大跨桥梁安全监测的技术方法分析

　　摘要：首先介绍了现代大跨桥梁的平安监测的意义，通过对比目前几种测试位移仪器的优缺点，提出用GPS进行大桥位移监测的新方式，并论述了其原理和特性；指出目前用干体系辨认的时域和频域法的各自缺少，讨论联合时颇的参数辨认的新方式，最后提到目前用于大跨桥梁伤害检测方式的艰难。

 

　　症结词：大跨桥梁 GPS 体系辨认 伤害检测

 

　　一、桥粱平安监测的意义

 

　　随着科学技巧的进步以及交通运输的需求，许多大跨度桥梁应运而生，尤其是悬索桥以其跨度大，外型幽美，节俭资料而备受人们的喜爱，成为大跨度桥梁的首选。但随着跨度的增大，从几百m到3000m；加劲梁的高跨比越来越小，（l÷40～l÷300）；平安系数也随之降落，由以前的4～5降落为2～3。另外，因为其柔性大，频率低，对风的作用很敏感。因为缺少必要的监测和相应的养护，世界各地涌现了少量桥梁损好事变，给人民经济和性命财富形成了伟大丧失。

 

　　1994年10月韩国汉城发作了横跨汉江的圣水大桥中心断场50m，其中15m掉入江中，形成逝世亡32人、轻伤17人的严重事变。据称形成桥梁在行车顶峰期忽然断裂的起因是临时超负荷经营，钢梁螺栓及杆件疲惫破坏所致。

 

　　1940年竣工的主跨853m的塔可马大桥（Tacoma Narrows），只应用了三个月，便在19m÷s的风速下形成了塌桥事变 ：1951年主跨 1280m的金门大桥于风速 15～1520m÷s时因振动而形成桥体部分破坏，等等。

 

　　美国现有的约50万座公路桥中，20万座以上存在不同程度的伤害。1967年2月横跨美国俄亥俄河上的银桥忽然倒塌，形成46人逝世于非命。

 

　　我国晚期建造的斜拉桥，因为拉索的防护不合理而引起的斜拉索的严重锈蚀，如济南黄河桥、广州海印桥的斜拉索在远未到达他们的设计寿命下，自愿全部改换，形成很大的经济丧失和不良的社会影响。

 

　　过来十几年里，我国已建成一批大跨度桥梁，仅上海就有南浦、杨浦和徐浦大桥等具备世界先进程度的桥梁，另外，香港的青马大桥和虎门的虎门大桥又是我国初次树立的悬索桥，近年来我国特殊是沿海地域交通开展敏捷，急切须要树立一少量大跨度桥梁。为了确保这些耗资伟大，与国计民生亲密相干的大桥的平安持久，必需对这些大桥进行延续的监测。

 

　　目前，桥梁的监测越来越遭到注重，许多钻研人员都在致力于桥梁的监测钻研，桥梁的平安监测正日益成为土木工程学科中的一个十分活泼的钻研方向【1，2，3】。

 

　　二、桥梁位移监测仪器的现状

 

　　大跨度桥梁受风荷载，车载，温度和地震影响较大，而在沿海地域个别无地震，重要受台风，车载和温度的影响，为保障其在上述条件下的平安经营，必需钻研桥梁在上述条件下的实践位移曲线，而目前对风的钻研仅局限于实践和模型试验，对实桥在风作用下的钻研还不充足，对车载的钻研也只是在特定时光和空间下进行。重要起因是测试仪器的不合理，对大桥不能延续实时监测。目前用于构造监测的仪器重要有：经纬仪、位移传感器、减速度传感器和激光测试方式。

 

　　上海杨浦大桥就采取的是全站仪主动扫描法，对各个测点进行7s一周的延续扫描，其缺点是各测点不同步以及大变形时不可测。

 

　　位移传感器是一种接触型传感器，必需与测点相接触，其缺点是关于难以靠近点无法测量以及对横向位移测量有艰难。

 

　　减速度传感器，关于低频动态位移辨别后果差，为获得位移必需对它进行两次积分，精度不高，也无法实时。而大型悬索桥的频率个别都较低。

 

　　激光法测试精度较高，但在桥梁晃动大时因为无法捕获光点也无法测量。

 

　　除上述缺少外，对桥梁的扭角测试也力所能及，为对桥梁进行平安监测，必需寻觅更好的测试方式。目前涌现了应用GPS进行测试的老手腕，在桥梁高层构造上进行实地测试【4~6】，过静君与1996年对深圳帝王大厦，1998年对香港的青马大桥进行了试验钻研，特殊是1999年在广州虎门大桥进行了实桥测试，目前已正常任务。国外的dodson，A。H，1997；brown，G。J，1999也应用GPS对构造进行监测，获得了胜利，但在海内应用GPS对桥梁的测试还无先例，在国外也仅限于位移监测，应用GPS进行能源剖析和钻研桥梁在风和车辆作用下的力学行动还不充足。上面介绍应用GPS监测的原理和特性。

 

　　GPS位移监测原理：大桥位移监测体系是采取卫星定位体系。它是应用吸收导航卫星载波相位进行实时相位差分即 RTK技巧（Real Time Kinematic），实时测定大桥位移。原理见图1。

 

　　GPS RTK差分体系是由 GPS基准站、GPS监测站和通讯体系组成。基准站将吸收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站吸收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此后果将送到GPS监控中心。监控中心对吸收机的GPS差分信号后果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角盘算，供给大桥治理部门进行平安剖析。

 

　　GPS监测大桥位移特性：

 

　　（l）因为GPS是吸收卫星运行定位，所以大桥上各点只要能吸收到6颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPS RTK差分定位。各监测站之间勿需通视，是互相独立的观测值。

 

　　（2）GPS定位受外界大气影响小，能够在暴风雨中进行监测。

 

　　（3）GPS测定位移主动化程度高。从吸收信号，捕获卫星，到实现RTK差分位移都可由仪器主动实现。所测三维坐标可主动存入监控中心效劳器进行大桥平安性剖析。

 

　　（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可达10～20Hi速率输入定位后果，定位精度立体为10mm，高程为20mm。

 

　　当然，GPS进行桥梁的实时监测也存在着缺少，目前仅能对变形绝对较大的位移进行监测，关于小位移还需进一步进步GPS的定位精度，但不清除GPS对其余大型构造的应用远景。

 

　　三、桥架空全监测的实践钻研现状

 

　　传统检测手腕能够对桥梁的外观及某些构造特性进行监测。检测的后果个别也能部分地反应构造以后状况，但是却难以片面反应桥梁的衰弱状况，尤其是难以对桥梁的平安储藏以及进化的门路作出体系的评估。此外惯例的检测技巧也难以发明隐秘构件的伤害。目前得到广泛认同的一种最有前程的方式就是联合体系辨认，振动实践，振动测试技巧，信号采集与剖析等跨学科技巧的试验模态剖析法。

 

　　在体系参数辨认方面目前广泛采取两种方式：频域法和时域法。频域法应用所施加的鼓励和由此得到的响应，经过FFT剖析得到频响函数，而后采取诸如多项式拟和的方式得到模态参数，因为能够采取屡次均匀来清除随机误差对频响函数的影响，采取频域辨认方式的精度有肯定的保障，不过该法存在以下缺点：①基于振型不偶联，因而，只能辨认具备经典阻尼的构造的实模态。像大跨悬索桥这样的构造，具备显著的非经典阻尼性质。频域法应用遭到限制。②须要经过FFT剖析，由此带来了诸如走漏等偏度误差对参数辨认的影响。近来的环境脉动法能够无须晓得鼓励而得到振型参数，又扩大了该法的应用规模【7，8】。70年代前期涌现的时域辨认方式，填补了频域法的缺少，能够用随机或自在响应数据来辨认模态参数。它们不用进行FFT剖析，从而清除了FFT剖析所带来的误差。尤其是它还能够从未知随机鼓励的响应信号中得到随机减量特性，因而该方式成为能根据在线信号对体系进行辨认的惟一方式。但也存在着一些缺点：因为在参数辨认时应用了所测信号的全部信息，而不是截取有效的频段，于是信号中蕴含的模态数目对比多，但因为试验测试环节及其余起因，使得其中的一些模态的信息并未被充足搜集，以至只能将这些完全的信息看作噪声，目前清除噪声的方式重要有扩阶辨认和最小二乘法。以后应用ITD法对桥梁进行在线监测获得肯定后果【9，10】综上所述，时域法和频域法均有本人的缺点，应寻觅一种综合时频的方式以进步辨认精度，近来涌现的小波变换能够综合时频，可讨论其在桥梁参数辨认方面的应用。在构造伤害检测定位方面，目前可分为模型修改法和指纹剖析法两类。

 

　　1。准确的有限元建模是大型桥梁凤震响应猜测的重要前提；也是构造平安监测，伤害检测以及实现最优振动掌握的基本。但是，只管有限无法得到了高度的开展，实践庞杂构造的有限元模型依然是有误差的。有限元建模为构造航行供给完全的实践模态参数集，但这些参数经常与构造模态试验得到的参数不一致。因而，必需对构造实践模型进行调剂或修改，使得修改后的模态参数与试验相一致，这一历程即有限元模型修改。

 

　　模型修改法在桥梁监测中重要用于把试验构造的振动反应记载与本来的模型盘算后果进行综合对比，应用间接或间接测知的模态参数，减速度时程记载，频响函数等，通过条件优化束缚，一直地修改模型中的刚度和质量信息，从而得到构造变更的信息，实现构造的伤害判定与定位。其重要方式有：

 

　　（1）矩阵型法，是开展最早，最成熟，修改盘算模型的全部矩阵的一类方式，它具备精度高、履行轻易的特性，重要缺点是所修改的模型的物理意义不明白，丧失了原有限元模型的带状特性，这方面的代表应属Berman÷Baruch的最优法。

 

　　（2）子矩阵修改法，通过看待修改的字矩阵或单元矩阵定义修改系数，通过对宇矩阵修改系数的调剂来修改构造刚度，该方式的最大长处是修改后的刚度矩阵仍维持者原矩阵的对称，稀少性。

 

　　（3）敏锐度法修改构造参数通过修改构造的设计参数弹性模量E截面面积A等来对有限元模型进行修改。

 

　　上述的前两种方式通过求解一个矩阵方程或带束缚的最小化问题来修改刚度和质量矩阵，并假设刚度与质量的变更互相独立。因而，这类方式不实用于构造刚度矩阵和质量矩阵变更相干的有限元模型修改。而大跨度桥梁的质质变更通常会弓愧构造刚度的变更，属于典范的非线性问题。只要第三种方式应用观测量对构造参数的敏理性来修改构造参数。基于敏理性剖析的参数修改能够从敏感剖析的两头后果看出各参数对构造振动的影响程度；并且，可间接说明构造物理量的修改，无须通过应用总纲阵的对比来反应修改状况。但是但待修改参数较多时，该方式常会得出违抗物理意义的参数修改。

 

　　2。指纹剖析方式，寻觅与构造能源特性有关的能源指纹，通过这些指纹的变更来判定构造的实在状况。

 

　　在线监测中，频率是最易获得的模态参数，而且精度很高，因而通过监测频率的变更来辨认构造破损能否发作是最为简朴的。此外，振型也可用于构造破损的发明，只管振型的测试精度低于频率，但振型蕴含更多的破损信息。应用振型判定构造的破损能否发作的门路很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩阵法。

 

　　但少量的模型和实践构造试验标明构造伤害招致的固有频率变更很小，而振型情势变更显著【11，12】，个别伤害使构造自振频率的变更都在5％以内【11，12】，而Askegaard等在对桥梁的临时观测后发明，在一年时期里桥梁即便没有任何显著的变更，其振动频率的变更也可达10％【63】，因而个别以为自振频率不能间接用来作为桥梁监测的指纹，而振型尽管对部分刚度对比敏感，但准确测量对比艰难，MAC，COMAC，CMS等依靠于振型的能源指纹都碰到同样的问题。对桥缺损状况的评估缺少对立有效的指标，有人以隐约实践，构造牢靠度实践等为实践框架树立了各种桥梁应用性能评估专家体系，但必需首先树立各种标准和专家数据库。

 

　　四、论断与瞻望

 

　　（l）因为大跨桥梁受环境因素影响较大，平安系数低，必需对其进行延续实时监测。

 

　　（2）因为GPS定位精度高，速度快，同其余几种位移监测仪器相比具备显著的长处，可用它对大跨度桥梁做延续实时监测，同时应进一步进步其精度，从而扩大其应用规模。目前GPS已在虎门大桥装置胜利，实现了对大桥延续实时监测。

 

　　（3）在体系辨认方面，对比了时域和频域法的优劣，今后应进行联合时频的体系辨认钻研。

 

　　（4）在模型修改方面，应在基于敏理性剖析的基本上，钻研适宜于大跨桥梁的模型修改方式。

 

　　（5）因为对桥梁缺损状况的评估缺少对立有效的指标，应联合试验测试和有限元建模钻研适宜于大跨桥梁的指纹指标。