提出了“隸屬度”的概念,用從0 - 1 來描述由“肯定”到“否定”的過渡, 這樣,任何一個不是完全“肯定”但也不是完全“否定”的量都可以用隸屬度來度量 ,使這些模糊的尺度可用定量的數學方法來描述。

    同樣,對于結構損傷識別中模糊數學的思想一樣能夠起到作用,在這方面的研究目前來說還很少。結構損傷的機制和結構損傷的位置同樣也是難以準確描述的,對于不同的環境作用,不同的結構設計方案,不同的結構承載情況,就會出現不同的結構損傷機制,不同的結構損傷模式,這種損傷對應于結構損傷程度、結構的安全、結構損傷后的壽命影響等等方面都是模糊的,用準確的數學模型來進行描述都是存在局限性的。因此,考慮到模糊數學分析提出的分析思想和“隸屬度”的概念,考慮是否可以用這種方法來進行結構損傷的識別診斷,對橋梁進行有效的檢測和安全評估。

   結論

    隨著科學技術和理論知識的發展,橋梁損傷識別在逐漸向著準確和實時發展,讓橋梁管理者和使用著能夠及時清楚橋梁所處的狀態,及時發現損傷,避免重大事故發生。目前的所用的損傷識別方法大多處于理論研究階段,在實際運用中由于白噪聲、測量誤差等問題的干擾,很難運用以精確測量為基礎的損傷識別方法做出十分精確的判斷,而基于模糊數學的損傷識別方法能夠做到定性判斷,對于損傷程度可以清晰的反應出來,讓管理者做出對于橋梁狀態的準確判斷。因此模糊數學方法在橋梁損傷識別方面的運用有廣闊的前景。

   參考文獻:

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   [2]傅志方,華宏星.模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2000.

   [3]黎偉 ,葉巧玲. 淺談模糊數學法評價邊坡穩定性及其發展趨勢.重慶交通大學.科技創興與應用,2013年第5期
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