Review on Bridge Damage Identification Technology
With the increase of the service life of bridges, there may be a certain degree of damage, which has a negative impact on the safety of driving and personnel. This paper first introduces the causes of bridge structural damage and the technology of bridge fault detection and identification, then analyzes the bridge damage identification technology based on static and dynamic testing and intelligent algorithm, summarizes the research status of bridge damage analysis, and finally discusses the difficulties faced by bridge damage technology and the future development trend. Through continuous improvement and optimization, we can achieve faster, more accurate and more convenient damage detection of various bridge structures, which provides important support for maintaining bridge safety.
Bridge
桥梁作为交通系统的重要组成部分,随着我国桥梁技术的不断发展,给人们的出行带来了极大的便利。我国目前的桥梁总数已经达到100万座,这一数量已经达到世界第一。由于自然因素(如地震、风灾、水流冲刷等)和人为因素(如超载、疲劳损伤、设计施工缺陷等)的影响,桥梁结构损伤问题日益凸显。建造时间过久的桥梁结构可能会发生损伤,当损伤达到一定阶段,就可能会引起一系列安全事故
桥梁结构损伤是其在运营过程中不断承受外部荷载使其力学性能不断下降,最终导致结构破坏的过程。桥梁损伤的原因有以下几种:
施工水平和材料的影响:在桥梁建设过程中,如果施工水平不高或使用的材料强度不够,会导致桥梁承载能力达不到国家相关标准,进而产生损伤。
自然环境因素:桥梁在日晒雨淋中基础遭到破坏,进而失稳。有害气体的侵蚀也会造成桥梁损伤。
桥下排水能力差:如果桥下排水能力差,会导致桥梁建筑受到危害。
交通运输发展迅速:随着交通运输发展迅速,重载超载车辆增大,超出旧桥梁的承载能力范围内,加剧桥梁的老化,导致不同程度的损害。
结构先天不足:在设计和施工中,结构本身可能存在缺陷,导致在后期的运营和使用中,结构受力不合理而出现损伤和破坏。
维护保养不当:桥梁需要定期进行维护保养,如果维护保养不当,会导致桥梁结构的损伤和破坏。
综上所述,桥梁结构损伤的原因是多方面的,包括施工水平、材料质量、自然环境、交通运输发展、结构设计等因素的影响。因此,在桥梁建设和维护过程中,需要综合考虑各种因素,采取相应的措施来预防和维护桥梁结构的安全和稳定。桥梁健康监测在监控和评估结构状态、验证设计理论、改进设计规范三方面具有重要作用。
目前,桥梁结构的健康检测主要分为两类:整体法和局部法。其中整体法是对结构整体状态的检测和评估,确定出损伤的区域;局部法则是通过无损检测技术,对结构的特定部位进行精确检测
基于静力测试的拉索损伤识别是指结构在静力作用下,以位移、应变、转角等静力响应作为损伤识别的参数,通过参数的变化反分析结构的损伤。静力测试精度较高,理论较为完善,在实际中被广泛应用。
张家弟
Banan等
杜永峰
何伟,陈淮等
Abdo
综上所述,基于静力测试的损伤识别虽然具有较为成熟的理论与方法,精度也较高,但仍然存在不足,影响该方法的进一步发展与应用。一方面,静力测试通常只能提供位移和应变等有限的测量信息,相对于动态测试而言,这些信息量较少,可能导致难以得到理想的识别结果;另一方面其测试复杂,往往需要封闭交通,不经济且在识别上具有一定的局限性。
结构的动力测试是指与结构动力特征相关的属性,如频率、振型、阻尼、曲率模态、应变模态等等。结构的动力指纹只与其自身结构有关,是结构的固有特性,结构的任何变化都会引起其动力指纹的变化,故结构的损伤会引起其动力特征的改变。常见的动力指纹有结构的振型,频响函数,固有频率,曲率,柔度等。
莫淑华等
徐飞鸿等
孙海蛟
Zhao等
唐国源等
综上所述,虽然动力指标可以直接进行结构的损伤识别,在数值模拟方面对损伤有着较好的识别效果,但其也存在一定的局限性。第一,在实际工程中,由于各种环境等影响,频率对损伤的敏感性并不强,使得使用该方法在损伤识别时受限;第二,在损伤识别时往往需要无损伤时的动力特性作为基准,对损伤识别造成一定的影响;第三,实测数据受噪声的影响较大,对于提高动力指标的抗噪性方面仍需进一步研究;第四,在实际工程中,高阶振型往往不易获取,这给使用振型、曲率等方法造成干扰,使得其较难应用于大型机复杂的结构。
Zheng等
Guo等
耿超
李帛书
项长生等
随着机器学习与人工智能的不断发展,基于智能算法的损伤识别方法也得到了前所未有的发展,且其识别也更为准确,具有较高抗噪性,但是仍然存在一定不足。第一,神经网络的识别精度受训练样本的影响较大,一旦训练样本不好便会造成较大误差,具有较大的不确定性;第二,对于神经网络的训练往往需要大量的训练样本,而在实际工程中较难获得大量准确样本,其在实际工程中应用仍较少。
随着损伤识别理论和各种监测设备的不断发展,结构损伤识别的精度也在不断提高,不断地引入新的技术以解决传统方法的不足,但无论是基于动力参数的还是基于机器学习的,还是各种方法进行结合来进行损伤识别,总有一定的局限性。影响损伤识别的因素有很多,都可能对我们的损伤识别一定的困扰,因此我们需要不断的更新方法等以达到较好的识别效果。
每年有大量学者对桥梁损伤识别进行研究,但现如今再该领域仍然有需要提高的地方。桥梁损伤识别的未来研究趋势将主要围绕提高识别准确性、实现早期损伤预警、以及应对复杂环境和结构变化展开,下面是给出的一些可能的对策与建议。
(1) 多体系、多层次的损伤识别方法。结合桥梁工程的全过程信息(施工监控、荷载试验、健康监测和人工巡检等),建立多体系、多层次的损伤识别方法。这种方法将实现局部与整体、静力与动力的综合考量,提高损伤识别的全面性和准确性。
(2) 环境激励下的结构损伤识别。考虑环境参数变化对结构损伤识别的影响,研究在环境激励下如何有效识别桥梁损伤。这包括研究试验参数变化、环境噪声等因素对损伤识别的影响,并寻找相应的解决策略。
(3) 健康监测设计与开发的统一标准和规程。制定桥梁健康监测与损伤识别的统一标准和规程,确保监测系统的可靠性、稳定性和一致性。这将有助于实现桥梁损伤的早期预警和准确诊断,降低安全风险。
(4) 结构非线性的分析方法。考虑桥梁结构的非线性特性,研究非线性分析方法在损伤识别中的应用。这包括研究结构在损伤状态下的非线性响应特征,以及如何通过非线性分析来准确识别和评估损伤。
(5) 无损检测技术的创新。探索新的无损检测技术,如远红外热成像系统、地面渗透雷达等,以实现桥梁损伤的快速、准确识别。这些技术将提供更为丰富的检测数据和信息,有助于更全面地了解桥梁的结构健康状况。
本文首先对桥梁损伤的原因进行分类讨论,介绍了现今常用的拉索损伤检测方法,随后分别从静动力检测方法、智能算法对结构损伤识别方法在国内外的研究进展进行了综述。基于智能算法的损伤识别研究是现在比较热门的研究方向,其余传统的基于频率,振型,模态曲率等方法的结合进行损伤识别是现在常用的损伤识别方法,对未来研究具有良好的发展前景和应用价值。
虽然桥梁的损伤识别已经进行了很多的理论研究,各种方法也不断地被提出,但在实际的应用中仍然存在许多的问题。因此,在桥梁损伤识别领域仍然有很长的路要走,这需要把多学科领域的技术与方法相结合来应用,为桥梁损伤识别领域发展提供强有力的保障。