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大跨橋梁安全監測的技術(shù)方法簡(jiǎn)析

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　　一、橋粱安全監測的意義
    　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運輸的需求，許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，節省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨著(zhù)跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越來(lái)越小，（l/40～l/300）；安全系數也隨之下降，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。由于缺乏必要的監測和相應的養護，世界各地出現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(chǎng)50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據稱(chēng)造成橋梁在行車(chē)高峰期突然斷裂的原因是長(cháng)期超負荷運營(yíng)，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(gè)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(mén)大橋于風(fēng)速 15～1520m／s時(shí)因振動(dòng)而造成橋體部分損壞，等等。
    　　美國現有的約50萬(wàn)座公路橋中，20萬(wàn)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(huì )影響。
    　　
    　　過(guò)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(jìn)水平的橋梁，另外，香港的青馬大橋和虎門(mén)的虎門(mén)大橋又是我國首次建立的懸索橋，近年來(lái)我國特別是沿海地區交通發(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)行連續的監測。
    　　目前，橋梁的監測越來(lái)越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監測研究，橋梁的安全監測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[1,2,3]。
    　　
    　　二、橋梁位移監測儀器的現狀
    　　大跨度橋梁受風(fēng)荷載，車(chē)載，溫度和地震影響較大，而在沿海地區一般無(wú)地震，主要受臺風(fēng)，車(chē)載和溫度的影響，為保證其在上述條件下的安全運營(yíng)，必須研究橋梁在上述條件下的實(shí)際位移曲線(xiàn)，而目前對風(fēng)的研究?jì)H局限于理論和模型實(shí)驗，對實(shí)橋在風(fēng)作用下的研究還不充分，對車(chē)載的研究也只是在特定時(shí)間和空間下進(jìn)行。主要原因是測試儀器的不合理，對大橋不能連續實(shí)時(shí)監測。目前用于結構監測的儀器主要有：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(dòng)掃描法，對各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行7s一周的連續掃描，其缺點(diǎn)是各測點(diǎn)不同步以及大變形時(shí)不可測。
    　　位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測點(diǎn)相接觸，其缺點(diǎn)是對于難以接近點(diǎn)無(wú)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(wú)法實(shí)時(shí)。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(dòng)大時(shí)由于無(wú)法捕捉光點(diǎn)也無(wú)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)行安全監測，必須尋找更好的測試方法。目前出現了利用GPS進(jìn)行測試的新手段，在橋梁高層結構上進(jìn)行實(shí)地測試[4~6]，過(guò)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(shí)驗研究，特別是1999年在廣州虎門(mén)大橋進(jìn)行了實(shí)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(jìn)行監測，獲得了成功，但在國內利用GPS對橋梁的測試還無(wú)先例，在國外也僅限于位移監測，利用GPS進(jìn)行動(dòng)力分析和研究橋梁在風(fēng)和車(chē)輛作用下的力學(xué)行為還不充分。下面介紹利用GPS監測的原理和特點(diǎn)。
    　　
    　　GPS位移監測原理：大橋位移監測系統是采用衛星定位系統。它是利用接收導航衛星載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實(shí)時(shí)測定大橋位移。原理見(jiàn)圖1。
    　　GPS RTK差分系統是由GPS基準站、GPS監測站和通信系統組成?；鶞收緦⒔邮盏降男l星差分信息經(jīng)過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳遞到監測站。監測站接收衛星信號及GPS基準站信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測得站點(diǎn)的三維空間坐標。此結果將送到GPS監控中心。監控中心對接收機的GPS差分信號結果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉角計算，提供大橋管理部門(mén)進(jìn)行安全分析。
    　　
    　　GPS監測大橋位移特點(diǎn)：
    　?。?）由于GPS是接收衛星運行定位，所以大橋上各點(diǎn)只要能接收到6顆以上GPS衛星及基準站傳來(lái)的GPS差分信號，即可進(jìn)行GPSRTK差分定位。各監測站之間勿需通視，是相互獨立的觀(guān)測值。
    　?。?）GPS定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監測。
    　?。?）GPS測定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號，捕捉衛星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測三維坐標可自動(dòng)存入監控中心服務(wù)器進(jìn)行大橋安全性分析。
    　?。?）GPS定位速度快、精度高。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(jìn)行橋梁的實(shí)時(shí)監測也存在著(zhù)不足，目前僅能對變形相對較大的位移進(jìn)行監測，對于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對其他大型結構的應用前景。
    　　
    　　三、橋架空全監測的理論研究現狀
    　　傳統檢測手段可以對橋梁的外觀(guān)及某些結構特性進(jìn)行監測。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的評估。此外常規的檢測技術(shù)也難以發(fā)現隱秘構件的損傷。目前得到普遍認同的一種最有前途的方法就是結合系統識別，振動(dòng)理論，振動(dòng)測試技術(shù)，信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗模態(tài)分析法。
    　　
    　　在系統參數識別方面目前普遍采用兩種方法：頻域法和時(shí)域法。頻域法利用所施加的激勵和由此得到的響應，經(jīng)過(guò)FFT分析得到頻響函數，然后采用諸如多項式擬和的方法得到模態(tài)參數，由于可以采用多次平均來(lái)消除隨機誤差對頻響函數的影響，采用頻域識別方法的精度有一定的保證，不過(guò)該法存在以下缺點(diǎn)：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(shí)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(zhì)。頻域法應用受到限制。②需要經(jīng)過(guò)FFT分析，由此帶來(lái)了諸如泄漏等偏度誤差對參數識別的影響。近來(lái)的環(huán)境脈動(dòng)法可以無(wú)須知道激勵而得到振型參數，又擴展了該法的應用范圍[7,8]。70年代后期出現的時(shí)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據來(lái)識別模態(tài)參數。它們不必進(jìn)行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來(lái)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在線(xiàn)信號對系統進(jìn)行識別的唯一方法。但也存在著(zhù)一些缺陷：由于在參數識別時(shí)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)數目比較多，但由于實(shí)驗測試環(huán)節及其他原因，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(jìn)行在線(xiàn)監測取得一定成果[9,10]綜上所述，時(shí)域法和頻域法均有自己的缺陷，應尋找一種綜合時(shí)頻的方法以提高識別精度，近來(lái)出現的小波變換可以綜合時(shí)頻，可探討其在橋梁參數識別方面的應用。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(lèi)。
    　　
    　　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；也是結構安全監測,損傷檢測以及實(shí)現最優(yōu)振動(dòng)控制的基礎。但是，盡管有限無(wú)法得到了高度的發(fā)展，實(shí)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)參數集，但這些參數常常與結構模態(tài)實(shí)驗得到的參數不一致。因此，必須對結構理論模型進(jìn)行調整或修正，使得修正后的模態(tài)參數與實(shí)驗相一致，這一過(guò)程即有限元模型修正。
    　　
    　　模型修正法在橋梁監測中主要用于把實(shí)驗結構的振動(dòng)反應記錄與原先的模型計算結果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數，加速度時(shí)程記錄，頻響函數等，通過(guò)條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度和質(zhì)量信息，從而得到結構變化的信息，實(shí)現結構的損傷判別與定位。其主要方法有：
    　?。?）矩陣型法，是發(fā)展最早，最成熟，修正計算模型的整個(gè)矩陣的一類(lèi)方法，它具有精度高、執行容易的特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)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(diǎn)，這方面的代表應屬Berman／Baruch的最優(yōu)法。
    　?。?）子矩陣修正法，通過(guò)對待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數，通過(guò)對宇矩陣修正系數的調整來(lái)修正結構剛度，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是修正后的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對稱(chēng)，稀疏性。
    　?。?）靈敏度法修正結構參數通過(guò)修正結構的設計參數彈性模量E截面面積A等來(lái)對有限元模型進(jìn)行修正。
    　　上述的前兩種方法通過(guò)求解一個(gè)矩陣方程或帶約束的最小化問(wèn)題來(lái)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(lèi)方法不適用于結構剛度矩陣和質(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(huì )弓愧結構剛度的變化，屬于典型的非線(xiàn)性問(wèn)題。只有第三種方法利用觀(guān)測量對結構參數的敏感性來(lái)修正結構參數?；诿舾行苑治龅膮敌拚梢詮拿舾蟹治龅闹虚g結果看出各參數對結構振動(dòng)的影響程度；并且，可直接解釋結構物理量的修改，無(wú)須通過(guò)利用總綱陣的比較來(lái)反映修改情況。然而但待修正參數較多時(shí)，該方法常會(huì )得出違背物理意義的參數修正。
    　　
    　　2、指紋分析方法，尋找與結構動(dòng)力特性有關(guān)的動(dòng)力指紋，通過(guò)這些指紋的變化來(lái)判斷結構的真實(shí)狀況。
    　　在線(xiàn)監測中，頻率是最易獲得的模態(tài)參數，而且精度很高，因此通過(guò)監測頻率的變化來(lái)識別結構破損是否發(fā)生是最為簡(jiǎn)單的。此外，振型也可用于結構破損的發(fā)現，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(shí)際結構實(shí)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?xún)萚11,12]，而Askegaard等在對橋梁的長(cháng)期觀(guān)測后發(fā)現，在一年期間里橋梁即使沒(méi)有任何明顯的變化，其振動(dòng)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(lái)作為橋梁監測的指紋，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(lài)于振型的動(dòng)力指紋都遇到同樣的問(wèn)題。對橋缺損狀態(tài)的評價(jià)缺乏統一有效的指標，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(zhuān)家系統，但必須首先建立各種規范和專(zhuān)家數據庫。
    　　
    　　四、結論與展望
    　?。?）由于大跨橋梁受環(huán)境因素影響較大，安全系數低，必須對其進(jìn)行連續實(shí)時(shí)監測。
    　?。?）由于GPS定位精度高，速度快，同其他幾種位移監測儀器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可用它對大跨度橋梁做連續實(shí)時(shí)監測，同時(shí)應進(jìn)一步提高其精度，從而擴展其應用范圍。目前GPS已在虎門(mén)大橋安裝成功，實(shí)現了對大橋連續實(shí)時(shí)監測。
    　?。?）在系統識別方面，比較了時(shí)域和頻域法的優(yōu)劣，今后應進(jìn)行結合時(shí)頻的系統識別研究。
    　?。?）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。
    　?。?）由于對橋梁缺損狀態(tài)的評價(jià)缺乏統一有效的指標，應結合實(shí)驗測試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標。

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