大跨橋梁安全監(jiān)測的技術方法分析

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一、橋粱安全監(jiān)測的意義
    隨著科學技術的進步以及交通運輸?shù)男枨螅S多大跨度橋梁應運而生，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，成為大跨度橋梁的首選。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，對風的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測和相應的養(yǎng)護，世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故，給國民經(jīng)濟和生命財產(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中央斷場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（TacomaNarrows），只使用了三個月，便在19m／s的風速下造成了塌橋事故 ：1951年主跨 1280m的金門大橋于風速 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，由于拉索的防護不合理而引起的斜拉索的嚴重銹蝕，如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠未達到他們的設計壽命下，被迫全部更換，造成很大的經(jīng)濟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世界先進水平的橋梁，另外，香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國首次建立的懸索橋，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的大橋的安全耐久，必須對這些大橋進行連續(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科中的一個非?；钴S的研究方向[1,2,3]。
    二、橋梁位移監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀
    大跨度橋梁受風荷載，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，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，而目前對風的研究僅局限于理論和模型實驗，對實橋在風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。目前用于結構監(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進行測試的新手段，在橋梁高層結構上進行實地測試[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行了實驗研究，特別是1999年在廣州虎門大橋進行了實橋測試，目前已正常工作。國外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對結構進行監(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，在國外也僅限于位移監(jiān)測，利用GPS進行動力分析和研究橋梁在風和車輛作用下的力學行為還不充分。下面介紹利用GPS監(jiān)測的原理和特點。
    GPS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)。它是利用接收導航衛(wèi)星載波相位進行實時相位差分即RTK技術（Real Time Kinematic），實時測定大橋位移。原理見圖1。
    GPS RTK差分系統(tǒng)是由GPS基準站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成?；鶞收緦⒔邮盏降男l(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基準站信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。此結果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對接收機的GPS差分信號結果進行橋梁橋面、橋塔的位移、轉角計算，提供大橋管理部門進行安全分析。
    GPS監(jiān)測大橋位移特點：
    （1）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)星及基準站傳來的GPS差分信號，即可進行GPSRTK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，可以在暴風雨中進行監(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。所測三維坐標可自動存入監(jiān)控中心服務器進行大橋安全性分析。
    （4）GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可達10～20Hi速率輸出定位結果，定位精度平面為10mm，高程為20mm。
    當然，GPS進行橋梁的實時監(jiān)測也存在著不足，目前僅能對變形相對較大的位移進行監(jiān)測，對于小位移還需進一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對其他大型結構的應用前景。
    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構特性進行監(jiān)測。檢測的結果一般也能部分地反映結構當前狀態(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)的檢測技術也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構件的損傷。目前得到普遍認同的一種最有前途的方法就是結合系統(tǒng)識別，振動理論，振動測試技術，信號采集與分析等跨學科技術的實驗模態(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，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)典阻尼的結構的實模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結構，具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質。頻域法應用受到限制。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)，又擴展了該法的應用范圍[7,8]。70年代后期出現(xiàn)的時域識別方法，彌補了頻域法的不足，可以用隨機或自由響應數(shù)據(jù)來識別模態(tài)參數(shù)。它們不必進行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激勵的響應信號中得到隨機減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線信號對系統(tǒng)進行識別的唯一方法。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階識別和最小二乘法。當前利用ITD法對橋梁進行在線監(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)識別方面的應用。在結構損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。
    1、精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應預測的重要前提；也是結構安全監(jiān)測,損傷檢測以及實現(xiàn)最優(yōu)振動控制的基礎。但是，盡管有限無法得到了高度的發(fā)展，實際復雜結構的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結構飛行提供完整的理論模態(tài)參數(shù)集，但這些參數(shù)常常與結構模態(tài)實驗得到的參數(shù)不一致。因此，必須對結構理論模型進行調(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構的振動反應記錄與原先的模型計算結果進行綜合比較，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量信息，從而得到結構變化的信息，實現(xiàn)結構的損傷判別與定位。其主要方法有： 
    （1）矩陣型法，是發(fā)展最早，最成熟，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，這方面的代表應屬Berman／Baruch的最優(yōu)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)整來修正結構剛度，該方法的最大優(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）靈敏度法修正結構參數(shù)通過修正結構的設計參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進行修正。
    上述的前兩種方法通過求解一個矩陣方程或帶約束的最小化問題來修正剛度和質量矩陣，并假定剛度與質量的變化相互獨立。因此，這類方法不適用于結構剛度矩陣和質量矩陣變化相關的有限元模型修正。而大跨度橋梁的質量變化通常會弓愧結構剛度的變化，屬于典型的非線性問題。只有第三種方法利用觀測量對結構參數(shù)的敏感性來修正結構參數(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果看出各參數(shù)對結構振動的影響程度；并且，可直接解釋結構物理量的修改，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。
    2、指紋分析方法，尋找與結構動力特性有關的動力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結構的真實狀況。
    在線監(jiān)測中，頻率是最易獲得的模態(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構破損是否發(fā)生是最為簡單的。此外，振型也可用于結構破損的發(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。利用振型判斷結構的破損是否發(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構實驗表明結構損傷導致的固有頻率變化很小，而振型形式變化明顯[11,12]，一般損傷使結構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10％［63］，因此一般認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，但精確測量比較困難，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，有人以模糊理論，結構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、結論與展望
    （1）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，同時應進一步提高其精度，從而擴展其應用范圍。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，今后應進行結合時頻的系統(tǒng)識別研究。
    （4）在模型修正方面，應在基于敏感性分析的基礎上，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，應結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。