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桥梁结构安全评价综述

作者：杨园 沈利兵 梁宗保

来源：《城市建设理论研究》2013年第21期

摘要：本文首先阐述了桥梁健康监测的重要性、概念；其次，重点对目前国内外桥梁安全评价研究现状及方法进行了详细介绍；最后，就现阶段桥梁结构安全评价方法提出几点不足之处。

关键词：桥梁；健康监测；安全评价

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

1 桥梁健康监测概述

1.1 桥梁健康监测的重要性

桥梁是保障公路和铁路畅通的纽带，随着我国经济快速稳定的发展，桥梁建设工程越来越多，同时桥梁的通行能力和承载能力也面临着越来越大的考验。为保障桥梁正常运营，避免人生伤亡和财产损失，对现役桥梁的损伤程度和承载能力给出正确的评价，是当前非常紧迫而必要的任务。对桥梁结构的安全评价，是及其具有实际价值和研究意义的。

1.2桥梁健康监测的概念

桥梁健康监测是指在桥梁正常运营状况下，获取反应桥梁结构状况的数据信息，并进行数据处理，对结构的可靠性，耐久性等性能指标进行评估以及对结构的损伤位置和损伤程度进行诊断，最终为桥梁的维修养护与管理决策提供科学的依据和指导。

2 桥梁结构安全评价研究现状及方法

桥梁结构安全评价实际上就是在实际监测到的海量数据的基础上，通过有效的损伤识别方法从海量数据中提取桥梁结构状态信息，从而实现对桥梁结构的健康状态进行安全评价。即在桥梁结构健康监测中，安全评价其实就是一个完整的损伤识别过程。由此，可从损伤识别的意义上研究安全评价方法的研究现状。损伤识别法主要有静力识别法和动力识别法两大类。

2.1动力检测下的动力损伤指标法

基于固有频率变化的损伤识别技术

该类方法基本思想是当结构发生损伤时，仅仅把损伤归于刚度的降低，而忽略结构在使用过程中结构质量发生变化带来的影响，最终将结构刚度性能的降低简单的认为是固有频率的减

小。叶梅新[1]等,以固有频率识别指标的方法对某混凝土结合梁为例进行损伤识别，通过对模型的无阻尼自由振动分析研究损伤指标与损伤之间的关系；以模型不同部位抗弯刚度的折减模拟不同程度的损伤。

基于残余力向量的损伤识别技术

Ricles于1992年提出残余力向量概念。建立残余力向量与损伤结构的刚度和质量矩阵以及特征向量之间的关系，从而确定结构的损伤部位。Kosmatka在Ricles的实验结果上，对残余力向量与加权灵敏度分析方法进行了改进。周先雁等，在相关理论分析的基础上，成功地将残余力向量法用于两榻钢筋混凝土平面框架的静动力试验研究上，在识别出结构的损伤位置后，再用加权灵敏度法来识别结构的损伤程度。

3)基于小波理论的损伤识别技术

鉴于小波分析法具有良好的局部特性，同时在信号去噪、信号奇异性检测、特征提取、数据压缩等方面有着其独特的优点，因此在桥梁健康检测中得到应用，且在该领域应用潜力巨大。一些学者对此已展开研究。Sun[等人应用小波包分解信号能量来构造损伤指标，并通过神经网络对连续梁的损伤识别进行数值仿真研究，取得了较好的分析结果。白先梅[4]等人最终实现桥梁健康监测中的损伤预警和对结构工程损伤的早期诊断。

2.2动、静力损伤识别都可使用的方法

1)模型修正损伤识别法

模型修正损伤识别法是一个反演分析问题，该反演分析过程可理解为，通过系统的输出反过来确定系统的的构成参数。李国强直接将框架结构的损伤定义在梁柱构件上，提出了一种识别一般框架损伤参数的动力方法。

2)人工智能损伤识别法

人工智能损伤识别技术实际上是把人工智能科学中的一些算法与思想应用到损伤诊断中，这样可以提高损伤诊断的效率。人工智能法主要包括神经网络、遗传算法等。

Tsou&Shent运用固有频率的变化和动力残余矢量的变化作为BP网络的输入来进行损伤检测Friswelleta1等综合运用遗传算法和特征灵敏度方法进行损伤诊断。程远胜[6]等提出了一种基于分级遗传算法的利用不完整振动数据识别结构损伤方法，通过借助遗传算法来确定结构损伤的程度。

3)统计模式识别法

为避免建立模型过程时的复杂性、模型本身参数估计的误差及操作过程的简洁性，同时统计分析理论在经济领域的发展逐渐成熟，因此被越来越多的研究者认为是一种很有应用前景的桥梁结构安全评价方法，并在近年来得到了逐步的重视，主要有时间序列分析方法、可靠度理论法。

Fugate[7]等建立了结构振动响应的自回归时间序列模型，验证了该方法的可行性和有效性。杜永锋等[8]以完好工况下的结构响应数据为参考数据，将待识别工况的残差与自回归预测参考模型的残差的方差之比作为损伤指标，对结构进行损伤识别。Feng对广义承力比最大准则进行了改进，提出了识别结构系统主要失效模式的优化准则法。程进等，解决了隐式极限状态方程的可靠度问题，研究结果表明，该方法具有计算速度快、精度高的特点。 3存在的问题

针对现有的桥梁结构安全评价方法主要存在以下问题：

(1)缺少对桥梁健康监测数据有效的处理方法。现有提出的大多数是损伤识别的方法问题，对测量的海量数据，并没有提出有效的处理方法；

(2)缺少通用安全评价指标。目前提出的一些损伤识别方法只能进行损伤识别和定位，不能够对损伤程度进行标定；

(3)许多安全评价方法要求利用结构损伤前后相同环境和荷载工况下获取的测试数据才能进行损伤识别，在实际工程中很难满足这一要求；

(4)当前的安全评价较多采用单一的方法进行分析，环境影响的不确定性及所得测试数据的不完整使得评价结果不能够准确反映结构的安全状况。

参考文献：

[1]叶梅新,黄琼,高速铁路—混凝土组合梁的损伤识别[J].中南大学报，2005.36(4).704-709

[2]白先梅，韩西，陈长万，李治学.小波分析在桥梁健康监测中的应用研究[J].交通标准化,2009.200

[3]程远胜,区达光,谭国焕.白植洲.基于分级遗传算法的结构损伤识别方法[J].华中科技大学学报，2002(8)

[4]Fugate M L，Sohn H，Farrar C R. Vibration-based damage detection using statistical process control [J].Mechanical Systems and signal Processing,2011,15(4):707-721.

[5]杜永锋，李万润.基于时间序列分析的结构损伤识别[J].振动与冲击，2012,12(31)：108-111

作者简介：杨园（1987.10- ），男，湖北随州人，重庆交通大学信息科学与工程学院2011级硕士研究生，计算机应用技术专业，研究方向：桥梁健康监测