更为有效的局部损伤识别方法

结构损伤识别可以分为基于全局参数的整体损伤识别方法和基于局部参数的局部损伤识别方法。由于结构振动信号易于测量，因此基于振动的整体结构损伤识别方法是最早、最成熟且最广泛研究应用的方法。但由于大型桥梁结构的复杂性，结构不同部位的损伤可能对应相同的动力特性变化，这意味着基于振动的结构损伤识别与定位可能存在不唯一性。另外，研究表明，结构低阶振型和频率对结构早期损伤并不敏感；结构力学特性与描述其力学特性的模型之间存在着不确定性，测量信号中包含着环境及测量噪声。上述因素给准确识别结构损伤部位和程度都带来了困难。研究指出，至今还不能只通过结构整体反应信息来准确、有效地识别和精确定位大型桥梁结构的早期损伤，需要与其他基于局部损伤识别的理论与方法相结合，为结构损伤提供更可靠的信息。

与基于结构整体信息的损伤识别方法相比，依赖于先进智能材料与传感元件、装置以及结构局部力学行为理论的局部损伤识别方法可以更有效地收集局部监测变量，识别损伤类型与状态，如钢构件疲劳裂纹、混凝土裂缝萌生与扩展、钢筋/钢板/钢管与混凝土间粘结滑移、钢构件与钢筋锈蚀、主缆与拉索断丝、螺杆松动等。上述损伤大多具有隐蔽性和分散性的特点，但其一旦出现则发展很快，对桥梁服役安全造成严重威胁，并大大降低桥梁的服役寿命。如能在上述损伤的早期阶段对其进行有效识别，可极大保证桥梁安全、降低维护费用。因此，研究局部损伤监测、识别和诊断方法，揭示损伤演化和发展全过程的规律，建立损伤与桥梁状态之间的关系，发展相应的桥梁安全评定理论，对保障桥梁服役安全具有重要的科学意义和实用价值。

结构局部损伤往往与结构的缺陷和残余应力等因素有关，缺陷与残余应力在结构中的空间分布难以准确获得，而且它们的空间分布还随服役时间而变化，为此，传统局部损伤识别方法需要在桥梁结构上布设大量的应变传感器或采用动态分布式应变传感器，但由于桥梁结构的巨大尺寸，在其上布设大量的应变传感器是不现实的，而动态分布式应变监测技术还远远未能实用化。相比之下，利用应力波在损伤结构中传播特征的变异，可仅使用少量传感器就可实现应力波传播范围内多个多类型结构损伤的监测。因此，基于波动理论的损伤识别方法是解决桥梁结构局部损伤监测/检测问题的有效方法。

应用广泛的超声波损伤识别

日前，在青岛举办的第七届结构控制与监测世界大会专门设立了“Recent Advances in Sensing Technology for Structural Health Monitoring”分会场，为与会者提供了先进传感技术交流的平台。从参会论文来看，目前基于波动理论的损伤识别方法仍是国内外学者所关注的热点之一。在桥梁结构和构件中的应力波通常以超声波的形式传播。传统上，基于超声波的损伤识别方法归于无损检测的范畴，但由于近年来在超声换能器小型化、嵌入式换能器、可永久固定的压电换能器等方面的研究进展，使得上述方法用于桥梁结构/构件长期监测亦成为可能。基于波动损伤识别方法可分为被动法（声发射法）和主动法。前者只通过检测损伤萌生和扩展过程中产生的应力波来监测损伤；后者通过主动激励产生超声波在结构一定范围内传播后携带损伤信息被传感器接收，该方法可监测已存在和正在发展的损伤。近年来，各国学者们在超声换能器以及损伤识别理论与方法等方面的研究均有长足进步，目前已经逐步应用于实际桥梁结构的监测和检测，取得了很好的效果。

传统超声方法检测区域小

在常规超声方法中，超声相控阵技术对于钢结构和混凝土内部缺陷检测具有非常好的识别能力。超声相控阵列由一组超声换能单元组成，每个单元可独立发射和接收超声波，通过设计每个换能器单元激励信号的时间延迟，可形成在特定位置上聚焦的波束，用于损伤检测。相控阵技术能明显增强信号的信噪比，并提升损伤检测的空间分辨率和检测精度。同时，由于超声相控阵探头尺寸较小，可以检测难以接近、常规无法检测的区域，实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测，可实现传统超声无法实现的高速、全方位、多角度的动态聚焦扫描，节约成本，提高效率。如在某悬索桥结构检测中，应用超声相控阵技术对主索鞍、散索鞍和钢箱梁焊缝进行了系统检测。该桥主索鞍和散索鞍材料为铸钢件，是整体模型一次浇筑成型，在服役前检测合格之后，吊装使用。然而在经过十多年的长期服役之后，需要对其进行全面的维修和损伤评估。使用超声相控阵系统检测表明其绝大部分的主索鞍体内部没有缺陷，存在少部分小幅值回波信号，经判定为夹砂或浇筑内部构造缺陷，且无扩展现象，认为主索鞍体结构健康。散索鞍与主索鞍类似，通过回波信号判断，散索鞍也存在微小构造缺陷，无产生裂缝扩展的迹象，也可判定为服役健康状态。此外，超声相控阵技术还可对钢箱梁修补后的焊缝进行抽检以判断修补质量。分别选择了位于横隔板上、U型肋与顶板交界处的几条焊缝进行检测，结果表明所有位于横隔板上的焊缝均成功修补，但在U型肋与顶板交界已修补焊缝中部，发现明显的缺陷回波，表明该裂缝未完全焊透。类似超声检测方法还有超声衍射时差法、超声脉冲回波法等。

超声导波适用多种桥梁构件

上述基于传统超声波的各种方法可对桥梁结构局部微小损伤进行有效检测和排查，但其检测区域较小，对于大跨度桥梁结构效率较低。因此，超声导波理论与方法在近年来得到了越来越多的关注。超声波在有限几何边界结构中传播时，经过边界的反射、折射、模态转换和耦合之后，形成稳态传播的导波。超声导波是超声波在有限几何边界结构中传播的具体形式，相应的结构称之为波导。相比超声波，超声导波可沿结构长距离传播，因此检测区域非常广，而且在传感器端接收到的超声导波信号会携带整个被检测区域的损伤信息，通过进一步分析可以很容易确定损伤情况与位置。桥梁结构中存在着大量可以考虑为波导的构件，如正交异性钢桥面板、悬索桥主缆、斜拉索、各种吊杆、体外预应力筋、螺杆及其他有限几何尺寸构件等，均可采用基于超声导波的方法对其进行损伤识别和结构监测。

超声导波可采用多种手段激发，常用的换能器包括压电类换能器（压电陶瓷、楔形压电换能器和压电复合材料等）、电磁超声换能器、空气耦合技术、激光超声技术和磁致伸缩技术等。早在1979年，Silk和Bainton已经采用压电超声探头试验研究了直管和U型薄壁钢管中各种超声导波模态。压电类换能器是得到最广泛应用的超声导波换能器，与结构直接耦合使用。磁致伸缩传能器则可非接触式激励和接收超声导波，可用于斜拉索内部钢丝腐蚀和断丝检测，也永久安装用于长期健康监测。将磁致伸缩换能器组成环向相控阵，可实现水平剪切波在拉索表面任意一点的聚焦，与时间反转技术相结合，该方法能够有效识别多种损伤。压电复合材料（MFC）也被用于生成扭转波以检测轴向裂缝，与常规压电陶瓷相比，MFC具有更好的压电性能、柔性以及可靠性。

在超声导波的各种模态中，SH波和T(0,1)波无频散效应，在长距离传输中波形几乎不发生任何改变，在边界处几乎没有模态转换，该特征可以简化反射和散射信号的处理和解释。目前只有两种换能器可以产生上述模态的导波，即磁致伸缩换能器和厚度剪切模式压电换能器。但这两种换能器都需要额外的工作组件，导致其体积较大、安装复杂以及由此引起的使用中的不可靠性。由此，我们提出了一种新型的d36型压电晶片，用于激发和感知水平剪切波并用于损伤识别，与常规的d31/d32型的压电陶瓷相比较，d36型压电晶片可以引起垂直于极化方向的面内剪切变形，如下图。在板结构中可以激发非频散的水平剪切波，在金属管结构中，可以激发轴向和环向的非频散扭转波。在超声换能器方面的基础研究可为各种基于波动理论的损伤识别方法提供更好性能的驱动器和传感器，从而大大拓展相关识别方法的精度、准确性和适用范围。

d31/d32与d36模式及其参数比较（极化方向3）

在实际桥梁结构中，由于噪声、边界条件、长距离传输等因素的影响，损伤信号的信噪比往往很小。时间反转聚焦和超声导波相控阵等信号增强和损伤成像方法是解决该问题的有效手段。根据波动方程的时间反转不变性和声场的互易性，可用多个压电换能器激发并接收超声导波信号，然后用于生成一个反转波场，反转波可以重新发送以得到损伤信息，这就是所谓的时间反转法，最小可以识别亚毫米级的损伤。将时间反转概念与超声导波相结合，如果在超声导波的传播路径中存在损伤，其时间反转特性将不复存在，重构信号和原始输入信号之间将会产生很大差别。同时，经过时间反转过程之后，传感信号中不同模式及不同频率的信号成分经过时间反转的补偿之后将同时达到激励位置，使得此时的重构信号具有信号集中、波形简单易分析、提升信号信噪比等优势。与此同时，在地震工程中叠加偏移成像技术常用于地层断层检测。美国北卡罗莱纳州立大学Yuan教授应用时间反转偏移成像（Reverse-Time Migration，即RTM）方法对板结构中的损伤识别做了尝试性研究，针对不同角度和形状的损伤采用不同的偏移方式，可以提高损伤成像清晰度、分辨率和准确度。美国南卡罗莱纳州立大学Giurgiutiu教授将超声相控阵中的时间延迟方法引入到超声导波检测中，在板结构中实现了缺陷扫描成像。近年来得到关注的非线性超声导波对结构内部早期微损伤具有更高的灵敏度，可广泛用于结构中的疲劳损伤、闭合裂纹等缺陷检测。

声发射技术可应用于大跨桥梁长期监测

声发射技术被动接受结构内部活动缺陷所产生的超声波，声发射信号所蕴含的内在特征均可以采用体波、表面波或导波理论解释，因此也是一种基于波动理论的检测技术。在桥梁结构检测/监测中，常采用传统的压电类声发射传感器进行数据采集，但压电类传感器易受电磁干扰、体积大、长期耐久性和稳定性较差且传输距离受限制。相比之下，光纤传感器在上述方面均提供了优异的性能。利用相位解调方法，光纤传感器能够感知高频超声信号，也可以用于接收声发射信号。1977年美国海军实验室的Bucaro等测试了使用光纤感知声场的可行性。Gachagan等将两组光纤传感器嵌入复合材料板中，采用M-Z干涉仪解调声信号。由于基于M-Z干涉仪的光纤波动传感器灵敏度与光纤长度相关，我们提出了螺旋形光纤波动传感器并推导了螺旋形光纤线圈相位差与应变之间的关系，进一步测试了圆柱形光纤声发射传感器的频响特性，并将其应用于混凝土活动裂缝监测。该研究有助于将声发射技术应用于大跨度桥梁结构的长期监测中。近年来，将模式识别与机器学习与声发射技术相结合，在损伤识别与分类方面也取得了很好的效果。

桥梁结构健康监测在我国经过多年的研究与应用，以2016年交通部颁布的由中交公路规划设计院有限公司和哈尔滨工业大学负责起草的《公路桥梁结构安全监测系统技术规程（JT/T 1037-2016）》为标志，进入了全新的时期。同时我们也应深刻意识到，目前结构健康监测技术水平距离对桥梁结构性能透彻感知、对其安全状态进行全面评定及对其剩余寿命进行精确预测尚有很大差距。基于波动理论的结构健康监测方法可为结构局部微小损伤识别提供了有效的手段。与此同时，国内外学者在结构健康监测其他领域的研究也方兴未艾，随着基础性理论研究持续深入，新方法和技术不断涌现，结构健康监测必将成为保障重大桥梁工程结构服役安全的最有效手段之一。