基于強(qiáng)震動臺陣實(shí)時數(shù)據(jù)的懸索橋結(jié)構(gòu)診斷融合指標(biāo)研究

王立新 朱嘉健

背景

強(qiáng)震動觀測是認(rèn)識地震動特征和各類工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的主要手段，可以為研究強(qiáng)地面運(yùn)動的特性和工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法與技術(shù)、編制地震動參數(shù)區(qū)劃圖和各類結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提供重要的基礎(chǔ)資料。世界各國都非常重視強(qiáng)震動觀測臺網(wǎng)的建設(shè)。自1933年世界上第一個強(qiáng)震動臺站建設(shè)以來，全球用于強(qiáng)震動觀測的儀器數(shù)量現(xiàn)已達(dá)3萬余臺。

我國地震工程界歷來也十分重視強(qiáng)震動觀測工作。自1962年在新豐江大壩上布設(shè)了我國第一個強(qiáng)震動觀測臺站以來，強(qiáng)震動觀測臺網(wǎng)的規(guī)模與密度有了顯著增長。然而，應(yīng)該看到，我國強(qiáng)震動觀測與發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比尚有較大的差距，除臺網(wǎng)密度仍有待提高之外，還突出表現(xiàn)在技術(shù)支撐系統(tǒng)不完備，系統(tǒng)功能還多局限于觸發(fā)式的強(qiáng)震動記錄，在震害快速評估、地震緊急處置、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與診斷等工程服務(wù)方面尚處于起步階段，直接服務(wù)工程和社會的能力亟需提升，這也嚴(yán)重制約著強(qiáng)震動觀測工作的進(jìn)一步開展。

隨著數(shù)字強(qiáng)震儀的投入使用和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使得強(qiáng)震動觀測由原來的觸發(fā)記錄模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時記錄傳輸成為了可能，這也為開展震害快速評估、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷奠定了基礎(chǔ)。但與通常的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)不同的是，強(qiáng)震動臺陣具有測點(diǎn)較少、傳感器類型單一、對實(shí)時性要求較高等特點(diǎn)。強(qiáng)震動臺陣的這些特點(diǎn)對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析及結(jié)構(gòu)診斷方法提出了新的挑戰(zhàn)。理想的分析診斷方法應(yīng)具有抗干擾性強(qiáng)，對傳感器布置依賴程度小，自動化程度高，盡可能減少人工干預(yù)，適合分析海量的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。因此，研發(fā)適用于強(qiáng)震動臺陣的結(jié)構(gòu)分析診斷方法，已成為我國目前已建成的眾多橋梁、建筑和水庫大壩強(qiáng)震動監(jiān)測系統(tǒng)迫切需要解決完善的一個技術(shù)難題。

圖1 主跨1108米的珠江黃埔大橋南汊懸索橋

研究內(nèi)容

本項(xiàng)目主要從實(shí)橋監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和有限元模擬兩方面開展研究。為不失一般性，項(xiàng)目選取了典型懸索橋——珠江黃埔大橋南汊懸索橋作為研究對象。珠江黃埔大橋南汊懸索橋主跨1108m，主梁寬41.69m，橋塔高197m（圖1），于2008年12月建成通車，為當(dāng)時世界同類橋梁最寬、華南地區(qū)跨徑最大的鋼箱梁懸索橋，代表了我國近年來建成的規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜的特大型橋梁工程。廣東省地震局于2009年通車伊始即在該橋上安裝了24通道的實(shí)時強(qiáng)震動監(jiān)測臺陣，至今已積累了大量的連續(xù)監(jiān)測記錄。

項(xiàng)目主要研究內(nèi)容包括：

（1）基于強(qiáng)震動臺陣實(shí)時數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)多特征指標(biāo)提??；

（2）橋梁有限元模型建立及修正；

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)提取

圖3 多指標(biāo)融合診斷技術(shù)流程圖

（3）橋梁數(shù)值模擬及多指標(biāo)融合算法研究；

（4）融合算法和指標(biāo)的實(shí)橋應(yīng)用與檢驗(yàn)。

研究成果

（一）基于實(shí)時數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)融合指標(biāo)提取

一般來說，工程結(jié)構(gòu)的損傷會導(dǎo)致剛度、質(zhì)量及阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，這些參數(shù)的變化信息會隱藏在結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)當(dāng)中。盡管不能直觀地從強(qiáng)震動臺陣實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)中看到結(jié)構(gòu)損傷，但通過特定的分析方法可以從中提取結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)，通過特征指標(biāo)來對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行診斷。

本項(xiàng)目以珠江黃埔大橋?yàn)槔?，從?qiáng)震動實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取模態(tài)頻率、小波包能量、主成分、二次協(xié)方差（CoC）矩陣等多種結(jié)構(gòu)動力特性指標(biāo)。選取的這些指標(biāo)除了可有效反應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之外，還具有計(jì)算過程基本不需人工干預(yù)、適合自動處理等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合海量實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理。圖2是提取的4種橋梁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)示例。

由于實(shí)際工程自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并處于復(fù)雜的運(yùn)營和自然環(huán)境之中，單一的動力特性指標(biāo)往往只對特定的損傷信息敏感，或僅包含有限的信息，僅僅依靠單一指標(biāo)進(jìn)行損傷診斷可能會導(dǎo)致誤判、漏判。因此，本項(xiàng)目的一個突出創(chuàng)新點(diǎn)就是采用信息融合技術(shù)將橋梁結(jié)構(gòu)多個特征指標(biāo)進(jìn)行融合，最終得到一個融合指標(biāo)，以此對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行診斷。

為比較不同融合技術(shù)的優(yōu)劣，本項(xiàng)目采用了加權(quán)平均、貝葉斯理論、D-S證據(jù)等3種融合算法對多指標(biāo)進(jìn)行融合，通過數(shù)值模擬算例來檢驗(yàn)不同算法的適用性，最終得到適合懸索橋強(qiáng)震動臺陣的結(jié)構(gòu)診斷融合算法及指標(biāo)。圖3是所采取的多指標(biāo)融合診斷技術(shù)的流程圖。

（二）橋梁有限元模型建模及模型修正

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與材料參數(shù)，利用大型通用有限元軟件建立了珠江黃埔大橋懸索橋有限元模型（圖4）。為了使模型更接近于實(shí)際結(jié)構(gòu)，根據(jù)強(qiáng)震動臺陣記錄到的環(huán)境振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用模態(tài)識別方法獲取了大橋的各階自振頻率；以這些自振頻率為基準(zhǔn)，對有限元模型進(jìn)行了修正。修正前后模型的各階自振頻率與實(shí)測頻率之間的誤差如圖5所示。由圖5可知，相比于初始模型，修正后模型的各階頻率更接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的自振頻率。因此，修正后的模型能更準(zhǔn)確地反映橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前動力特性。

圖4 珠江黃埔大橋懸索橋有限元模型

圖5 模型修正前后頻率誤差對比

（三）橋梁損傷模擬及損傷模式庫的建立

在修正的有限元模型的基礎(chǔ)上，對大橋模型施加不同的地震激勵。通過計(jì)算橋梁各個部位的應(yīng)力分布情況，來評估大橋的地震易損部位。進(jìn)一步，根據(jù)橋梁易損部位的分析結(jié)果并考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，選擇橋塔、箱梁及懸索多個單元作為代表性損傷單元，進(jìn)行下一步的損傷模擬。對每個單元分別設(shè)計(jì)了5種損傷工況，即單元剛度分別折減10%、20%、30%、40%及50%。根據(jù)上述損傷模式設(shè)計(jì)，對珠江黃埔大橋進(jìn)行了損傷模擬，得到了不同構(gòu)件損傷工況的模擬結(jié)果。

基于上述損傷工況設(shè)計(jì)及相應(yīng)模擬結(jié)果，采取第一部分所述的特征指標(biāo)提取算法，可獲得與各種損傷工況對應(yīng)的一系列橋梁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)及融合指標(biāo)。最后，集合所有模擬的損傷工況及其對應(yīng)的各種橋梁結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)，可建立起一個珠江黃埔大橋懸索橋損傷模式庫。典型的損傷特征指標(biāo)模式樣本如圖6所示。

在地震、撞擊等突發(fā)事件發(fā)生后，通過將實(shí)測得到的橋梁特征指標(biāo)與損傷模式庫中的特征參數(shù)進(jìn)行快速比對，即可對橋梁可能出現(xiàn)的損傷及其位置和程度做出快速評估和診斷，從而為災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)和平時橋梁養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)然，本項(xiàng)目只是開展了初步研究，隨著有限元模型精度的提高和損傷模擬樣本數(shù)量的增多，診斷的準(zhǔn)確度有望進(jìn)一步提升。

成果應(yīng)用

本項(xiàng)目研發(fā)了一套適合懸索橋強(qiáng)震動臺陣的結(jié)構(gòu)診斷融合算法及相應(yīng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時分析，通過融合指標(biāo)對結(jié)構(gòu)損傷做出診斷和報(bào)警。所研發(fā)的算法及指標(biāo)體系在珠江黃埔大橋強(qiáng)震動監(jiān)測系統(tǒng)上進(jìn)行了較長期的應(yīng)用示范?；?016年1月1日至2018年12月31日期間大橋強(qiáng)震動觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了橋梁結(jié)構(gòu)各獨(dú)立特征指標(biāo)及融合指標(biāo)的計(jì)算值，以數(shù)據(jù)庫格式儲存；基于有限元損傷模擬建立了大橋損傷特征指標(biāo)模式數(shù)據(jù)庫，合計(jì)含23688個模式樣本。

圖7是部分時段融合指標(biāo)計(jì)算結(jié)果示例，圖中每個點(diǎn)代表每分鐘計(jì)算得到的融合指標(biāo)值，上下兩條紅線代表根據(jù)長期監(jiān)測結(jié)果得到的95%置信區(qū)間范圍。可見，在正常狀態(tài)下，融合指標(biāo)基本在95%置信區(qū)間內(nèi)波動；一旦指標(biāo)系統(tǒng)性地偏離了這個區(qū)間，代表結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)損傷，可能的損傷位置及程度可結(jié)合損傷模式庫進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

圖6 橋塔單元損傷對應(yīng)的特征指標(biāo)模式樣本示例

圖7 融合指標(biāo)計(jì)算結(jié)果示例

未來展望

本項(xiàng)目研究成果為懸索橋強(qiáng)震動臺陣連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理和結(jié)構(gòu)診斷提供了技術(shù)方法和實(shí)用工具，整個過程不需要人工干預(yù)，非常適合多結(jié)構(gòu)臺陣海量實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理。研究成果使得橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測系統(tǒng)能夠在地震、臺風(fēng)、爆破或撞擊等突發(fā)事件發(fā)生后，快速做出結(jié)構(gòu)損傷評估和警報(bào)，為橋梁方和政府部門的抗震救災(zāi)工作提供決策依據(jù)；在日常狀態(tài)下，可對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測診斷，為橋梁養(yǎng)護(hù)與管理決策提供科學(xué)依據(jù)。成果的投入使用可大大提高強(qiáng)震動臺陣的數(shù)據(jù)利用效率，增強(qiáng)其服務(wù)社會和企業(yè)的能力，促進(jìn)強(qiáng)震動監(jiān)測的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

當(dāng)然，研究成果還存在較大的發(fā)展空間，包括如何更可靠地識別結(jié)構(gòu)損傷，如何更準(zhǔn)確地確定損傷的位置及程度，如何拓展到其他類型的橋梁乃至高層建筑、水庫大壩等更廣泛的工程結(jié)構(gòu)等等，這些問題有待進(jìn)一步的研究和深入探討。