大跨度橋梁安全監(jiān)測的技術(shù)分析
2011-10-09 來源：中國百科網(wǎng)
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?，很多大跨度橋梁?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(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中心斷場50m，其中15m掉進(jìn)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忽然斷裂的原因是長期超負(fù)荷運營，鋼梁螺栓及桿件疲憊破壞所致。
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(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忽然倒塌，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)不公道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。
過往十幾年里，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(jìn)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(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，很多研究職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[1,2,3]。
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公道，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丈量以及對橫向位移丈量有困難。
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丈量。
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，在國外也僅限于位移監(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。
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(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實時相位差分即RTK技術(shù)（RealTimeKinematic），實時測定大橋位移。原理見圖1。
GPSRTK差分系統(tǒng)是由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通訊系統(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，提供大橋治理部分進(jìn)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(zhǔn)站傳來的GPS差分信號，即可進(jìn)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，可以在狂風(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)可自動存進(jìn)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。GPSRTK最快可達(dá)10～20Hi速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10mm，高程為20mm。
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)一步進(jìn)步GPS的定位精度，但不排除GPS對其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
三、橋排擠全監(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)同的一種最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)，由于可以采用多次均勻來消除隨機(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基于振型數(shù)奇聯(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(kuò)階識別和最小二乘法。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進(jìn)步識別精度，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。
1．精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)猜測的重要條件；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測,損傷檢測以及實現(xiàn)最優(yōu)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)經(jīng)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)行輕易的特點，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(jié)構(gòu)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(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最小化題目來修正剛度和質(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，屬于典型的非線性題目。只有第三種方法利用觀丈量對結(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，該方法常會得出違反物理意義的參數(shù)修正。
2．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定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是最為簡單的。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。利用振型判定結(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］，因此一般以為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測的指紋，而振型固然對局部剛度比較敏感，但精確丈量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依靠于振型的動力指紋都碰到同樣的題目。對橋缺損狀態(tài)的評價缺乏同一有效的指標(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)論與展看
（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(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)一步進(jìn)步其精度，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)的評價缺乏同一有效的指標(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)。
