試論智能橋梁結構的健康檢測
2015-05-08
隨著檢測技術、計算機技術、電子技術和通訊技術等相關學科的進‘一步深入，橋梁結構健康監(jiān)測技術正朝著智能化發(fā)展。智能橋梁結構健康監(jiān)測的研究，符合人們希望通過迅速發(fā)展中的工程檢測、通訊、控制與計算機技術，對采用新技術、新材料、新工藝的新型橋梁結構實施檢測和指導養(yǎng)護管理的目的。橋梁結構健康監(jiān)測是一個復雜的系統(tǒng)，它包括橋梁結構關鍵部位的測試數(shù)據的現(xiàn)場采集、數(shù)據與指令的遠程傳輸、數(shù)據儲存與處理、結構安全狀態(tài)的評估與預警等。這些齊全的功能特性，使得橋梁結構健康監(jiān)測不僅僅能夠對橋梁結構的安全狀態(tài)進行監(jiān)控與評估，它還可能成為橋梁結構研究的“真實試驗室”，即通過其在橋梁運營中所獲得的結構及環(huán)境信息，不僅為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導，還為橋梁的理論研究與試驗、提供最真實的第一手信息，獲得實際橋梁結構全面的動、靜力性能，加深人們對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實行為的理解，從而驗證大橋的理論模型、結構設計、計算假定，指導橋梁結構設計方法、施工工藝與相應的規(guī)范標準等的改進。因此橋梁結構健康監(jiān)測的研究和發(fā)展，不僅對橋梁建設、管理具有現(xiàn)實意義，而且更將可能對橋梁設計與研究、特別是將來實現(xiàn)“智能公路、鐵路系統(tǒng)”等產生深遠的影響。
智能橋梁結構概述
智能橋梁結構的含義
智能橋梁結構是指將智能材料嵌入橋梁結構中，能使橋梁結構感知和處理信息，并執(zhí)行處理結果，使橋梁結構具有自監(jiān)測、自診斷、自適應和自修復等仿生功能，確保橋梁結構在外部環(huán)境和車輛荷載的作用下安全可靠。
2.、智能橋梁結構的特點
(1)具有感知與驅動性能的材料經過復合和仿生設計形成傳感器與驅動器，并布
設于橋梁結構中;
(2)對智能感知材料、驅動材料和智能器件進行集成，形成類似于生物體的智能
結構;
(3)以處理和控制為中心，對感知的信息進行處理，產生決策，控制驅動材料去
執(zhí)行。
綜上所述，智能橋梁結構就是把目前廣泛使用的離線、被動、靜態(tài)的檢測變?yōu)樵诰€、動態(tài)和實時的監(jiān)測，并根據感知信息去分析、判斷，控制驅動器，使橋梁結構的各方面性能得到改善，這是減災防災的思路產生質的飛躍，是實現(xiàn)橋梁結構設計思想的一場革命。
二、我國智能橋梁結構健康檢測方法
橋梁結構健康監(jiān)測就是要發(fā)展一種最小人工干預的在線、實時、連續(xù)的結構健康監(jiān)測、檢查與安全評估系統(tǒng)，是根據結構在同一位置上不同的測量結果的變化來識別結構的狀態(tài)，它與傳統(tǒng)的無損檢測技術不同，通常傳統(tǒng)的無損檢測技術是直接測量結構的物理狀態(tài)，無需結構的歷史狀態(tài)，診斷結果很大程度上依靠測量設備的分辨率和精度，而橋梁結構健康監(jiān)測是在同一位置上不同時間的測量結構的變化來識別結構的狀態(tài)，因此歷史數(shù)據至關重要，識別的精度強烈依賴于傳感器和解釋算法。正是由于橋梁結構健康監(jiān)測的上述特點，因此，要求橋梁結構健康監(jiān)測評估目標是根據獲得的大量信息，科學地、客觀地評價結構的安全性、耐久性和正常使用性，以給橋梁的管理和維護提供依據，為了實現(xiàn)這一目標，必須用監(jiān)測到的環(huán)境信息與結構反應對大橋的結構狀態(tài)進行識別和評價，即利用測得的大橋結構特性，如應變、位移、加速度等，對橋梁結構健康狀況進行評估。橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)作為一門多學科交叉的綜合體系，其理論覆蓋到多門學科的綜合體系，從國內外的研究來看，目前普遍采用的集系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術、信號采集分析的試驗模態(tài)分析方法—整體法，山于橋梁結構復雜、體積龐大、材料的不均勻、冗余度大等特點，難以確定損傷是否發(fā)生、損傷的位置和損傷程度等問題。隨著現(xiàn)代傳感和通信技術的發(fā)展，傳感器越來越便宜和實用，把傳感器布設在橋梁結構的各個最不利位置成為可能，從而為橋梁結構監(jiān)測的局部法增加了新的活力。橋梁結構監(jiān)測的局部法，就是把測試傳感器布置在結構最不利構件上，根據測試值和結構安全評價指標進行比較完成橋梁結構的安全性判斷。因此這個安全評價指標的設定就顯得非常重要，如果把安全評價指標取為規(guī)范值，測試值往往遠遠小于安全評價指標，對實際橋梁結構安全預警沒有意義;如果采用大型橋梁結構有限元程序進行計算，就必須知道作用在結構上的荷載和環(huán)境參數(shù)(如溫度、濕度等)，雖然我們能用有限元程序計算出荷載產生的結構反應，但是，橋梁結構的影響涉及到溫度在整個橋梁結構上的分布情況，如果要通過理論計算得到結構的變形，那么首先必須搞清溫度在全結構上的分布和在具體每一個截面上的分布狀況，事實上，橋梁結構在24小時之內溫度的分布是動態(tài)的、持續(xù)變化的，且結構變形經常不是對稱的，山此要搞清溫度在全結構上的分布和在每一個截面上的具體分布近乎不可能，這種溫度與變形和應變的復雜關系往往無法用理論計算來精確給出。如何建立溫度值和橋梁結構反應的關系模型，建立橋梁安全評價指標就顯得非常重要了，我們知道人工神經網絡是一門嶄新的信息處理學科，是一個高度復雜的非線性動力學系統(tǒng)，它具有大規(guī)模并行、分布式存儲和處理、自組織、自適應和自學習能力，特別適用于需要同時考慮許多因素和條件的、不精確和模糊的信息處理問題。由于人工神經網絡強大的非線性映射能力、容錯能力和魯棒性優(yōu)勢，使得人工神經網絡在多種交叉學科中得到廣泛應用。
