监理工程师：大跨桥梁安全监测的技术方法分析

　　三、桥架空全监测的理论研究现状
　　传统检测手段可以对桥梁的外观及某些结构特性进行监测。检测的结果一般也能部分地反映结构当前状态，但是却难以全面反映桥梁的健康状况，尤其是难以对桥梁的安全储备以及退化的途径作出系统的评估。此外常规的检测技术也难以发现隐秘构件的损伤。目前得到普遍认同的一种最有前途的方法就是结合系统识别，振动理论，振动测试技术，信号采集与分析等跨学科技术的实验模态分析法。
　　在系统参数识别方面目前普遍采用两种方法：频域法和时域法。频域法利用所施加的激励和由此得到的响应，经过FFT分析得到频响函数，然后采用诸如多项式拟和的方法得到模态参数，由于可以采用多次平均来消除随机误差对频响函数的影响，采用频域识别方法的精度有一定的保证，不过该法存在以下缺点：①基于振型不偶联，因此，只能识别具有经典阻尼的结构的实模态。像大跨悬索桥这样的结构，具有明显的非经典阻尼性质。频域法应用受到限制。②需要经过FFT分析，由此带来了诸如泄漏等偏度误差对参数识别的影响。近来的环境脉动法可以无须知道激励而得到振型参数，又扩展了该法的应用范围[7，8].70年代后期出现的时域识别方法，弥补了频域法的不足，可以用随机或自由响应数据来识别模态参数。它们不必进行FFT分析，从而消除了FFT分析所带来的误差。尤其是它还可以从未知随机激励的响应信号中得到随机减量特征，因此该方法成为能依据在线信号对系统进行识别的唯一方法。但也存在着一些缺陷：由于在参数识别时运用了所测信号的全部信息，而不是截取有效的频段，于是信号中包含的模态数目比较多，但由于实验测试环节及其他原因，使得其中的一些模态的信息并未被充分收集，以致只能将这些残缺的信息看作噪声，目前排除噪声的方法主要有扩阶识别和最小二乘法。当前利用ITD法对桥梁进行在线监测取得一定成果[9，10]综上所述，时域法和频域法均有自己的缺陷，应寻找一种综合时频的方法以提高识别精度，近来出现的小波变换可以综合时频，可探讨其在桥梁参数识别方面的应用。在结构损伤检测定位方面，目前可分为模型修正法和指纹分析法两类。
　　1.精确的有限元建模是大型桥梁凤震响应预测的重要前提；也是结构安全监测，损伤检测以及实现最优振动控制的基础。但是，尽管有限无法得到了高度的发展，实际复杂结构的有限元模型仍然是有误差的。有限元建模为结构飞行提供完整的理论模态参数集，但这些参数常常与结构模态实验得到的参数不一致。因此，必须对结构理论模型进行调整或修正，使得修正后的模态参数与实验相一致，这一过程即有限元模型修正。
　　模型修正法在桥梁监测中主要用于把实验结构的振动反应记录与原先的模型计算结果进行综合比较，利用直接或间接测知的模态参数，加速度时程记录，频响函数等，通过条件优化约束，不断地修正模型中的刚度和质量信息，从而得到结构变化的信息，实现结构的损伤判别与定位。其主要方法有：
　　（1）矩阵型法，是发展最早，最成熟，修正计算模型的整个矩阵的一类方法，它具有精度高、执行容易的特点，主要缺点是所修正的模型的物理意义不明确，丧失了原有限元模型的带状特点，这方面的代表应属Berman／Baruch的最优法。
　　（2）子矩阵修正法，通过对待修正的字矩阵或单元矩阵定义修正系数，通过对宇矩阵修正系数的调整来修正结构刚度，该方法的最大优点是修正后的刚度矩阵仍保持者原矩阵的对称，稀疏性。
　　（3）灵敏度法修正结构参数通过修正结构的设计参数弹性模量E截面面积A等来对有限元模型进行修正。
　　上述的前两种方法通过求解一个矩阵方程或带约束的最小化问题来修正刚度和质量矩阵，并假定刚度与质量的变化相互独立。因此，这类方法不适用于结构刚度矩阵和质量矩阵变化相关的有限元模型修正。而大跨度桥梁的质量变化通常会弓愧结构刚度的变化，属于典型的非线性问题。只有第三种方法利用观测量对结构参数的敏感性来修正结构参数。基于敏感性分析的参数修正可以从敏感分析的中间结果看出各参数对结构振动的影响程度；并且，可直接解释结构物理量的修改，无须通过利用总纲阵的比较来反映修改情况。然而但待修正参数较多时，该方法常会得出违背物理意义的参数修正。
　　2.指纹分析方法，寻找与结构动力特性有关的动力指纹，通过这些指纹的变化来判断结构的真实状况。
　　在线监测 中，频率是最易获得的模态参数，而且精度很高，因此通过监测频率的变化来识别结构破损是否发生是最为简单的。此外，振型也可用于结构破损的发现，尽管振型的测试精度低于频率，但振型包含更多的破损信息。利用振型判断结构的破损是否发生的途径很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩阵法。
　　但大量的模型和实际结构实验表明结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型形式变化明显[11，12]，一般损伤使结构自振频率的变化都在5％以内[11，12]，而Askegaard等在对桥梁的长期观测后发现，在一年期间里桥梁即使没有任何明显的变化，其振动频率的变化也可达10％［63］，因此一般认为自振频率不能直接用来作为桥梁监测的指纹，而振型虽然对局部刚度比较敏感，但精确测量比较困难，MAC，COMAC，CMS等依赖于振型的动力指纹都遇到同样的问题。对桥缺损状态的评价缺乏统一有效的指标，有人以模糊理论，结构可靠度理论等为理论框架建立了各种桥梁使用性能评估专家系统，但必须首先建立各种规范和专家数据库。
　　四、结论与展望
　　（1）由于大跨桥梁受环境因素影响较大，安全系数低，必须对其进行连续实时监测。
　　（2）由于GPS定位精度高，速度快，同其他几种位移监测仪器相比具有明显的优点，可用它对大跨度桥梁做连续实时监测，同时应进一步提高其精度，从而扩展其应用范围。目前GPS已在虎门大桥安装成功，实现了对大桥连续实时监测。
　　（3）在系统识别方面，比较了时域和频域法的优劣，今后应进行结合时频的系统识别研究。
　　（4）在模型修正方面，应在基于敏感性分析的基础上，研究适合于大跨桥梁的模型修正方法。
　　（5）由于对桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的指标，应结合实验测试和有限元建模研究适合于大跨桥梁的指纹指标。