一、橋粱安全監(jiān)測的意義
    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運輸?shù)男枨?，許多大跨度橋梁應(yīng)運而生，尤其是懸索橋以其跨度大，造型優(yōu)美，節(jié)省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的。但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m;加勁梁的高跨比越來越小，（l/40~l/300）；安全系數(shù)也隨之下降，由以前的4~5下降為2~3.另外，由于其柔性大，頻率低，對風(fēng)的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)，世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故，給國民經(jīng)濟(jì)和生命財產(chǎn)造成了巨大損失。
   1994 年10月韓國漢城發(fā)生了橫跨漢江的圣水大橋*斷場50m,其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長期超負(fù)荷運營，鋼梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。
    1940年完工的主跨853m的塔可馬大橋（Tacoma Narrows），只使用了三個月，便在19m/s的風(fēng)速下造成了塌橋事故：1951年主跨 1280m的金門大橋于風(fēng)速 15~1520m/s時因振動而造成橋體部分損壞，等等。
    美國現(xiàn)有的約50萬座公路橋中，20萬座以上存在不同程度的損傷。1967年2月橫跨美國俄亥俄河上的銀橋突然倒塌，造成46人死于非命。
    我國早期建造的斜拉橋，由于拉索的防護(hù)不合理而引起的斜拉索的嚴(yán)重銹蝕，如濟(jì)南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠(yuǎn)未達(dá)到他們的設(shè)計壽命下，被迫全部更換，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。
    過去十幾年里，我國已建成一批大跨度橋梁，僅上海就有南浦、楊浦和徐浦大橋等具有*水平的橋梁，另外，香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國建立的懸索橋，近年來我國特別是沿海地區(qū)交通發(fā)展迅速，迫切需要建立一大批大跨度橋梁。為了確保這些耗資巨大，與國計民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久，必須對這些大橋進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測。
    目前，橋梁的監(jiān)測越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測研究，橋梁的安全監(jiān)測正日益成為土木工程學(xué)科中的一個非?；钴S的研究方向
    二、橋梁位移監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀
    大跨度橋梁受風(fēng)荷載，車載，溫度和地震影響較大，而在沿海地區(qū)一般無地震，主要受臺風(fēng)，車載和溫度的影響，為保證其在上述條件下的安全運營，必須研究橋梁在上述條件下的實際位移曲線，而目前對風(fēng)的研究僅局限于理論和模型實驗，對實橋在風(fēng)作用下的研究還不充分，對車載的研究也只是在特定時間和空間下進(jìn)行。主要原因是測試儀器的不合理，對大橋不能連續(xù)實時監(jiān)測。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的儀器主要有：經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法。
    上海楊浦大橋就采用的是全站儀自動掃描法，對各個測點進(jìn)行7s一周的連續(xù)掃描，其缺點是各測點不同步以及大變形時不可測。
    位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測點相接觸，其缺點是對于難以接近點無法測量以及對橫向位移測量有困難。
    加速度傳感器，對于低頻靜態(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對它進(jìn)行兩次積分，精度不高，也無法實時。而大型懸索橋的頻率一般都較低。
    激光法測試精度較高，但在橋梁晃動大時由于無法捕捉光點也無法測量。
    除上述不足外，對橋梁的扭角測試也力不從心，為對橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測，必須尋找更好的測試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進(jìn)行測試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行實地測試[4~6],過靜君與1996年對深圳帝王大廈，1998年對香港的青馬大橋進(jìn)行了實驗研究，特別是1999年在廣州虎門大橋進(jìn)行了實橋測試，目前已正常工作。國外的dodson,A.H,1997;brown,G.J,1999也利用GPS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，獲得了成功，但在國內(nèi)利用GPS對橋梁的測試還無先例，在國外也于位移監(jiān)測，利用GPS進(jìn)行動力分析和研究橋梁在風(fēng)和車輛作用下的力學(xué)行為還不充分。下面介紹利用GPS監(jiān)測的原理和特點。
    位移監(jiān)測原理：大橋位移監(jiān)測系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實時相位差分即 RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實時測定大橋位移。原理見圖
    差分系統(tǒng)是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實時傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標(biāo)。此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對接收機(jī)的GPS差分信號結(jié)果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角計算，提供大橋管理部門進(jìn)行安全分析。
    監(jiān)測大橋位移特點：
    （l）由于GPS是接收衛(wèi)星運行定位，所以大橋上各點只要能接收到6顆以上GPS衛(wèi)星及基準(zhǔn)站傳來的GPS差分信號，即可進(jìn)行GPS RTK差分定位。各監(jiān)測站之間勿需通視，是相互獨立的觀測值。
    （2）GPS定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測。
    （3）GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動完成。所測三維坐標(biāo)可自動存入監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行大橋安全性分析。
    （4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTKzui快可達(dá)10~20Hi速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10mm,高程為
    當(dāng)然，GPS進(jìn)行橋梁的實時監(jiān)測也存在著不足，目前僅能對變形相對較大的位移進(jìn)行監(jiān)測，對于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。
    三、橋架空全監(jiān)測的理論研究現(xiàn)狀
    傳統(tǒng)檢測手段可以對橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測。檢測的結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，但是卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是難以對橋梁的安全儲備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評估。此外常規(guī)的檢測技術(shù)也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前得到普遍認(rèn)同的一種zui有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識別，振動理論，振動測試技術(shù)，信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實驗?zāi)B(tài)分析法。
    在系統(tǒng)參數(shù)識別方面目前普遍采用兩種方法：頻域法和時域法。頻域法利用所施加的激勵和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù)，然后采用諸如多項式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù)，由于可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對頻響函數(shù)的影響，采用頻域識別方法的精度有一定的保證，不過該法存在以下缺點：①基于振型不偶聯(lián)，因此，只能識別具有經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)的實模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用受到限制。②需要經(jīng)過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對參數(shù)識別的影響。近來的環(huán)境脈動法可以無須知道激勵而得到振型參數(shù)，又?jǐn)U展了該法的應(yīng)用范圍[7,8].70年代后期出現(xiàn)的時域識別方法，彌補(bǔ)了頻域法的不足，可以用隨機(jī)或自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來識別模態(tài)參數(shù)。它們不必進(jìn)行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來的誤差。尤其是它還可以從未知隨機(jī)激勵的響應(yīng)信號中得到隨機(jī)減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線信號對系統(tǒng)進(jìn)行識別的*方法。但也存在著一些缺陷：由于在參數(shù)識別時運用了所測信號的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實驗測試環(huán)節(jié)及其他原因，使得其中的一些模態(tài)的信息并未被充分收集，以致只能將這些殘缺的信息看作噪聲，目前排除噪聲的方法主要有擴(kuò)階識別和zui小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測取得一定成果[9,10]綜上所述，時域法和頻域法均有自己的缺陷，應(yīng)尋找一種綜合時頻的方法以提高識別精度，近來出現(xiàn)的小波變換可以綜合時頻，可探討其在橋梁參數(shù)識別方面的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。
    的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)預(yù)測的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，損傷檢測以及實現(xiàn)*振動控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限無法得到了高度的發(fā)展，實際復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結(jié)構(gòu)飛行提供完整的理論模態(tài)參數(shù)集，但這些參數(shù)常常與結(jié)構(gòu)模態(tài)實驗得到的參數(shù)不一致。因此，必須對結(jié)構(gòu)理論模型進(jìn)行調(diào)整或修正，使得修正后的模態(tài)參數(shù)與實驗相一致，這一過程即有限元模型修正。
    模型修正法在橋梁監(jiān)測中主要用于把實驗結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)記錄與原先的模型計算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)，加速度時程記錄，頻響函數(shù)等，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度和質(zhì)量信息，從而得到結(jié)構(gòu)變化的信息，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。其主要方法有：
    （1）矩陣型法，是發(fā)展zui早，zui成熟，修正計算模型的整個矩陣的一類方法，它具有精度高、執(zhí)行容易的特點，主要缺點是所修正的模型的物理意義不明確，喪失了原有限元模型的帶狀特點，這方面的代表應(yīng)屬Berman/Baruch的*法。
    （2）子矩陣修正法，通過對待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數(shù)，通過對宇矩陣修正系數(shù)的調(diào)整來修正結(jié)構(gòu)剛度，該方法的zui大優(yōu)點是修正后的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對稱，稀疏性。
    （3）靈敏度法修正結(jié)構(gòu)參數(shù)通過修正結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進(jìn)行修正。
    上述的前兩種方法通過求解一個矩陣方程或帶約束的zui小化問題來修正剛度和質(zhì)量矩陣，并假定剛度與質(zhì)量的變化相互獨立。因此，這類方法不適用于結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣變化相關(guān)的有限元模型修正。而大跨度橋梁的質(zhì)量變化通常會弓愧結(jié)構(gòu)剛度的變化，屬于典型的非線性問題。只有第三種方法利用觀測量對結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性來修正結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于敏感性分析的參數(shù)修正可以從敏感分析的中間結(jié)果看出各參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動的影響程度；并且，可直接解釋結(jié)構(gòu)物理量的修改，無須通過利用總綱陣的比較來反映修改情況。然而但待修正參數(shù)較多時，該方法常會得出違背物理意義的參數(shù)修正。
    指紋分析方法，尋找與結(jié)構(gòu)動力特性有關(guān)的動力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實狀況。
    在線監(jiān)測中，頻率是zui易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且精度很高，因此通過監(jiān)測頻率的變化來識別結(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是zui為簡單的。此外，振型也可用于結(jié)構(gòu)破損的發(fā)現(xiàn)，盡管振型的測試精度低于頻率，但振型包含更多的破損信息。利用振型判斷結(jié)構(gòu)的破損是否發(fā)生的途徑很多；MAC,COMAC,CMS,DI和柔度矩陣法。
    但大量的模型和實際結(jié)構(gòu)實驗表明結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的固有頻率變化很小，而振型形式變化明顯[11,12],一般損傷使結(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5%以內(nèi)[11,12],而Askegaard等在對橋梁的長期觀測后發(fā)現(xiàn)，在一年期間里橋梁即使沒有任何明顯的變化，其振動頻率的變化也可達(dá)10%[63],因此一般認(rèn)為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測的指紋，而振型雖然對局部剛度比較敏感，但測量比較困難，MAC,COMAC,CMS等依賴于振型的動力指紋都遇到同樣的問題。對橋缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，有人以模糊理論，結(jié)構(gòu)可靠度理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評估專家系統(tǒng)，但必須首先建立各種規(guī)范和專家數(shù)據(jù)庫。
    四、結(jié)論與展望
    （l）由于大跨橋梁受環(huán)境因素影響較大，安全系數(shù)低，必須對其進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測。
    （2）由于GPS定位精度高，速度快，同其他幾種位移監(jiān)測儀器相比具有明顯的優(yōu)點，可用它對大跨度橋梁做連續(xù)實時監(jiān)測，同時應(yīng)進(jìn)一步提高其精度，從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。目前GPS已在虎門大橋安裝成功，實現(xiàn)了對大橋連續(xù)實時監(jiān)測。
    （3）在系統(tǒng)識別方面，比較了時域和頻域法的優(yōu)劣，今后應(yīng)進(jìn)行結(jié)合時頻的系統(tǒng)識別研究。
    （4）在模型修正方面，應(yīng)在基于敏感性分析的基礎(chǔ)上，研究適合于大跨橋梁的模型修正方法。
    （5）由于對橋梁缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合實驗測試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。
相關(guān)關(guān)鍵字：基樁橋梁檢測、橋梁檢測、大橋檢測、大跨橋梁、
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