過去十幾年里，我國(guó)已建成一批大跨度橋梁，僅上海就有南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋等多座具有世界先進(jìn)水平的大跨度橋梁。另外，近年來由于我國(guó)交通發(fā)展迅速，迫切地需要建立一大批大跨度橋梁。為確保這些耗資巨大，與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久性，必須對(duì)這些橋梁進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。

 

 

目前，橋梁的監(jiān)測(cè)越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測(cè)研究，橋梁的安全監(jiān)測(cè)正日益成為土木工程學(xué)科中的一個(gè)非?；钴S的研究方向。橋梁位移監(jiān)測(cè)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，主要是受臺(tái)風(fēng)、車載、溫度等的影響。為保證大跨度橋梁在上述條件下的安全運(yùn)營(yíng)，必須研究橋梁在上述條件下的實(shí)際位移曲線。而目前對(duì)風(fēng)的研究?jī)H局限于理論和模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)橋在風(fēng)作用下的研究還尚不成熟，對(duì)車載的研究也只是在特定時(shí)間和空間下才進(jìn)行的。造成以上結(jié)果的主要原因，還在于測(cè)試儀器的不合理性，其不能對(duì)大橋進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，因此，必須選擇合適的測(cè)試儀器才能確保獲取實(shí)時(shí)、有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

 

 

監(jiān)測(cè)儀器的種類

 

 

當(dāng)前，用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的儀器主要有經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器，以及激光測(cè)試的方法。上海楊浦大橋采用的是全站儀自動(dòng)掃描法，可對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一周的連續(xù)掃描，但其缺點(diǎn)是各測(cè)點(diǎn)不同步，以及大變形時(shí)不可測(cè)。

 

 

位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測(cè)點(diǎn)相接觸，其缺點(diǎn)是對(duì)于難以接近點(diǎn)無法測(cè)量，以及對(duì)橫向位移測(cè)量有困難；加速度傳感器，對(duì)于低頻靜態(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對(duì)它進(jìn)行兩次積分，其缺點(diǎn)是精度不高及無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；激光法測(cè)試雖精度較高，但在橋梁晃動(dòng)大時(shí)，則無法捕捉光點(diǎn)，導(dǎo)致無法測(cè)量。

 

 

GPS測(cè)試法

 

 

為對(duì)橋梁安全監(jiān)測(cè)，必須尋找更好的測(cè)試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進(jìn)行測(cè)試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，這種方法在已國(guó)外實(shí)測(cè)獲得了成功。在國(guó)外，GPS測(cè)試法也僅限于位移監(jiān)測(cè)。由于GPS是接收衛(wèi)星運(yùn)行定位的，所以大橋上各點(diǎn)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(hào)即可進(jìn)行GPSRTK差分定位，且各監(jiān)測(cè)站之間不需要通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)值；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(cè)；GPS測(cè)定位移自動(dòng)化程度高，從接收信號(hào)，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成，且所測(cè)三維坐標(biāo)可自動(dòng)存入監(jiān)控中心服務(wù)器，進(jìn)行大橋安全性分析；GPS定位速度快、精度高。

 橋梁安全監(jiān)測(cè)的重要性及其意義分析

 

橋梁安全監(jiān)測(cè)的理論研究

 

 

傳統(tǒng)檢測(cè)手段可以對(duì)橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，但卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是很難對(duì)橋梁的安全儲(chǔ)備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評(píng)估。此外，常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)也較難發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前被普遍認(rèn)同的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。

 

 

系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)

 

 

系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別目前普遍采用頻域法和時(shí)域法兩種方法。頻域法可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對(duì)頻響函數(shù)的影響，因此該方法的精度能夠有一定的保證，但其也有一定的缺點(diǎn)：基于振型不偶聯(lián)，致使如大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用該法會(huì)受到限制；需要經(jīng)過FFT分析，由此卻帶來了偏度誤差對(duì)參數(shù)識(shí)別的影響。時(shí)域法是于70年代后期出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了頻域法的不足，從而消除了FFT分析所帶來的誤差。它還可以從未知隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)中得到隨機(jī)減量特征，因此成為了能依據(jù)在線信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的唯一方法。但其也存在一些缺陷：時(shí)域法在參數(shù)識(shí)別時(shí)不是截取有效頻段，而使信號(hào)中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)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。

 

 

結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)與定位對(duì)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(shí)驗(yàn)相一致，這一過程就是有限元模型修正。精確的有限元建模是大型橋梁風(fēng)震響應(yīng)預(yù)測(cè)的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、損傷檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限元法得到了高度的發(fā)展，實(shí)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(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)不一致。

 

 

結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。模型修正法在橋梁監(jiān)測(cè)中主要用于記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，并與原先的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測(cè)知的模態(tài)參數(shù)，記錄加速度時(shí)程，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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。指紋分析方法則是指尋找與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)的動(dòng)力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。

 

 

大量的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)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，一般損傷使結(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5％以內(nèi)，而在對(duì)橋梁的長(zhǎng)期觀測(cè)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(dòng)頻率的變化也可達(dá)10％。因此，一般認(rèn)為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測(cè)的指紋，而振型雖然對(duì)局部剛度比較敏感，但精確測(cè)量比較困難，對(duì)橋缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)。

 橋梁安全監(jiān)測(cè)的重要性及其意義分析

 

綜上所述，大跨橋梁由于受環(huán)境因素影響較大，安全系數(shù)低，必須對(duì)其進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；GPS測(cè)試法同其他幾種位移監(jiān)測(cè)儀器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可用其對(duì)大跨度橋梁做連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但還應(yīng)進(jìn)一步提高其監(jiān)測(cè)精度，以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍；在系統(tǒng)識(shí)別方面，應(yīng)積極進(jìn)行結(jié)合時(shí)頻的系統(tǒng)識(shí)別研究；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；由于對(duì)橋梁缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。