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橋梁健康檢測與健康監(jiān)測的區(qū)別
更新時間：2021-04-10 17:51
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　1、橋梁健康檢測

　　1.1 傳統(tǒng)橋梁檢測

　　我國現代橋梁建設起步較晚，橋梁檢測亦落后于發(fā)達國家。目前，橋梁檢測的工程實踐大多數仍屬傳統(tǒng)意義上的橋梁檢測，即利用一些常規(guī)設備在現場針對橋梁結構的材料缺損等狀況作一定量的數據采集，然后對數據進行處理分析，得出橋梁的損傷狀況。就鋼筋混凝土橋梁而言，傳統(tǒng)意義上的檢測內容包括：外觀變異情況檢測，如過大的變形；混凝土等材料品性檢測，如混凝土的裂縫、碳化等；通過靜載、動載試驗獲得橋梁在試驗條件下的結構行為等。經過眾多的工程實踐，人們開始意識到，傳統(tǒng)意義上的橋梁檢測存在著許多缺陷，如監(jiān)測數據的采集具有很大的人為因素和片面性，后期數據的處理分析融合困難，檢測結果的評價缺乏可比性等。

　　1.2 橋梁健康檢測的定義

　　橋梁健康檢測是指運用現代的傳感與通信技術，適時地采集橋梁的工作參數，由計算機利用健康檢測智能系統(tǒng)對工作參數進行識別、加工和分析， 給出橋梁的健康狀況或損傷狀況，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導，并為橋梁設計理論的發(fā)展提供足尺寸真實構件、真實環(huán)境的長期設計驗證。

　　1.3 健康檢測與傳統(tǒng)檢測區(qū)別：橋梁健康檢測與傳統(tǒng)檢測之間有聯(lián)系，更有區(qū)別，主要體現在以下幾個方面。

　　（1）檢測目的。傳統(tǒng)橋梁檢測往往僅是為了確定橋梁的損傷狀況，一定程度上對橋梁的繼續(xù)工作能力提出評價。橋梁健康檢測在傳統(tǒng)檢測的基礎上，利用健康檢測智能系統(tǒng)中的數字化參數積累，對當前的橋梁設計理論提供長期的、及時的由足尺寸真實構件在真實環(huán)境下結構響應為基礎的設計驗證，為橋梁理論研究提供低成本高效率的“試驗”支持。以橋梁健康檢測作為設計的驗證具有前所未有的優(yōu)越性，相對模型試驗而言，省去了模型制作費用，成本低、足尺寸、實際環(huán)境、實際載荷，效果真實；數據的采集具有長期性，只要橋梁“健在”，數據可以長期收集，這是以往在實驗室條件無法企及的。因此，橋梁健康檢測是工程檢測的一個分支，已是一門具有廣闊發(fā)展前景的新學科。

　?。?）實現手段。傳統(tǒng)橋梁檢測的手段雖然有很大發(fā)展并且日趨成熟，但對這些手段的應用往往是孤立的、被動的。橋梁健康檢測的手段雖然大多源于傳統(tǒng)檢測手段，但通過傳感與通信技術的運用已經對其賦予了新的內容。橋梁健康檢測智能系統(tǒng)像人的神經系統(tǒng)將人體各部分協(xié)調起來一樣，將各種檢測手段通過計算機系統(tǒng)有機地組合在一起，利用內部數據庫和信號軟件接口實現參數的采集和存放，并借助于現代通信寬帶的不斷拓寬和高速高容量的計算機系統(tǒng)實現異地數據采集，便捷、準確、安全。

　?。?）發(fā)展趨勢。橋梁健康檢測取代傳統(tǒng)橋梁檢測已是大勢所趨。橋梁健康檢測可以為業(yè)主提供更加準確和全面的檢測評定，為設計人員提供前所未有的設計驗證資料和理論研究依據。未來以計算機和通信等高科技為載體的橋梁健康檢測必將具有更高層次的發(fā)展和更廣闊的應用前景。

　　2、無損檢測技術

　　無損檢測技術是指在不影響結構或構件性能的前提下，通過測定某些適當的物理量判斷結構或構件性能的檢測方法。它是多學科緊密結合的高技術產物，現代材料學和應用物理學的發(fā)展為無損檢測技術奠定了理論基礎，現代電子技術和計算機科學的發(fā)展為其提供了現代化的測試工具。

　　隨著橋梁技術的飛速發(fā)展，對既有結構損傷的評定，越來越依賴于儀器對結構進行檢測。無損檢測主要用于結構安全直接有關的宏觀力學性能和宏觀缺陷的測試，在橋梁工程中的應用，與下面幾個方面緊密相關：

　?。?）橋梁自身材料和結構方面的特性；

　?。?） 合理選取反映橋梁整體或局部的某些性能的物理量，確定相互間的函數關系；

　　（3）檢測方法的改進和檢測儀器的更新。

　　無損檢測技術在橋梁檢測中的應用總體上可以概括為基于整體的結構狀況識別和基于局部的構件損傷識別。橋梁是一個由多種材料、不同結構組合而成的大型綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)各個成分的重要性、應力狀態(tài)、易損性不一，剛度、動力特性也相差甚遠，所以造成橋梁檢測的范圍十分廣泛、復雜，如何對如此眾多的檢測項目進行合理分類，是值得研究的問題。對此，一些學者已經進行了大量有益的研究和探索，提出了神經網絡法、層次分析法等作為分類標準進行探討。

　　目前常見的無損檢測技術有：

　　（1）目檢，簡單方便且可靠；

　?。?）利用回彈檢測混凝土強度及表面硬度；

　?。?）利用超聲波檢測混凝土的強度和裂縫深度；

　　（4）聲發(fā)射法，又稱AE法，它利用混凝土的“發(fā)聲”特點確定混凝土的結構整體性，主要用于檢測單個裂縫的位置、大小、方向和開裂形式，AE聲發(fā)射法儀器較昂貴，檢測時會產生較大的噪音，另外，操作對專業(yè)要求較高，檢測數據需專業(yè)人員進行分析；

　?。?）沖擊回音法；

　?。?）紅外線法；

　?。?）熱相儀成像法；

　?。?）透地雷達，用于檢測管道管線。

　　除此之外，還有很多較為新興的技術被引入健康檢測中，如光纖傳感法、磁泄漏法、磁粒子法、磁場攝動、層析探測法、腐蝕作用試驗、混凝土碳化測量等。值得注意的是，混凝土碳化測驗經常與回彈儀測混凝土強度聯(lián)合使用，因為混凝土使用時間較長時，會產生碳化現象，從而使混凝土變得較硬，導致回彈儀測得的強度數據不準確，所以需要同時測量混凝土的碳化程度，從而對回彈儀測得的強度值進行修正。

　　3、橋梁結構的健康監(jiān)測

　　3.1 健康監(jiān)測的定義

　　狹義的橋梁健康監(jiān)測利用結構現場測試信息，識別結構的整體性和損傷狀況，既是結構在運營中進行的監(jiān)測，同時也是全局性測試。損傷識別主要包括四個層次，即損傷是否發(fā)生、損傷位置、損傷程度及損傷的影響。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及結構、計算機、通訊、試驗測量等多個領域和學科，已成為當前國內外橋梁學術界和工程界的研究熱點，并且已經取得了一定研究成果。但是，由于橋梁結構受到許多不確定性因素和復雜工作環(huán)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，目前所取得成就和研究還處于基礎性探索階段，還亟需廣大橋梁工作者和研究人員的不斷努力和探索。特別是長期觀測的智能控制研究，使得橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟新的空間。

　　3.2 健康監(jiān)測的研究動態(tài)

　　3.2.1 健康監(jiān)測的研究方向

　　健康監(jiān)測的研究主要體現在以下五個方向：

　?。?）基于振動的損傷識別；

　?。?）結構指紋及變異性；

　　（3）系統(tǒng)識別；

　?。?）監(jiān)測測點的優(yōu)化布置；

　　（5）海量數據流的處理。

　　3.2.2 理論發(fā)展

　?。?）基于振動的損傷識別

　　近現代以來，基于振動的損傷識別方法最早被應用于航天、機械等領域，而橋梁結構因其振動測量比較容易實現，得到了廣泛的應用，可以用下圖表述。
　　

　　常用損傷識別方法有：指紋識別和模式識別方法、廣義系統(tǒng)識別方法和神經網絡法。

　　1）指紋特征參數可以建立如下所示的一種系統(tǒng)：

　　

　　其本質是將結構特征的分離，但實際運用依然存在很大的難度。

　　2）神經網絡方法可以用下圖所示的網絡加以表述：

　　

　　3）模型修正與系統(tǒng)識別方法的網絡示意圖可表述為：

　　

　　由圖中可以得知，模型修正實際上是一個迭代修正以使模型逐漸接近于實際結構的過程，即不斷地修正結構模型使輸出誤差控制在一定的范圍之內。模型修正與系統(tǒng)識別方法無需損傷模式的先驗知識，系統(tǒng)識別的結果較容易進行分析，修正后的模型具有多種用途，優(yōu)勢明顯。

　　基于振動的損傷識別主要用于結構的狀態(tài)識別、損傷診斷、動力響應分析、結構應力分析、結構承載力分析、結構控制決策等方面。其局限性主要表現在：①結構與環(huán)境中的不確定因素和非結構因素的影響；②測量信息設備不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲的影響；④橋梁結構的贅余度大，由測量信號分析的參數對結構損傷不敏感。

　?。?）結構指紋及變異性

　　長期以來，人們致力于研究對結構指紋特征的描述方法，目前提出的方法包括：振動模態(tài)參數（阻尼 、振型、自振頻率等）法；模態(tài)置信因子法；柔度矩陣法；曲率模態(tài)差、應變模態(tài)差法；基于波形識別的指標等。影響其變異性的因素有很多，如環(huán)境（溫度、風）、交通、模態(tài)參數（頻率、振型、阻尼等）。

　?。?）系統(tǒng)識別（SI）

　　系統(tǒng)識別有頻域和時域兩種方法，其中，頻域方法主要為FFT-BASED譜分析技術；時域方法則包括IBRAHIM時域法、隨機減量法、時間序列法、特征系統(tǒng)實現算法、隨即實現算法、隨機與空間識別法等方法。系統(tǒng)識別則具有OUTPUT-ONLY（只輸出）、低頻、密模、小阻尼、測點少等特點。

　　3.2.3 技術動態(tài)

　　目前，在橋梁健康監(jiān)測領域中出現了很多新的技術動態(tài)，引入了很多新的技術和思想，如在數據采集與信號處理方面，傳感技術和數據傳輸技術有很多新的進展；微電機系統(tǒng)領域里，LAMB波、LOVE波、RAYLEIGH波的應用對加速度、速度、沖擊作用、裂縫探測形成于蔓延、鋼筋腐蝕等的測量與檢測影響巨大；此外，如光纖光柵傳感器、攝影測量、GPS的應用也對健康監(jiān)測學科的進一步發(fā)展貢獻著自己的力量。

　　3.3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

　　橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)最早的應用見于1987年英國的FOYLE橋，迄今已有百年多的歷史。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計必須遵循功能要求和效益—成本分析兩大準則。其目的和功能主要表現在結構監(jiān)測與狀態(tài)評估、橋梁結構設計驗證和橋梁結構研究與發(fā)展等幾個方面。一般來說，一個完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

　　（1）傳感系統(tǒng)：用于將待測物理量轉化為電信號，起著一個轉換器的作用。

　?。?） 數據采集系統(tǒng)：安裝于橋梁結構中，采集結構各性能參數的系統(tǒng)設備及元件。如：采集位移變化的位移計，采集應變應力的應變計，測試結構及周圍環(huán)境的溫度計，采集結構靜態(tài)參數的靜態(tài)數據采集儀等等。

　?。?） 數據通信與傳輸系統(tǒng)：主要將采集到的數據參數通過傳輸設備傳到監(jiān)測中心。

　?。?）數據分析處理系統(tǒng)：對接收到的數據應用相關理論或軟件進行分析處理。

　?。?）報警系統(tǒng)：以數據分析結果為主，參照橋梁設計指標和結構設計規(guī)范，對結構各項性能指標進行分析，評估結構工作性能狀況并進行預警。對于預警系統(tǒng)的研究目前還處于初級階段。

　　4、橋梁監(jiān)測與狀態(tài)評估的發(fā)展方向

　　橋梁監(jiān)測與狀態(tài)評估領域未來的發(fā)展方向主要體現在以下幾個方面：

　?。?）索支撐橋梁主纜、拉索的無損檢測技術；

　?。?）橋梁結構材料的疲勞與耐久性監(jiān)測；

　　（3）橋梁的整體性與損傷識別；

　?。?）橋梁結構的劣化模型；

　?。?）自動在運系統(tǒng)的識別方法；

　?。?）數據流的分類、剔除與開采。

　　橋梁健康檢測和監(jiān)測對橋梁工程具有深遠的意義，已經作為一門學科活躍在橋梁工程界的歷史舞臺上。隨著它在大量工程實踐中的不斷應用，該學科將會得到不斷的完善和提高，為橋梁工程的發(fā)展做出更大的貢獻。
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