一、研究現狀（zhuàng）

在橋梁（liáng）健康監測係統中（zhōng），無論是交通控製還（hái）是損（sǔn）傷檢測，數（shù）據分析是最（zuì）關鍵也是最難（nán）的部分，數據分（fèn）析就（jiù）象一個人的思維，健康（kāng）監測係統如（rú）果沒有思維分析能力，也（yě）就沒有（yǒu）任何存在（zài）的價值。

①國外研究曆程

早在第二次世界大戰（zhàn）以前，人們就考慮到橋梁的（de）修複和檢測，但是（shì）沒有形成好的標準和係（xì）統的規程（chéng）。由於不斷發生橋梁的（de）失效和倒塌事故，五十年代開始，美國（guó）和其它一些國家建立（lì）了橋梁檢（jiǎn）測的一些標準，於是產生了第一代的橋梁安全檢測。1967 年 12 月，俄亥俄河上的一座主（zhǔ）要橋梁倒塌，導致（zhì） 46 人喪生，這（zhè）使得橋梁安全檢測發生了（le）重大發（fā）展。1971 年，美國製定了（le）國（guó）家橋梁檢測標準（NBIS），提供檢測方法的細節、檢測時間間隔和檢測人員資格的統（tǒng）一的（de）指導。根據 NBIS，當橋梁剛建（jiàn）成或橋梁（liáng）的結構形態改變（biàn）的時候，要進行驗收檢測。每（měi）兩年要進行一（yī）次確定橋梁物理和功能狀態的例行檢（jiǎn）測。以及在其它特殊情況下進（jìn）行損傷檢（jiǎn）測、深入檢測和臨時檢測等。

1991 年，Abdel-Ghaffar 提出了利用橋梁的（de）動態響應來進行結（jié）構健康監測的係（xì）統框圖。包括有儀器的設計方案和係（xì）統的辯識流程等。該文獻強調了對結構的地震、風等輸入（rù）荷載進行量測的（de）重要性。

1993 年夏，美國新墨西（xī）哥（gē）州立大學和其它兩個實驗室對一座即將廢棄的橋梁（The 1-40 Bridge over the Rio Grande）進行了一係列實橋（qiáo）試驗，以便為橋梁健康監測算法的研究提供一個數據庫（Mayes 1995）。

1995 年，Westermo 介紹了一個安裝在美國的 Savannah River Bridge 三跨連續鋼梁上的一個簡單的僅僅測量應變的監測（cè）係統。目的是為了（le）了解重卡車通（tōng）過時橋梁的傾斜和應力。該（gāi）文獻還介紹了一個（gè）設計中的全（quán）自動的舊礦業監測係統。“APPA Bridge Monitoring Projcct”，同時監（jiān）測十座鋼橋和混凝土（tǔ）橋，每座橋（qiáo）都（dōu）有一個自動的監測係統，包括一個嵌入式微處理器，聯接信號（hào）調製器（qì）的雙絞線網絡（luò），通過蜂窩電話的 fax/pager/mode 接口和備用光電池組（zǔ）等。

Griffiths R W (Griffiths 1995)認為，由於沒有通過應變（biàn）、位移數據來評估橋梁完（wán）整性的靜態模型，所以建議用動態（tài）方法來確定結構（gòu）的健康狀態。他認為（wéi）監測的目的應包括設計驗證、材（cái）料（liào）的完整（zhěng）性、環境和偶然事件影響等。應結合靜態和（hé）動態分析，來實（shí）現橋梁（liáng）的局部和整體的完整（zhěng）性測試。他們已經將光纖傳感器安裝到多座橋（qiáo）梁上。加拿大的 Measures. R.M. Alavie. A.T.Maaskant.R 等在 1993 年將光纖傳感器預裝到一座碳（tàn）纖維預應力混凝土公（gōng）路橋（The Beddington Trail Bridge in the eity of Calgrav）上，橋梁開（kāi）通後連續監測了八個月，測（cè）量了砼內部的整體（tǐ）分（fèn）布應變。

土木工程中的發展重點已經從材料屬性轉移到結構的完整性和耐久（jiǔ）性的研究上（Bungey 1994）。對結構完整性（xìng）的分析（xī）通常是進（jìn）行動（dòng）力響應試（shì）驗（yàn），通（tōng）過測量關鍵點的加速（sù）度進行模態分析從而（ér）建立結構（gòu）的動力特征。對預應力混凝土橋梁的長期監測（cè）現在主要是將應變計預裝在混凝土（tǔ）中，以評估性能、優化設計。 至今，圍繞橋梁（liáng）結構的整體性（xìng）監測尚處於方興未（wèi）艾的階段。

②國內（nèi）研（yán）究曆程

在這一方麵，我國起步（bù）較（jiào）慢。但近年來，經過一些高等（děng）院校、科研單位和社會企業的共同努力，我國的橋梁健康監測（cè）發展也很迅速，已（yǐ）初步具備產業化的（de）能力。自 20 世紀 90 年代以（yǐ）來，在一些大型橋梁上安裝了不同規模的健康監測係統。 在上海徐浦（pǔ）大橋上安（ān）裝的帶有研究性（xìng）質的結構狀態（tài）監測係統，其目的是（shì）為了摸索大型橋梁健康監測的經驗。監測（cè）內容包括車輛荷載（zǎi）、中跨主（zhǔ）梁的標高和自振特性，以及跨中截麵的溫度和應變、斜拉索的索力和振動水平。 在江陰長江公路大（dà）橋上安裝的健康監測係統，主要監測加勁（jìn）梁的位移、吊索索（suǒ）力、錨（máo）跨主纜（lǎn）索股索力以及主纜、加勁梁、吊索的振（zhèn）動加速度等。

在南京長江大橋上安裝的健康監測係統，主（zhǔ）要（yào）進行溫度、風速風向、地（dì）震（zhèn）及船舶撞擊、墩位沉降，以及恒載幾何線形、結構振動、主桁杆件應力、支座位移等監（jiān）測。

在 1997 年完工（gōng）的香（xiāng）港 Tsing Ma 大橋和 Kap Shui Mun 大橋上，安裝有一套較為複雜的橋梁健康監測係統。Tsing Ma 大橋當時為世（shì）界（jiè）第二長懸（xuán）索橋，第一長公路鐵路兩用型懸索橋，將承受巨大的交通荷載和（hé）強烈的風荷載。該監（jiān）測係統的硬件部分（包括（kuò）傳感器係統（tǒng）、數據采集、數據傳輸、數據管理等）非常完善，但其（qí）數據分析部分相對（duì）簡單（dān），隻分析風荷載、結構的靜動態荷載及（jí）響應。未利用（yòng）采集數據來分析橋梁（liáng）的真正（zhèng）健康狀態，比如（rú）損傷分析、剩餘壽命預測、交通控製和維修（xiū）管養決策等。該橋梁的數據分析決策係（xì）統現仍處於研究發展中。

東（dōng）南大學結構健康監測研（yán）究所從 2002 年（nián）開始開展潤揚長江大橋健康監測評估（gū）係（xì）統的研發。結構健康監測係統除了對大橋車（chē）輛荷載狀況(車載、車速及車流量)、橋址處的氣候（hòu）環境(風速、風向)、地動脈、索塔（tǎ）沉降等進行監（jiān）測之外，還對於南汊懸索橋和（hé）北汊（chà）斜拉橋針對結構形式確定項目，進行連續監測。國內裝（zhuāng）有健康監測係統的橋梁還（hái）有虎門大橋等。

浙江大學橋梁健康監測研究中心基於文暉大橋建（jiàn）立的（de）大型橋梁健康監（jiān）測與評估管理係統，是一種（zhǒng）基於內在環境振動響應監測和數據分析、損傷識別技術和外部的橋梁調查檢測相結合的先進的計算機監測與管理係（xì）統。它突破了傳統的僅靠目測和外觀檢測的結（jié）構養（yǎng）護管理模式，能有效地提高大型橋梁工程（chéng）結構的運營養護（hù）水平和（hé）效率，有助於保障結構及行車的安全。

但總體而言，我國的橋梁結構（gòu）健康監測與安全評價技（jì）術還與國際水平（píng）存在差距，主要體現在以下方麵：模仿（fǎng）國外技術多，自（zì）主創新（xīn）少；利用傳統（tǒng）方法設備進行簡單組合應用的多，針對實際橋梁需求自主開發技術與設備的少；針（zhēn）對單（dān）一橋（qiáo）梁（liáng）特定對象研究的多，研究不同種類橋梁的共性技術以及集群係統的少；橋梁安全評價的純理論性研究多（duō），麵向用戶的實用化評價體係方（fāng）法及軟件少。

③製約（yuē）因素

橋梁遠程（chéng）監測評價體（tǐ）係對保證（zhèng）係統的順利實施將起到關鍵作用。然而以下因素（sù）製約著本研究的發（fā）展：

第一，橋梁（liáng）的結構不確定性因素和複雜的工作環境（jìng）對結構模態響應的靈（líng）敏性造成了不利的影響，導致了目前橋梁整體監測的許多困難；第二，對橋梁在使用年限內工作特（tè）性的變化缺乏全麵深（shēn）入的研究，難以建立客（kè）觀統一（yī）的橋梁狀態評估標準，所以整個技術的成功開發乃至係統（tǒng）目標的（de）最終實現有賴於今（jīn）後更（gèng）好地結合橋梁的自身特性及（jí）工作環境（jìng）討論問題，這主要體現在如下幾點：

1)首先橋梁作為一個由（yóu）多種材料、不同結構組合而成的大型綜（zōng）合係統，係統各個成分應力狀態（tài）、易損性不一，剛度、動力特性相差甚大。如果直接從機械振動模態技術出發，籠統（tǒng）地（dì）用某種單一的動力特性變化指標去評估整體結構的狀態，顯然是（shì）難以得到預期效果。反過來如果把結構材料形式相近、動力特性（xìng）一致的部分劃分為子結（jié）構，從各子結（jié）構的指（zhǐ）紋變化來反映整個係統的狀態，則在每次處（chù）理中能大幅度減小（xiǎo）需要修正的（de）參數，從而使方程組的病（bìng）態與奇異性減小到較低的程度。子（zǐ）結構劃分的越細，損傷的診斷、定位以及能力評估就越準確。把整個結構劃分為子結（jié）構進行監測、評估還（hái）有一個優點就（jiù）是在布點問題中，可以通過劃分（fèn）子結構的辦法對（duì）重點區域重點布設傳感器，使（shǐ）有限的傳感器發揮最大的效（xiào）能。

2)迄今在橋梁健康監測中尚（shàng）缺（quē）乏有效的傳感器優（yōu）化布設算法（fǎ）。這個問題在軌道航天器的動態控製（zhì）與係統識別中雖得到廣泛的研究，但在橋梁模（mó）態試驗中的應用還（hái）存在（zài）不少的難點（diǎn）。在充分考（kǎo）慮各種（zhǒng）自然環境下橋梁的結構特點（diǎn）以及測量條件的基礎上（shàng），尋求（qiú）這樣一套布（bù）點方案：a)在含（hán）噪音的環境中，能夠利用盡可能少的傳感器獲取全麵、精確的結構（gòu）參數信息；b)測得的時程記錄將（jiāng）對模態參（cān）數（shù）的（de）變化最（zuì）為敏感；c)能夠通（tōng）過合（hé）理添加傳感器對感興趣的部分模態進行數據點采集；d)測得的模態（tài）應能夠與模型分析的結（jié）構建（jiàn）立起對（duì）應關係。此外通過傳感器的優化布設可改善（shàn）對模態試驗（yàn）結果的可視性（xìng）。希望由此實現對（duì）結（jié）構狀態改變信息的最優采集，改善（shàn）早期對橋梁結構的（de）整體探傷能力。

3)橋梁結構不同於機械、航空結（jié）構之處還（hái）在於（yú）：當結構的指紋發生改變，甚至混凝土結構在（zài）設計荷載下產生許多裂（liè）紋，橋梁的工作（zuò）性能都不一定受到影響，損傷的判（pàn）斷與其結構工作特性有關。從設計的（de）角度來看，橋梁結（jié）構應該滿（mǎn）足（zú）安全（quán）和使用上的要求，所謂“安全（quán）”是一個相當含糊的概念，它應基於一個指定的結構受力反應限度來說（shuō），如（rú）允許應力或（huò）某個服務能力準（zhǔn）則。當前的工程實際中就有兩種不同的準則：一種是給荷載與承載能力加上（shàng）適當係數後進行結構設計；另一種則是基於結構的極限狀態進行設計（我國公路橋梁（liáng）新規範明確規定，所有橋涵結構均（jun1）應進行承載能力極限狀態和正常使用極限（xiàn）狀態計算）。由此看來橋（qiáo）梁健康監測與狀態評估（gū）隻有與各種標準下的承載能力緊密（mì）聯係起來，才能完成真正（zhèng）意義（yì）的（de）使命。在結構係統中引起強度不足的因素有很多，但應注意以下幾方麵：a)由於結構的老化、損傷及鋪裝層維修引起的承載能力不足；b)當前（qián）使用荷載高於設計標準；c)依據已遭淘汰的（de）設計標準設計，但不能在新規（guī）範中通過；d)結構在極端（duān）荷載作用下（如地震、風暴）發生累積損傷，係統（tǒng）及邊界條件改變。

4)目前對（duì）橋梁缺損狀（zhuàng）態（tài）的（de）評（píng）價（jià）缺乏統一有效的綜合性指標，並且難以反映各構件的缺損及嚴重程度對整個橋梁的影響，於是有人以模糊理論等為理論框（kuàng）架建立了各種橋梁使（shǐ）用（yòng）性能評估專家係（xì）統。這都（dōu）是很好的出發點，但其是（shì）否能廣泛推廣和運用到工（gōng）程實踐（jiàn）中還有待於對各類橋梁工作（zuò）性能的深入認識及相應規範的建立，而（ér）橋梁的健康監測係統作（zuò）為（wéi）這種智能決策係統（tǒng）最直接、最基本的信息來源首先必須做到全麵、正確（què）地反映橋梁的狀態，並（bìng）且不受時間、環境的影響。

5)橋梁結構與航天器、精密機床在受力特點上差別較（jiào）大，橋梁受的荷載中恒載占了七八成以上，它們對整（zhěng）個結構的動（dòng）力特（tè）性（xìng）起著至關重（chóng）要的作用。如果缺乏對其量值、分布、變化的了解，勢（shì）必會使反映結構狀態的指紋變化淹沒於恒載應力的變化（如應力重分布）之中，使整個動力監測失去意義。這方麵在拱橋的監測中尤為（wéi）明顯，要做到這一點，從施工開始就得建立結構的受力數（shù）據（jù）庫。

6)環境因素對橋梁結構的動力特性影響很大，一般損傷導致的結構自振頻率的變化易淹沒在其中，從這一（yī）側麵也反（fǎn）映了當前振動測試（shì）中（zhōng）響應量測值對感興趣的結構參數不敏感的原因。此外，結構基礎的沉降以及構件預應（yīng）力損失所引起的應力重分布都不可避免地對振動模態分析產生消極影響，目前對這些方麵的研究還沒有引起足夠的重視（shì）。

二、目前的主要研究方向及存在的問題

盡管橋梁健康監測係統（tǒng）的安全評價具有較大的難度，但科技人員（yuán）還（hái）是努力探（tàn）索，提（tí）出（chū）了（le）動力指紋分析評價技術、模（mó）型（xíng）修正法、遺傳算法、神經網絡法（fǎ）等研究方向（xiàng），並進行了相應的實（shí）踐。

2.1動力指紋法

①基（jī）本原理

若結構發生損傷，其結（jié）構（gòu）參數如質量和剛度會發生變化，從而引起（qǐ）相應的動力指紋的變化。常（cháng）用的動力指紋（wén）有：頻率、振型、振型曲率、應變模態、頻響函數、模態柔度矩陣、模態保證準（zhǔn）則（MAC）和坐標模態保證準則（zé）（COMAC）等。評價方法：首先建立與動（dòng）力指紋相應的結構健康時和一係列先驗預估的（de）損傷對應的（de）數（shù）據庫，然後將發生損傷時的動力指紋與其比較，進而識別損傷。

②相（xiàng）關研究情況

Monaco 等采用頻響函數（shù）作為指紋，將改變的（de）頻響函數作（zuò）為一個有（yǒu）代表性的（de）損傷指數（shù）。Ma 等采用去除反射的頻響函數（shù）作為指紋，識別結構（gòu）多點損傷。結構損傷（shāng）改變去除反射的頻響函數的相位，因而改變的去除反射的頻響函數可以作為一個有代表性的動力指紋或者損傷指數。Whittem 等采用模態（tài）宏應變微量法作為指紋，理論表明模態宏應變向量為損傷指數既準確又（yòu）可靠，在損傷的（de）部位或其附近（jìn）非常敏感。清華大學提出了結構損（sǔn）傷識別的柔（róu）度法。Frank 等采用 ODS 法將模態振型和固有頻（pín）率作為指紋，利用掃描式激光測振儀研究圓盤的動態特性(模態和固有頻率)來確定（dìng）缺陷。同時采用邊界效應檢測法（BED）處（chù）理數據並解釋因缺陷（xiàn）引起的邊界效應和確定缺陷位置。Satoko 推導出偽牛（niú）頓法（Quasi-Newton Method）將剛（gāng）度和質（zhì）量作為指紋，用於識別結構在地震過後內部的（de）不可見損傷。Xie 等利用小（xiǎo）波分析算法，提取能量分布作為損傷特征（指紋）。能量分布與損傷之間的關係，利用模式識（shí）別方法，來定位細（xì）微的損傷。避免了模（mó）態（tài）參數，如固有頻率等對細微損傷的不敏感（gǎn）性，結果表明實際損傷位置（zhì）與檢測出的位置很接（jiē）近。Gabe 等（děng）采

用ARMA的係數作（zuò）為指紋（wén），依據ARMA能夠自動（dòng）完成從數據收集到損傷監（jiān）測的全過程的（de）優點，利用環境激勵的數據，檢測（cè）一個（gè）包含不同層次損（sǔn）傷的大型結構的損傷情況。通過環境激勵測得的原始結構和損傷後結構的振動數據，計算 ARMA的係數建立損傷指（zhǐ）數，將（jiāng）得到的損傷（shāng）指數按照分類算法組成特征向量，確定是否損傷以及損傷定位。Daniel 等將高頻機械阻抗作（zuò）為指紋，試驗了基於高頻機械阻抗技術的結構健康（kāng）監視係統。其基本原理為對固定在（zài）結構表麵（miàn）的壓電傳感器施加（jiā）高頻激勵（通常（cháng）高於 30Mhz），測量傳感（gǎn）器的電（diàn）流（liú）和電壓而得（dé）到電阻。如（rú）果電阻發生變化，則結（jié）構變（biàn）化，因而有損（sǔn）傷。采用他（tā）們自（zì）己（jǐ）開發的便攜（xié）設備，通過兩個實例（煤氣管道（dào）和（hé）複合材料（liào）結構）證明了該方法的廣泛實用性。高頻機械（xiè）阻抗實際（jì）上是結構的傳遞函數（shù），對結構的微小損傷和表麵缺陷很敏感。

③存在的問題

大量的模型和實（shí）際結構試驗表明：結構頻率實測較準，但它對局部損傷不敏感。振型尤其是較高階振型對局部剛度變（biàn）化很敏感，但卻（què）很難精確測（cè）量。MAC、COMAC 等依賴於振型的（de）動（dòng）力指（zhǐ）紋都（dōu）存在類似的問題。而模態曲率、應變模態則在低幅值振動測試中變化量級過小而難以起到有效的（de）判別作用。某些（xiē）指標如ETR、單元模態應變能可以較有效的確定損傷位置或發（fā）展，然（rán）而這（zhè）些指標對噪聲比較敏感，容易湮（yān）沒於噪聲中。目前已有的研究表明，動力指（zhǐ）紋（wén）法對實驗室內的簡單模型結構而言是成功的（de），應（yīng）用於實際的結構上結果還不太理想。可以說，到目前為止，動力參（cān）數法（fǎ）對結構損傷識別（bié）的能力仍然有限。動力指紋法的成功（gōng）應用或許需要（yào）依賴於尋找新的綜合性損傷指標及試驗技術的（de）發展（zhǎn）。

2.2模型修正法

①基本思想

通過動（dòng）態試驗測得的數（shù）據，如模態（tài）參數或者加速度時程數據來分析模型的剛度分布，然後與修正剛度後模型（xíng）的反應所（suǒ）測數據比較（jiào），當兩者基本吻合時，即認為此（cǐ）組參（cān）數（shù）為結構（gòu）當前參數，根據模型剛度有變（biàn）化來實現損傷的定位和（hé）損傷程度（dù）的評估。

②相關研究（jiū）情況

模型修正和驗證的過程是橋梁結構有限元模擬的重要過程。事（shì）實上，對（duì）於複雜結構而言（yán），建模不難修正（zhèng）難，這已經成（chéng）為同行之間的共識。複雜結構的模型修正理論目前也是亟受關注的熱點研究對象（xiàng）。 目前在土木結構的有限（xiàn）元結構建模過程中已（yǐ）經考慮到的（de）不確定因素一般包括了結構的支撐或邊界條件、各種結構單元之間的連接、能量耗散（結構阻尼）等。這對於結構動力特性（xìng）分析是合適的，但對於動力響應分析和疲勞損傷累積分析而（ér）言是遠遠不夠的。因為結構的響應（yīng）必然與結構的損傷狀態（tài）相（xiàng）關。

因此，已發生疲勞損傷的構件的本構關係、損（sǔn）傷累積和發展的機製以（yǐ）及損傷狀態對結構響應的影響這些因素（sù）都應該在結構動力響應建模過程中加以考慮，尤其是對於那些已經有一（yī）定程度的疲勞損傷累積的橋梁。對於（yú）土木工程複雜（zá）結構的有限元模型，影響（xiǎng）其（qí）計算精度（dù）的因素很多。實際結構建造過程中的裝配誤差、鋼結構的焊接工序以及混（hún）凝土結構的澆注和養護條件等諸多因素，會使得實際結（jié）構的幾（jǐ）何、物理和力學特性偏離設計值（zhí）。因此按照圖紙建立的有限元模型仍然很難精確給出建成結構的實際響應，需要經過模型（xíng）修正，才能給出較為理想的預測結果。

影響結構有限元模擬準確性的因素眾多，抓住主要影響因素進行（háng）模（mó）型修正才能事半功倍。主要的影響因素大體上可以分為 3 類（lèi）：空間幾何拓撲構形誤差、數學離散誤差、物理力學性質誤差。由於建立的有限元模型是（shì）嚴（yán）格按（àn）照圖紙（zhǐ）形成的空間幾何構形。所以認為來自第 1 類的誤差較小，可以忽略。數學（xué）離散誤差具體到有（yǒu）限元建（jiàn）立過程是指單元的疏密程（chéng）度、單元形態和（hé）單元階次等。物（wù）理力學（xué）性質誤差主要來自（zì）於材料響應（yīng）的非線性等因素。

Allen 等提出順序概率比實驗方法（SPRT），用（yòng）於監測若連接（jiē）處有變化，測試（shì）結（jié）構是否有損傷（shāng）。有（yǒu）兩個基本假（jiǎ）定：一是模型能夠預測特征，結構未受損傷；二是模型不能夠預測特征，結構已受損傷（shāng）。在 SPRT 算法的原始公式中，特征被假定為（wéi）高斯分布且（qiě）設定了相應的閾值。但可（kě）能用於損傷的（de）特征對分布的尾（wěi）部敏（mǐn）感，而（ér）且其尾部不必滿足高斯分布特征。此時通過 EVS（極值分布（bù））模型化其尾部，可以設定（dìng） SPRT 算法的閾值而（ér）避免正常的假（jiǎ）定。

同濟大學嚐試用監測仿真判（pàn）別結構損傷（shāng）前後的剛度變化，利用剛度變化情況來評價橋梁結構（gòu）的損傷程度並實（shí）現損（sǔn）傷定（dìng）位，但也遇到了（le）監測（cè）仿真（zhēn）含噪音，計算難度大，損傷前後（hòu）橋梁（liáng）剛度變化不明顯等問題。

③存在的問題

結（jié）構識別就是依（yī）據一定（dìng）的數學模型，由試驗測量的數據來預測（cè）結構的動（dòng）力響應（yīng）參數。具體到有限元模型，即根（gēn）據結構識別理論（lùn），由測量的結（jié）構響應數據反演出有限元模型中的質量矩陣、剛度（dù）矩陣和阻尼矩陣。現有的結（jié）構識別理論的核心主（zhǔ）要有最小二乘法理論和極大似然理論。其常用的方法主要有擴展的 Kalman 濾波法（extended Kalman filter）、極大似然法（maximum likelihood）、遞歸最小二乘法（recursive least squares）和作用變量法（instrumental variable）。Ghanem 和Shinozuka 曾對這些方法分別進行了詳細的評述，並依據具體的結構模（mó）型，對（duì）這幾（jǐ）種方法進行了（le）比較。比較的結果表明，依據不同的理論有（yǒu）時（shí）給出的結果相差很大，這（zhè）說明現（xiàn）有測試數據（jù）的合（hé）理性和（hé）可靠（kào）性還有待進一步提高。

根據選取的識（shí）別精度，結構識別理論可以識別出結構中每個（gè）構件的質量（liàng）、剛度等參（cān）數。但由於要直接反演出有（yǒu）限元模型（xíng）中的質量矩（jǔ）陣、剛度短陣和（hé）阻尼短陣，

使得該方法不能成功地（dì）用於大型土木結構，主要因為：一是剛度矩陣主要受結（jié）構的高階模態影響，而實際測量中由於（yú）受測試儀器頻寬的限製，測得的模態主要是低階模態。二是有限元模型中的參數主要決定於結構的幾何形態和材料性質等因素，有具體的物理意義。由於（yú）實際測（cè）量時（shí）“漏（lòu）頻”現象很容易發生，這（zhè）使得識別的參數會偏離其原有（yǒu）的物理意義。自 20 世紀 60 年代以來，在航空航天、汽車製造以（yǐ）及軍事防禦等領域，已逐步形（xíng）成較成熟的結構建模（mó）理論及其驗證的方法。其中結構建模理（lǐ）論主要有結構識別理論和模型修正（model updating）理論。對於（yú）橋梁結（jié）構，由於缺乏足夠的現場測試數據和完備的試驗模擬技術，很少有係統的研究工作和成果的工程範例（lì）。

2.3神經網絡法

①基（jī）本原（yuán）理

神經網絡以生物神經係統為基礎，模擬人腦的功能。實現方法：由許多處理單元（神經元）相互連接組成，按照一定的連接權獲取信息的（de）聯係模（mó）式（shì），根據一定的學習規則，實現網絡的學習和關係映射。神經網絡以其學習能力，非線性變換型和（hé）高度的並行運算能力，對新輸入的（de）泛化能力和對噪聲的容錯處理（lǐ）能力，對係（xì）統（尤其是非線性係統）的辨識等提供了（le）一條非常（cháng）有效的途徑。

②相關（guān）研究情況

近年（nián）來，人（rén）工神經網絡已在濾波、譜估計、信號檢測、係統辨識、模式識別等方（fāng）麵得到了成功的應用。神經網絡識別法可以解決傳（chuán）統模式識別中的高噪音幹擾和模式損失等缺點。利用人工神經網絡法，結合小波分析技（jì）術，可對橋梁監測信號進行預處理和損傷特征提取。由於橋梁結（jié）構損傷檢測得到了測試數據的（de）不完備性（xìng），神經網絡法可以利用（yòng）有限的數據訓（xùn）練，用不完備（bèi）的數據識別在無數學模型的情況下可以較好的解決非線性和不確定性引（yǐn）起係統的辨識問題。目前應用（yòng）於結構損傷識別的有基於誤差反向傳播算法（fǎ）的神經網絡（BP）、徑向基（jī）函數神經（jīng）網絡（RBF）、自組織神（shén）經（jīng）網絡（ART）等。人工神經網絡法的主要局限性在於訓（xùn）練數據集的獲取，其準確（què）性在很大程度上取決（jué）於訓練數據集的完備程度。

高讚（zàn）明等將神經網絡分析方法（fǎ）用（yòng）於香港汲水（shuǐ）門（mén）大橋的健康監測中。Venkat 等采用小波分析和（hé）神經（jīng）網絡算法，通過將測得（dé）的原（yuán）始結（jié）構（gòu）和損傷後結構的振動比（bǐ）較（jiào），估計損傷發生的位置及程度。通過一個映像小波分析（xī）中提取出的振動特征的函數來量（liàng）化健（jiàn）康狀態參數。William 等利用神（shén）經網絡係統（tǒng）進行健（jiàn）康監測，采用一個壓電傳感器陣列模擬生物神經係（xì）統來（lái）測量（liàng）結（jié）構的（de）聲發射和動應變。優點在於將需要布設傳感器的通道數由（yóu） N2減小到 2N 個。當結構（gòu）有瞬（shùn）態損傷時（shí），能夠將傳感器陣（zhèn）列的輸出時間曆程記錄下來，然後通（tōng）過組合邏（luó）輯準確地確定發生的位（wèi）置。

③存在的問題

雖然神經網絡應用於損傷診斷的研（yán）究有了很大的發展，但（dàn）依然存在一些問題，如模型（xíng）誤差、測量誤差（chà）和測量數據不完備性的影響，神經網絡輸入參數（shù）的選擇、網絡收斂（liǎn）性以及網絡（luò）結構問（wèn）題都需要進一步的研究。

2.4遺傳算法

①基本原（yuán）理（lǐ）

遺傳算法是（shì） 60 年代由 Holland 教授提出的（de），以達爾（ěr）文進化論中適者（zhě）生存，優勝劣汰的進化原則來搜索下一代中的最優個體，以得到滿足要求的最優（yōu）解。

②相（xiàng）關研究情況

遺傳算法的優點為簡單，魯棒性（xìng）強。在組織（zhī）優化求解，機械學習和工程領域有廣泛的應用前景。搜索的遺傳算法，通過測（cè）定激勵和響（xiǎng）應來決定結構參數進行識別。模擬板、殼和飛機翼，結果表明，載荷作用位置對識別結構（gòu）有很大影響。該法通過全局和局部自適（shì）應調整局部搜索尺寸和偏差，有很強的抗噪性。還研究了分布（bù）式遺傳算法的係（xì）統識別法，該法對於識別大型複雜（zá）係統有很多優勢。易偉健引人遺傳算法處理試（shì）驗得到的動力信息對結構的損（sǔn）傷（shāng）進行診斷，提出了多父體變量級雜交和變量微調等新的改進措施，並應用於固端梁、連續梁和框架等多個結構的損（sǔn）傷診斷，取得了滿足（zú）工程要求的結果。

③存在的問（wèn）題

前向分析計算量非（fēi）常大，尤其是對於橋梁（liáng）這一複（fù）雜（zá）結構，距離應用階段還需有非常多（duō）的工作去做。

2.5小波分析法

①基本（běn）原理

小波分析（Wavelets Analysis）是數學理論中調和分析技術發展的最新（xīn）成果，可以看作一個傳（chuán）統的 Fourier 變換的擴展。小波分析的優點在於利用一個可（kě）以伸縮（suō）和平移的視窗聚焦到信（xìn）號（hào）的任意細節進行時頻域處理，提供多個水平的細節以及對原始信號多尺度的近似。既可看（kàn）到信號的全（quán）貌，又可分析信號的細節，並且可以保留數（shù）據的瞬時特性（xìng）。結構模型在環境激勵下，結構的損傷可以從對相應（yīng）數據（jù）進行小波離散後的細節突變上檢（jiǎn）驗出來，這些突變的位置可以精確指出損傷（shāng）發（fā）生的（de）時刻。

②相關研究情況

徐洪鍾等利用多分辨分析（小波多層分散）方法，對（duì）大壩觀測（cè）數據的異常值進行了檢測，並通過工程實（shí）例驗證了該方法的有（yǒu）效性。所采用的小波分析方法適合檢測單個和多個異常值。

Hou等提出了一種基（jī）於小波方法的結構損傷檢（jiǎn）測（cè）。用一個在諧和激勵下簡單模型進行數值仿真。模型包括多個（gè）可破壞彈（dàn）簧，當響（xiǎng）應超過極限值或運動循（xún）環（huán）的多數積累超出了它（tā）們的疲勞壽命時，其中的一些彈簧就會發生不可（kě）恢複的損傷。無論是突然損傷還是（shì）積累損傷，損傷的發生以及（jí）發生的時刻都可以通過這些數據的小波分解（jiě）細節（jiē）檢（jiǎn）查出來。Hou 等還利用小波分（fèn）析理論研究 ASCE 提出的健康（kāng）監測基準問題（Health Monitoring Benchmark problem）中的典型結構的損傷監測響應，在仿真過程中允許結構中某些構件（jiàn）發生損（sǔn）傷，如支撐剛度突然全部消失或部分消失。將得到的加速（sù）度響應信號進行離散（sàn）小波變換，通過分解後高頻波形上的突起來判斷損（sǔn）傷的發生和發生的時刻。分析過程中對多個結（jié）點加速（sù）度進行小波分解，並通過（guò）分解後帶有突起（qǐ）的結點在整（zhěng）個結構中所處的（de）空間位置來判斷損傷的位置。結果表明，小波方法是損傷（shāng）檢測和結（jié）構健康監測的一個很有（yǒu）潛力的方法。

③存在的問題

小波方法對於（yú）橋梁結構的監測數據分析（xī）具有積極的意義（yì），但對於橋（qiáo）梁這一使用（yòng）荷載複雜且不確（què）定性多、測試指（zhǐ）標（biāo）含噪音大的（de）特殊結構而言，缺乏可靠的評價指標。

除此（cǐ）之外，近來年，國內在結（jié）構狀態評估方麵也做了許（xǔ）多研究，主要有： 1996 年，王永平等對數十位橋梁專家進行了谘詢，在大量調（diào）查研究的基礎上，收（shōu）集（jí）並整理了（le）橋梁評估專家的（de）知識，提出用損傷度來衡量橋梁結構的損傷（shāng）程度，利用模糊數學方法，建（jiàn）立了一個橋（qiáo）梁使用性能的模糊綜合評（píng）估係統，並探索建立了一個橋梁評估專家係統。

胡雄(1998)等利（lì）用模糊神（shén）經網絡開發了以斜拉（lā）橋為背景的拉索橋梁安全性與耐久（jiǔ）性專家評估係統。該係統能夠同時處理數值和語言描（miáo）述型變量。根據橋梁監測（cè）過程中所獲得的數據（jù），它（tā）能對橋梁總體及（jí）其各個部（bù）分的狀況進行評估，及時獲（huò）得橋（qiáo）梁運行（háng）狀態信息，評估其退化及損傷程（chéng）度（dù），對大型橋梁的現（xiàn）代化管理具有重要的現（xiàn）實意義。

蘭海，史家鈞(2001)引用灰色關聯分析和變權綜合的概念，提出用層次分析法(AHP)建立評估指標體係，量（liàng）化並確（què）定（dìng）評（píng）價指標評語和其它層次指標評語（yǔ）的綜合（hé）方（fāng）法，並做了實例計算分析，結果表明灰色關聯度概念和變權綜合方法可較（jiào）好應用（yòng）於大型橋梁結構的（de）狀態評估。

張永（yǒng）清(2001)等利用層（céng）次分析法建立了橋梁安全評價模型，在專家谘詢的基礎上，借（jiè）助多級模糊綜合評判（pàn）和評分法相結合，分析確定影響橋梁安全性的各因素的權（quán）重及隸屬度，並計算出橋梁安全性的總（zǒng）評分，據此確定橋梁安全（quán）性等（děng）級，為橋梁使用階段的管理決策提供（gòng）依（yī）據。

綜上所述，在實際橋梁安全評價中，以上（shàng）方法都（dōu）有各自的優點和應用前景，但仍有（yǒu）許多需要（yào）解決（jué）的問（wèn）題，距離廣泛的實際應（yīng）用還較遠，迄今尚未形成（chéng）係統的成（chéng）熟方法，迫切需要提出並完善便於實（shí）際應（yīng）用（yòng）的橋梁安（ān）全評估新技術。