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摘要：橋梁健康監測和安全評估已成為國內外相關領域的研究熱點。文中詳細地介紹了橋梁健康監測系統的具體構成和設計準則，重點對橋梁的安全評估模型中的層次分析法和人工神經網絡法進行了較為全面的理論分析。...

大跨度橋梁健康監測及安全評估研究

肖冠英

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

1、概述

    大跨度橋梁的生命周期一般包括總體規劃、設計施工以及運營管理這三大階段。以往由于受到技術和經濟條件的限制，主要精力都集中在設計施工階段。近年來隨著經濟技術的發展，特別是交通網絡的迅速發展，橋梁建設的形式和功能更加復雜多樣化。加之跨度也愈來愈大，以及建橋的巨大投資和它在國民經濟發展中的重要作用，橋梁的健康監測和安全評估工作已愈來愈受到人們的重視。例如，丹麥對總長1726m的Faroe跨海斜拉大橋進行施工階段及通車首年的監測；墨西哥對總長1543m的Tampic0斜拉橋進行了動力特性測試并比較了環境激振和傳統振動試驗的效果；英國在總長522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監測大橋運營階段在車輛與風荷載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監測環境風和結構溫度場。中國自20世紀90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規模的長期監測系統，如香港的青馬大橋、內地的虎門大橋、徐浦大橋，江陰長江大橋等在施工階段己安裝健康監測用的傳感設備，以備運營期間的實時監測。最近在蘇通大橋建立了健康監測評估以及在武漢陽邏公路大橋完成了光纖光柵橋梁施工控制及健康監測系統；特別是近年建成的位于江蘇省境內的潤揚長江大橋的結構健康監測系統除了對大橋的車流量、車輛荷載狀況(車載、車速及車流量)、橋址處的氣候環境(風速、風向)、地動脈、索塔沉降等進行檢測以外，還對南漢懸索橋的主跨縱向、橫向、豎向位移、載面的壓力分布、溫度等，錨室主纜索股拉力、索塔的振動特性，北汊斜拉橋的斜拉索拉力、斜拉索振動、主梁線型、索塔的振動等特性進行了連續監測。

    從己經建立的監測系統的監測目標、功能以及系統運行等方面看，這些監測系統具有以下一些共同特點。

    (1)通過測量結構各種響應的傳感裝置獲取反映結構行為的各種記錄。

    (2)除監測結構本身的狀態和行為以外，還強調對結構環境條件(如風、車輛荷載等)的監測和記錄分析；同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應來建立結構的“指紋”，并借此開發實時的結構整體性與安全性評估技術。

    (3)在通車運營后連續或間斷地監測結構狀態，力求獲取的大橋結構信息連續而完整，某些橋梁監測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監控施工質量。

    (4)監測系統具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現數據的網絡共享。

    由于大型橋梁的力學和結構特點以及所處的特定環境，在大橋設計階段完全掌握和預測其力學特性和行為特性是非常困難的。因此，通過橋梁健康檢測所獲得的實際結構的動靜力行為來檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義。不僅對設計理論和設計模型有驗證作用，而且有益于結構設計方法與相應的規范標準等得到改進。

2、橋梁健康監測系統

    橋梁健康監測的基本內涵是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。橋梁健康監測系統的絹成如圖l所示。

圖1橋梁健康監測系統的組成

    監測系統通常對以下幾個方面進行監控：

    (1)橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；

    (2)橋梁重要非結構構件和附屬設施的工作狀態；

    (3)橋梁重要非結構構件(如支座)和附屬設施(如斜拉橋振動控制裝置)的工作狀態。

    (4)橋梁結構構件的耐久性。主要是提供構件疲勞狀況的真實情況。

    (5)工程所處環境條件如溫度、風速等。

    因此，橋梁健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單改進，而是運用現代化傳感設備與光電通信及計算機技術，實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應和行為，獲取反映結構狀況和環境因素的信息，由此分析結構健康狀態，評估結構的可靠性，為橋梁的管理與維護提供科學依據。在偶發事件(如地震)發生后，可通過監測數據識別結構的損傷和關鍵部位的變化，對大橋結構的承載能力和抗風、抗震能力作出客觀的定量評估。

    2.1橋梁監測的內容

    橋梁監測系統所監測的內容主要有以下幾方面。

    (1)荷載。包括風、地震、溫度和交通荷載等。使用的傳感器有：風速儀——記錄風向、風速進程歷史，連接數據處理系統后可得風功率譜；溫度計——記錄溫度、溫度差時程歷史；動態地秤——記錄交通荷載流時程歷史，連接數據處理系統后可得交通荷載譜；強震儀一記錄地震作用；攝像機——記錄車流情況和交通事故。

    (2)幾何監測。監測橋梁各部位的靜態位置和靜態位移(如橋塔和錨碇的沉降和傾斜、主纜和加勁梁的線型變化等)。所使用的傳感器有：位移計、傾角儀、GPS、電子測距儀(EDM)、數字像機等。

    (3)結構的靜動力反應。如用位移計、傾角儀記錄結構的靜動力變形和轉角、支座和伸縮縫的靜動力相對位移歷史；用應變儀記錄橋梁構件的靜動力應變和應力。用測力計(力環、磁彈性儀、剪力銷)記錄主纜、錨桿和吊桿的張力歷史；用加速度計記錄結構各部位的反應加速度，連接數據處理系統后可得結構的模態參數。

    (4)非結構部件及輔助設施,支座、振動控制設施等。

    2.2橋梁監測的設計準則

    健康監測系統的設計對于大型橋梁健康監測是至關重要的。這里結合國內外一些己建立健康監測系統的大型橋梁的測點、傳感器布設情況(見表l)，簡要闡述監測系統設計的某些準則。從表1給出的幾座大型橋梁健康監測系統的測點、傳感器布置情況可看出，各個橋梁的監測系統的測點布置的數量、監測項目與規模存在很大的差異。這種差異除了橋型和橋位所處環境不同的因素外，主要是因為對各監測系統的投資額和建立各個系統的目的和功能不同而異。基于以上分析，建議在橋梁健康監測系統設計時通常遵循以下步驟。

    (1)針對具體橋梁，確定監測系統的目的和功能。對于特定的橋梁，建立健康監測系統的目的可以是橋梁監控與評估，或是設計的驗證，甚至是以研究發展為目的。

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

    (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、結構特點及測點優化理論綜合確定測點布置方案。

    (4)監測系統中各監測項目的規模以及所采用的傳感器和通信設備等的確定都需要考慮整個項目投資額的限度。必須對設計方案做成本效益分析，再根據目的、功能要求和成本效益分析將監測項目和測點數設計在所需范圍之內。

    表1橋梁健康監測系統測點、傳感器布置

傳感器名稱	青馬橋	江九橋	汲水門橋	明石橋	南備贊瀨戶	柜石島橋	Creat Beh	江陰橋	HAM42—0992
風速儀	6	7	2	9	4	4	√
溫度計	115	75	224				√
動態地秤	6	6	6				√
加速度計	17	67	3．	10	27	23	√	√	2
位移計	2	2	2	7	6	6	√
傾角儀									2+1
振動弦應變儀									10
電阻應變絲	118	128	46	8			√		18+4
水平儀	9		5
電子測距器								1／16
磁彈性測力儀								24
剪力銷								√
速度計				12
GPS	√
總數							1000

3、安全評估模型

    橋梁安全評估是利用特定信息分析既有橋梁的可靠性，并為使橋梁保持規定的安全性能而做出相應工程決策的過程。對于早先修建的中小橋梁，一般以評估橋梁的承載能力為重點。而對于大型橋梁，則將評估理論和監測系統相結合，充分利用監測系統長期積累的監測數據，對橋梁進行損傷識別和狀態評估。

目前，橋梁安全性評估理論方法主要有層次分析法、人工神經網絡法、可靠度理論、振動模態方法等。影響大型橋梁安全狀態的因素眾多，各因素之間的相互作用關系復雜，部分因素的影響力及作用程度無法定量描述。層次分析法人工神經網絡在復雜系統的評價方面己經取得了一些應用成果，本文主要介紹這兩種方法。

    3.1層次分析法(AHP，Analytic Hierarchy Proeess)

    層次分析法是美國運籌學家Saaty教授于1980年提出的一種定量與定性相結合的多目標決策方法，具有系統、簡潔、實用等優點。層次分析法把復雜問題分解為不同的組成因素，并將這些因素按照支配關系和相互影響劃分為有序的遞階層次結構，然后通過兩兩比較方式確定層次中各個因素相對于上一層次相應因素的重要性。層次分析法的核心是量化決策者的經驗判斷，從而為決策者提供定量的決策依據，在目標結構復雜且缺乏必要數據的情況下更為實用。次分析法體現了人類決策思維中分析、判斷和綜合的基本特征。運用層次分析法進行系統評價，大體可以分為四個基本步驟。

    (1)分析問題中各因素之間的關系，建立遞階層次結構，層次中的各因素稱為指標。

    (2)對同一層次的各個指標以上一層次的相應指標為準則進行兩兩比較，構造兩兩比較判斷矩陣。

    (3)根據判斷矩陣計算各指標的權重，方法有特征根法、和法、根法、最小二乘法和對數最小二乘法等。

    (4)由于判斷矩陣的構造是基于單準則的決策，因此必進行一致性檢驗，只有通過了一致性檢驗才說明其邏輯判斷是合理的。

     3.2 人工神經網絡法(ANN，Artificial Neural Networkl

    人工神經網絡興起于20世紀80年代，是模擬人腦功能的抽象數學模型。神經網絡是一種非線性動力學系統，其特色在于信息的分布式存儲和并行協同處理，具有集體運算能力和自適應學習能力，還有很強的容錯性和魯棒性以及聯想憶功能。

    從不同的角度對生物神經系統作不同組織和抽象層次的模擬，到目前為止可以得到不下于40種的神經網絡模型。按網絡結構可分為前饋型網絡和反饋型網絡；按層次可分為神經元層次模型、組合式模型、網絡層次模型、神經系統層次模型、智能型模型。具有代表性的網絡模型有感知器型前饋網絡、BP型前饋網絡、徑向基函數(RBF)網絡、雙向聯想記憶(BAM)模型、Hopfield型反饋網絡等。運用這些網絡可以實現函數逼近、數據聚類、模式分類、優化計算等功能。

    神經網絡中的誤差反向傳播(BP，Back Propagation)神繹網絡，是神經網絡模型中應用最廣泛的一種。BP網絡縣一種多層前饋型神經網絡，從函數逼近功能的角度來看，是典型的全局逼近神經網絡。BP網絡結構由輸入層、隱含層、輸出層構成，其權值的調整采用誤差反向傳播的學習算法，神經元的變換函數一般采用Sigmoid型：

    按照BP算法原理，可以得出建立BP神經網絡的具體步驟如下。

    (1)確定神經網絡結構參數，包括輸入層、隱含層、輸出層神經元個數，學習因子η、慣性因子a誤差允許范圍ε等；

    (2)初始化神經網絡的連接權值；

    (3)輸入Ⅳ個樣本的輸入值和期望輸出值；

    (4)計算樣本隱含層和輸出層各個神經單元的實際輸出；

    (5)計算誤差E，若E≤s，則結束學習；

    (6)對隱含層和輸出層的單元分別計算輸出誤差：

    (7)分別對各層的連接權值進行修正；

    (8)如果己達到訓練次數則結束神經網絡的訓練，否則轉回步驟3.

4、結論

    橋梁健康監測研究涉及振動理論、傳感技術、測試技術、系統辨識理論、信號分析處理、數據通信、計算機、隨機過程和可靠度等多門學科，是一個系統工程。經過多年來的積極探索，人們己經取得了許多成果。但是由于橋梁結構受到許多不確定因素和復雜工作環境的影響，以及對橋梁在使用年限內的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，還存在著如下問題：缺乏有效的傳感器最優布點算法；橋梁的狀態評估缺乏統一有效的綜合指標等。

    因此，目前所取得的成就和研究還處于基礎性探索階段，距離實用性的系統目標尚有較大的差距。需要新的理論突破及現代科技、材料、信息技術、經濟等的進步來促進橋梁健康監測的發展。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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