橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)背景

作為交通系統(tǒng)的組成部分，橋梁在人類文明的發(fā)展和演化中起到了重要作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及運輸需求的不斷增長，大型橋梁（如跨海大橋、大跨度橋梁等）越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中，這些橋梁造價動輒幾億甚至幾十億元，在交通、軍事和社會生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義。然而，橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結構各部分在遠沒有達到設計年限前就產生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修輕則影響行車安全和縮短橋梁使用壽命，重則導致橋梁突然破壞和倒塌。據統(tǒng)計，如今在美國近60萬座橋梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美國每年橋梁投資90%用于更新維修舊橋，只有10%用于新建橋梁。

我國現(xiàn)有公路橋5000余座，總長130萬公里，1/3以上的橋梁都存在結構性缺陷、不同程度的損傷和功能性失效的隱患。近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多次重大橋梁事故。這些發(fā)生的事故與很多因素有關，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護措施是重要的原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現(xiàn)代橋梁的質量和壽命也逐漸關注起來。對橋梁結構進行質量檢測和健康監(jiān)測，已成為國內外學術界、工程界研究的熱點。

傳統(tǒng)的橋梁檢測在很大程度上依賴于管理者和技術人員的經驗，缺乏科學系統(tǒng)的方法，往往對橋梁特別是大型橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時反饋。如果對橋梁的病害估計不足，就很可能失去養(yǎng)護的最佳時機，加快橋梁損壞的進程，縮短橋梁的服務壽命。如果對橋梁的病害估計過高，便會造成不必要的資金浪費，使得橋梁的承載能力不能充分發(fā)揮。

橋梁健康監(jiān)測的基本內涵即是通過對橋梁結構狀況的監(jiān)控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況異常嚴重時發(fā)出預警信號，為橋梁的維護維修和管理決策提供依據與指導。然而，橋梁結構健康監(jiān)測不僅是為了結構狀態(tài)監(jiān)控和評估，其信息反饋于結構設計的更深遠的意義在于，結構設計方法與相應的規(guī)范標準等可能得到改進。再有就是橋梁健康監(jiān)測帶來的不僅僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設計的反思，還可能并應該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實驗室”。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結構與其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，還可以提供有關結構行為和環(huán)境規(guī)律的最真實是信息。因此，橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)橋梁檢測加結構評估新技術，而且被賦予了結構監(jiān)控與評估、設計驗證和研究與發(fā)展三方面的意義。

近年來，通信網絡、信號處理、人工智能等技術的不斷發(fā)展加速了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的實用化進程。業(yè)界紛紛著手研究和開發(fā)各種靈活、高效、廉價、并且不影響橋梁結構正常使用的長期實施監(jiān)測方法或技術。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的部署和應用不單單具有重要的現(xiàn)實意義，還具有重要的研究價值，在推動和發(fā)展智能化、數字化和信息化橋梁工程中起到了積極的作用。

20世紀90年代，亞洲一些國家如日本、韓國等開始研究并在一些大型橋梁上安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。目前的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和一些特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)通過布設在橋梁上的傳感器能夠測量并記錄橋梁的行為。

(2)重視對橋址處環(huán)境的監(jiān)測(溫度、風、交通荷載等)。

(3)各系統(tǒng)都毫無例外的進行了橋梁動力加速度、速度的監(jiān)測。

(4)由于科學技術的發(fā)展，特別是通訊技術和現(xiàn)代測量技術的發(fā)展，使得橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取橋梁相對準確的信息，并且可以實現(xiàn)系統(tǒng)的大容量、網絡化的數據自動采集、自動入庫。

健康監(jiān)測系統(tǒng)分成三個等級，即長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)、定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)和定期養(yǎng)護健康檢測系統(tǒng)。長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)是最高等級的健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于在特大跨徑復雜橋梁結構和具有重大戰(zhàn)略意義的關鍵橋梁上使用。該等級的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有如下的特點：傳感器長期布設在橋梁上，并通過相應技術連接在一起，構成傳感器子系統(tǒng)。各傳感器的數據采集通過健康監(jiān)測系統(tǒng)中心控制系統(tǒng)動態(tài)實時的下達采集指令，觸發(fā)傳感器的開關，實現(xiàn)數據采集。采集的數據經系統(tǒng)的數據通信系統(tǒng)直接自動進入健康監(jiān)測中央數據庫。橋梁管理部門和客戶可以通過網絡遠程訪問中央數據庫并進行健康診斷。

目前此類系統(tǒng)，傳感器數據采集及中央數據庫等各子系統(tǒng)的連接還是通過數據線的連接。隨著無線傳感器技術的研制，無線健康監(jiān)測系統(tǒng)有望實現(xiàn)。定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)是長期在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的一種簡化，最大的區(qū)別是定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集和管理是離線的、人工的。與長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)省掉了數據的自動采集設備和軟件，無需大量的數據線并避免了數據的長距離傳輸帶來的數據精度的損失。該系統(tǒng)投資額度相對小，適合于一般重要的橋梁。而且，該系統(tǒng)在以后如果需要的話，可以直接升級為長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)。

定期養(yǎng)護健康檢測系統(tǒng)適合于一般橋梁和對整個路線沿線的所有橋梁的健康監(jiān)測，該系統(tǒng)的功能和性質接近于一般橋梁的養(yǎng)護管理，可以這樣描述：橋梁管理部門購置相應的橋梁檢測設備，包括傳感器及其相應的數據采集和處理軟件、橋梁健康診斷軟件。這些設備都存放于實驗室，不長期固定在橋梁上。橋梁管理部門定期的利用這些設備對所轄橋梁進行健康檢測。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是可以監(jiān)測多個橋梁的健康狀況，同時設備容易維護、更換和更新。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計是實施橋梁健康監(jiān)測的第一步。目前關于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的標準、原則還沒有統(tǒng)一的說法。本文結合國內外已經安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點，探討橋梁健康設計的一些原則。

從已經安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中可以看出，這些橋梁健康監(jiān)測的測點布置的數量、監(jiān)測項目有很大差異。這種差異一方面來自于橋梁結構形式和所處地理環(huán)境的差異，另一方面來自于各健康監(jiān)測設計的目的和投資額度的不同。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計要遵循“因橋而異、因橋制宜、經濟實用、穩(wěn)定可靠”的16字原則。

因橋而異、因橋制宜。不同地區(qū)、不同橋梁結構形式的健康監(jiān)測的內容是不一樣的。不同地區(qū)的氣候、地質環(huán)境會有很大差別，橋梁健康監(jiān)測的一部分內容就包括對橋址處環(huán)境的監(jiān)測，比如風、地震、溫度等。

經濟實用、穩(wěn)定可靠。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施費用是昂貴的，因此，投資額是制約橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模和設備的重要因素。健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計應作效益．成本分析，設計出經濟實用、穩(wěn)定可靠的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

基于以上分析，建議在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計時遵循以下步驟：

(1)針對具體橋梁，確定監(jiān)測系統(tǒng)的目的和功能。

(2)分析橋梁的結構特點、環(huán)境狀況、運營情況，確定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目。

(3)建立橋梁有限元模型進行結構靜動力分析，確定應力相對不利的位置及動力分析結果，結合工程經驗、結構特點及測點優(yōu)化理論綜合確定測點布置方案。

(4)結合投資額度，廣泛調研現(xiàn)代測試技術的發(fā)展，確定各監(jiān)測項目傳感器的選型 。2100433B

作者郭健結合幾個大型橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)研發(fā)，過去對結構損傷識別方法開展深入的研究工作中，閱讀了大量國外和國內的相關文獻，包括從航天航空、機械等領域到土木工程領域的研究成果。經過綜合分析后認為：如果把橋梁結構當作一個系統(tǒng)來進行損傷識別，那么最關鍵的是對系統(tǒng)測試數據中所包含系統(tǒng)參數信息的深度挖掘和認識。因此，《大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)及損傷識別理論》選取了小波分析作為工具，結合系統(tǒng)辨識、模式識別和人工智能等學科理論，提出了基于多尺度分析和信息融合的思想來實現(xiàn)損傷識別，并完成了一個完整的理論和試驗研究。在研冤過程中，作為“數學顯微鏡”的小波分析以其深炯的哲學意義吸引了我，即：通過多個不同尺度的相互結合來觀察和分析事物的全貌和細節(jié)，能使我們更容易更清晰地觀察事物發(fā)展的規(guī)律，獲得更為完整的認識。正如數學界所言“世界無處不小波”，小波分析在橋梁健康監(jiān)測和損傷識別領域的應用還有很大的空間。

第1章橋梁健康監(jiān)測和結構損傷識別技術

1.1土木工程結構進行健康監(jiān)測的重要性

1.2結構健康監(jiān)測和損傷識別的發(fā)展

1.3國內外對結構健康監(jiān)測的研究現(xiàn)狀

1.4大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)介紹

1.5結構健康監(jiān)測中的損傷識別方法

第2章基于小波分析的結構健康監(jiān)測策略

2.1結構健康監(jiān)測中的關鍵性問題

2.2多尺度分析理論

2.3小波分析理論

2.4面向實時在線監(jiān)測的結構健康監(jiān)測策略

第3章結構動力系統(tǒng)的多尺度分析

3.1損傷識別的動力系統(tǒng)模型分析

3.2單自由度模型的結構動力系統(tǒng)多尺度分析

3.3多自由度模型的結構動力系統(tǒng)多尺度分析

3.4結構損傷的時變系統(tǒng)分析及其狀態(tài)空間模型

3.5結構損傷多尺度分析的數值仿真研究

第4章實時監(jiān)測中的結構損傷預警

4.1結構損傷預警的目的及重要性

4.2多尺度損傷預警的理論基礎和小波基的選取

4.3應用小波分析對測試信號進行去噪的方法

4.4基于小波變換的損傷預警研究

第5章?lián)p傷特征提取及模式分類方法

5.1結構損傷的模式識別問題

5.2損傷信息的小波包特征提取方法

5.3基于神經網絡的損傷模式分類

第6章基于信息融合的損傷確認、定位及定量

6.1結構損傷識別中的多傳感器信息融合

6.2損傷識別的耦合神經網絡融合算法

6.3結構損傷識別的模型實驗

6.4損傷特征的提取和數據層融合

6.5結構損傷的確認、定位及定量

第7章未來的技術展望

參考文獻2100433B

第1章 緒論

1.1 橋梁結構健康監(jiān)測的背景及意義

1.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展及應用現(xiàn)狀

1.2.1 橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展歷程

1.2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

1.3 橋梁結構的安全性評價與壽命預測的發(fā)展

1.3.1 常規(guī)工程結構耐久性、使用壽命預測研究現(xiàn)狀及分析

1.3.2 基于遠程實時監(jiān)測的使用壽命預測理論研究相關前期工作

參考文獻

第2章 橋梁結構動力監(jiān)測原理

2.1 概述

2.2 結構系統(tǒng)動力計算

2.2.1 單自由度系統(tǒng)

2.2.2 多自由度系統(tǒng)

2.2.3 橋梁結構動力系統(tǒng)

2.3 結構模態(tài)參數識別

2.3.1 單自由度系統(tǒng)傳遞函數、頻響函數及參數識別

2.3.2 多自由度系統(tǒng)傳遞函數和頻響函數

2.3.3 結構模態(tài)模態(tài)參數辯識

2.4 結構物理參數的識別

2.4.1 模態(tài)轉換理論的頻率識別法

2.4.2 動力復合反演的時域識別法

2.5 橋梁結構動力學監(jiān)測

2.5.1 橋梁結構動力學特性測試

2.5.2 橋梁健康監(jiān)測動力學特征應用

2.6 小結

參考文獻

第3章 橋梁健康實時監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

3.1 橋梁健康實時監(jiān)測信息采集系統(tǒng)研究及應用

3.1.1 總體設計原則

3.1.2 橋梁健康實時監(jiān)測內容的選擇

3.1.3 主要參數的監(jiān)測方法

3.2 橋梁健康監(jiān)測傳感器布設優(yōu)化方法

3.2.1 傳感器優(yōu)化布置原則

3.2.2 基于遺傳算法的傳感器優(yōu)化布設方法

3.3 典型橋梁安全遠程實時監(jiān)測集群系統(tǒng)

3.3.1 馬桑溪長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

3.3.2 重慶高家花園大橋

3.4 基于線性與非線性橋梁監(jiān)測測點信息分析及應用

3.4.1 橋梁健康監(jiān)測測點關聯(lián)特性

3.4.2 基于時延轉移熵與時延互信息的測點非線性關聯(lián)特性分析

3.4.3 基于線性相關性的橋梁監(jiān)測多傳感器測點間關聯(lián)分析

3.5 橋梁監(jiān)測測點相關性在結構安全評估和預測中的應用

3.5.1 基于測點相關性的結構安全可靠度評估

3.5.2 基于相關度的結構損傷識別

3.6 小結

參考文獻

第4章 橋梁健康監(jiān)測信息的預處理

4.1 概述

4.2 海量數據處理

4.2.1 海量數據

4.2.2 海量數據的特點

4.2.3 海量數據管理的需求

4.2.4 海量數據的處理方法

4.3 數據失真的處理

4.3.1 監(jiān)測信息數據失真的提出

4.3.2 數據失真的特點

4.3.3 數據失真的分類與表現(xiàn)形式

4.4 數據失真的識別方法

4.4.1 單點數據失真的識別

4.4.2 連續(xù)數據失真判斷

4.5 數據失真的修復

4.5.1 趨勢曲線修復法

4.5.2 神經網絡修復法

4.5.3 修復方法的優(yōu)缺點分析

4.6 數據換算處理

4.7 小結

參考文獻

第5章 基于混沌時間序列的結構響應信息非線性分析

5.1 混沌動力學概述

5.1.1 混沌基本理論

5.1.2 混沌系統(tǒng)識別

5.2 時間序列

5.2.1 時間序列組成及分解

5.2.2 信號的奇異性檢測與消噪

5.2.3 時間序列的時頻特性分析

5.2.4 時間序列ARMA模型

5.3 混沌時間序列

5.3.1 基本理論

5.3.2 計算混沌特征參數

5.4 橋梁結構實時響應時間序列的混沌性分析

5.4.1 橋梁結構的非線，陸

5.4.2 基于Melnikov方法的橋梁結構混沌臨界分析

5.4.3 橋梁健康實時監(jiān)測時間序列

5.4.4 基于橋梁健康實時監(jiān)測數據的混沌指標分析研究

5.5 基于混沌時間序列的橋梁結構狀態(tài)評估研究

5.5.1 基于混沌時間序列的橋梁結構狀態(tài)評估及預測

5.5.2 混沌在橋梁監(jiān)測、評估與預測中應用展望

5.6 小結

參考文獻

第6章 基于橋梁健康監(jiān)測信息的結構抗力衰變特征分析

6.1 概述

6.2 結構本構關系理論

6.2.1 線彈性模型

6.2.2 非線彈性本構模型

6.2.3 彈塑性本構模型

6.3 影響橋梁抗力衰變的內、外因素分析

6.3.1 不確定性影響因素

6.3.2 收縮、徐變及松弛

6.3.3 堿-集料反應

6.3.4 混凝土、鋼筋強度的時變效應

6.3.5 預應力損失

6.3.6 混凝土的碳化

6.3.7 鋼筋的銹蝕

6.3.8 結構裂縫

6.3.9 荷載效應

6.4 結構抗力衰變特征因子的分析

6.4.1 靜力特征因子

6.4.2 動力特征因子

6.4.3 基于混沌非線性分析的信號特征因子

6.5 基于橋梁實時監(jiān)測信息的抗力特征因子分析及提取

6.5.1 基于橋梁健康監(jiān)測信息的結構靜、動力特征因子的提取

6.5.2 基于實時監(jiān)測時間序列的混沌特征因子提取

6.6 基于橋梁實時監(jiān)測信息反演物理參數的結構抗力分析研究

6.6.1 橋梁結構物理識別法方法分析

6.6.2 基于結構物理參數識別的結構抗力演變分析

6.7 基于動力特征因子的結構抗力分析研究

6.7.1 單因子對結構抗力的反映

6.7.2 多因子對結構抗力的反映

6.7.3 基于BP神經網絡的結構抗力評估研究

6.8 基于混沌特征的橋梁結構抗力狀態(tài)辨識研究

6.9 小結

參考文獻

第7章 橋梁營運期隨機荷載效應及其演變分析

7.1 橋梁營運期荷載效應特性分析

7.1.1 主梁撓度和應變的主要影響因素分析

7.1.2 營運期橋梁荷載效應特性演變分析

7.1.3 營運期橋梁荷載效應特性指標的構建

7.2 活載效應和劣化效應信息的提取技術

7.2.1 結構響應監(jiān)測信息的時間多尺度特點

7.2.2 小波分析理論

7.2.3 多尺度分析及Mallat算法

7.2.4 活載效應信息的提取

7.2.5 劣化效應信息的提取

7.3 基于實時監(jiān)測信息的橋梁結構荷載效應演變規(guī)律分析

7.3.1 馬桑溪長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

7.3.2 荷載效應的提取及其演變規(guī)律分析

7.4 小結

參考文獻

第8章 橋梁營運期使用壽命評估及預測研究

8.1 在役橋梁剩余壽命概述

8.1.1 結構壽命的定義

8.1.2 鋼筋混凝土結構壽命預測的準則

8.1.3 橋梁壽命評估及預測方法

8.2 大型在役橋梁結構時變可靠度分析

8.2.1 可靠度理論

8.2.2 基于BP神經網絡的橋梁可靠度分析

8.2.3 GA-BP神經網絡在橋梁可靠度評估中的應用

8.3 基于結構物理參數和荷載效應的時變可靠度結構壽命評估及預測

8.3.1 基于橋梁健康監(jiān)測信息動態(tài)調整的時變可靠度壽命評估預測

8.3.2 傳統(tǒng)橋梁結構壽命預測模式分析

8.3.3 基于結構物理參數和荷載效應的時變可靠度結構壽命評估

8.4 基于“一類學習”模式識別的橋梁壽命預測分析

8.4.1 基于一類SVM模式識別的橋梁壽命預測分析

8.4.2 基于信息幾何混沌SVM橋梁壽命預測模型修正

8.5 基于最優(yōu)停時理論的橋梁抗力及壽命演變研究

8.5.1 最優(yōu)停時理論

8.5.2 基于最優(yōu)停時理論的橋梁結構壽命演變研究

8.6 小結

參考文獻 2100433B