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摘要：模态分析方法是桥梁结构健康检测的主要方法。阐述了现代桥梁检测的现状，讨论传统试验方法和有限元法及新兴的数字图像法的操作过程，其中包括三种方法的优缺点，论述了数字图像法在桥梁工程建设的应用前景。
关键词：桥梁监控体系；模态试验；模态分析；数字图像法
1 引言
改革开放以来，随着经济的快速发展，交通建设也迈上了一个又一个的新台阶，桥梁是交通建设的咽喉，显得更为重要。伴随着现代交通量和荷载越来越大，已建桥梁最初设计的缺陷以及施工工艺的落后已经逐渐地凸显出来了。由于自然环境的侵蚀、材料的老化以及疲劳荷载等因素，加之逐渐增加的交通荷载，使得桥梁的承载能力日益减弱，导致桥梁突发事故时常发生，严重威胁通行的安全[1]。因此，建立起一整套桥梁实时监控体系，提早发现桥梁病害，提前采取措施，定期对桥梁结构损伤进行检修，是非常有必要的。
桥梁实时监控体系主要是按时对桥梁结构进行静载试验和动载试验，根据其试验结果分析结构状态。静载试验关键是对测点应力、应变、挠度等进行测量，将实测值与理论值进行对比，看误差是否超过允许范围。静载试验结果往往不够全面，仅凭静载试验无法真实评价结构安全状态。结合动载试验对结构进行模态参数识别，反映结构整体刚度和结构损伤。模态分析是把线性定常系统振动微分方程组里面的物理坐标转变成为模态坐标，让方程组解耦，成为一组独立方程，以便求出系统的模态参数。模态参数是指频率、振型、阻尼比等。以便于后续对结构系统进行振动特性分析、振动故障诊断与预报以及动力特性优化。目前工程上进行桥梁模态实验主要是基于环境激励的模态测试分析方法，此法简单而且实用。但是这种方法测点少、费时费力、自动化程度很低，逐渐已经不能满足现代化的需要。依靠现代传感技术和通信技术且智能化的数字图像法便得到了许多人的青睐。
2 传统试验方法
传统试验方法是基于环境激励(地脉动、风荷载以及行车荷载等)的模态测试分析的方法。此法需要振动数据采集及分析系统、加速度传感器以及数据处理软件。此系统包含信号调理器、采样控制和通讯硬件、信号分析处理软件和模态分析软件。试验期间应当封桥，禁止车辆通行。
在模态试验之前，应当根据现有的资料建立有限元模型进行分析，初步确定结构振动模态，根据结构振型形态并结合模态试验要求和结构形式，确定传感器布置的合适位置。传感器布置的位置一般选择桥梁结构最大反应位置处，如主跨跨中、边跨跨中等[2]。应当尽量避免在各阶振型的节点位置处布置。然后把传感器和信号采集仪连接起来，再把这两者同电脑连接起来。此过程是首先利用实验测试得到结构受激励后的位移响应时程信息，通过计算得到频响函数与脉冲响应函数然后把传感器和信号采集仪连接起来，再采用参数识别的方法，最后得到模态参数。主要是利用模态分析软件对采集到的测点时程信息进行分析，分析的方法主要有峰值拾取法(PP)、随机子空间法(SSI)、增强频域分解法(EFDD)、小波变换法(WT)等。图1和图2分别表示某次试验采集到两个测点的位移时程信息图。
结构的内部损伤一定会导致结构动力特性的变化，因此在桥梁实时监控体系中，结构的模态参数是非常重要的。将处理分析后得到的模态参数与设计理论值进行对比，分析误差是否在允许范围之内，以此评估结构体系安全。
3 有限元方法
有限元法最早可以追溯到1943年，应用位于三角区域的分片连续函数与最小位能原理来解答扭转问题，此为有限元基本思想的提出。有限元法从本质上讲是一种数值计算的方法，但是它却是为解决工程问题而产生，并且在工程应用中取得突破性的进展。在固体力学中以杆系为单元，利用计算机数值运算解决杆系结构力学问题，这就是矩阵位移法，它为有限元方法提供了基本思路。1960年R.W.Clough将有限元法由航空航天领域引入到土木工程领域[3]。在此后的时间里，利用有限元法解决各种繁杂的工程问题便成了热点问题。有限元技术也取得到了巨大的进展，其中包括从平面力学问题拓展到空间力学问题、从静力学问题拓展到动力学问题和由固体力学问题拓展到流体力学问题等。常用的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、SAP和MIDAS等。
有限元方法在前期桥梁设计中和后期桥梁健康监测中的应用是非常广泛的。首先建立起桥梁结构的有限元模型，主要是分析结构设计是否合理、强度大小和耐久性是否良好等问题。为准确判断出设计过程中不规范的部分和设计相关缺陷问题提供一定的依据。在对已建桥梁的后期健康监测中，有限元方法主要是用来对桥梁结构进行模态分析，得出它的相关动力参数(频率、振型、阻尼比)。将得到的动力参数与设计值进行对比，分析误差是否在规范允许范围之内，以此来作为判断桥梁运营状态的依据。此法虽然方便快捷，但是也存在着一些缺陷。有限元法建立模型的依据往往是相关设计图纸，可是由于施工工艺的不同和各种因素的影响，相关设计参数已经发生了改变。由此导致得出的动力参数与实际情况并不相符，影响对桥梁运营状态的判断。目前的趋势是将有限元方法和上述的传统试验方法结合起来，利用传统试验方法得到的数据对原始有限元模型进行修正与补充。利用修正和补充后的有限元模型进行动力分析，对结构的使用状态进行评价。两者取长补短，相互促进。
4 数字图像法
数字图像法是一种新兴的测量技术，其将目标的图像作为传递和检测的载体。它通过视频采集设备采集目标的振动视频，利用视频分解软件将视频分解成一张一张的图片，再结合Matlab强大的图像处理功能，先对图片进行灰度化处理，然后进行整像素边缘处理和亚像素边缘处理，得到精度更高的图像边缘。通过计算便可得到测点的位移时程信息，导入模态分析软件便可得到模态参数。
近年来，对数字图像法的研究是一个热点领域，大大推动了数字图像法在工程中应用的进程。黄昶等[4]数字图像技术研究了在土地动态监测中应用。任张晨等[5]针对两不等跨连续梁的试验模型，对由视频得到的梁边缘时域信号进行模态分析得到连续梁的前三阶振型和频率。董湘婉等[6]论证了视频图像法实测三等跨连续梁固有频率和振型的可靠性及精确性。黄娟娟[7]论述了数字图像法的基本内容以及在桥梁检测行业的应用及发展。
数字图像法相对于传统试验方法而言，具有很大的优势，在工程行业已经得到了很大的应用。如桥梁变形监测、裂缝宽度检测、模态试验等。但是在检测过程中如何排除自然环境下不利因素的影响，还有待进一步的研究。
5 结语
桥梁建设未来的发展一定是朝着大跨径、高墩柱的方向前进，对前期施工过程中和后期运营维护中的监测系统的要求也越来越高，传统检测法由于其测点少、耗时耗力、自动化程度低等无法克服的缺点已无法满足要求。随着遥感技术和图像处理技术的不断发展，数字图像技术在桥梁建设领域一定能得到更大的推广。
参考文献
[1]吴强强. 桥梁健康监测数据处理方法研究及软件开发 [D]: 华南理工大学，2016.
[2]潘存瑞.基于实测数据的钢-混组合桥梁结构动力特性分析[J].城市道桥与防洪，2018(12): 70-75+12.
[3]龙英,滕召金,赵福水.有限元模态分析现状与发展趋势[J].湖南农机，2009,36(07):27-28+45.
论文作者:肖扬
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/23
标签：桥梁论文; 模态论文; 结构论文; 有限元论文; 方法论文; 参数论文; 数字图像论文; 《基层建设》2019年第20期论文;