大（dà）跨橋梁安全監測（cè）的技術方法的幾點分析
更新時間：2021-04-10 17:51
|
閱讀量：
隨著科學技術的進步以及交（jiāo）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（xíng）優美，節（jiē）省材料而備受人們的青睞，成為大（dà）跨度橋梁的（de）首選。但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越（yuè）來（lái）越小，（l/40～l/300）；安（ān）全係數也隨（suí）之下降，由以前的4～5下降為2～3.另外，由於其柔性大，頻率低，對風的作用很敏感。由於缺乏必（bì）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，給國民經濟和生命財產造成了巨大損失。
一、橋粱（liáng）安全監測的意義
隨著科學技術的進（jìn）步以及交通運輸的需求，許多大跨度橋（qiáo）梁應運而生，尤其（qí）是（shì）懸索橋以其（qí）跨度大，造型優美，節省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨（suí）著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁（liáng）的高（gāo）跨比越來越小，（l/40～l/300）；安（ān）全係數也隨之下降，由以前的4～5下降為2～3.另（lìng）外，由於（yú）其柔性大，頻率低，對風的作用很敏感。由於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（gù），給國民經濟和生命財產造成了巨大損失。
1994年（nián）10月韓（hán）國漢城發生了橫跨漢江的聖水大橋中央斷場50m，其（qí）中15m掉入江中，造成死（sǐ）亡32人、重傷17人的重大事故（gù）。據稱造成（chéng）橋梁在行車（chē）高峰期突然斷裂的原因是長期超負荷運（yùn）營，鋼梁螺栓及杆件疲勞破壞所致；1940年完工的主（zhǔ）跨853m的塔可馬大橋（Tacoma Narrows），隻使用了三個月，便在19m／s的風（fēng）速下造成了塌橋事（shì）故 ；1951年主跨 1280m的金門大橋於風速 15～1520m／s時因振動而造成（chéng）橋體部分損壞（huài），等等（děng）。
美國現有的（de）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（kuà）美國俄亥俄河上的銀橋突然倒塌，造成46人死於非命。
我國早期建造的斜拉橋，由於拉索的防護不合理而引起的斜拉索的嚴重鏽蝕，如濟南黃河橋、廣州（zhōu）海印橋的斜拉索在遠未（wèi）達到他們的設計壽命下，被迫全部更換，造（zào）成很大的（de）經濟損失和不良的社會影響。
過去十幾年裏，我國已建成一（yī）批大跨度橋梁，僅上（shàng）海就有南浦（pǔ）、楊浦和徐浦大（dà）橋等具有（yǒu）世界（jiè）先進水平的橋梁，另外，香港的（de）青馬大橋和虎門的虎門（mén）大橋又是我國首次建立的（de）懸索橋，近年來我（wǒ）國特（tè）別是沿海地區交通發展迅速，迫切（qiē）需要建立（lì）一大批大跨度橋梁。為了確保這些耗資巨大，與（yǔ）國計民生密切相（xiàng）關的大橋的（de）安全耐久，必須對這些大橋進行連續的監測。
目前，橋梁的監測越（yuè）來越受到重視，許（xǔ）多（duō）研（yán）究人員都在致力於橋（qiáo）梁的監測研（yán）究，橋梁的安全監（jiān）測正（zhèng）日益成為土木工程學科中的一個非常活躍的研究方（fāng）向。
二、橋梁位移監測儀器的現狀
大跨度橋梁受風荷載，車載，溫度和地震影響較大，而在沿海（hǎi）地區一般無地震，主要受台風（fēng），車載（zǎi）和溫度的影響，為保證（zhèng）其在（zài）上（shàng）述條（tiáo）件下的安全運營，必須（xū）研（yán）究橋梁（liáng）在上（shàng）述條件下的實際位（wèi）移曲線，而目前對風的研究僅局（jú）限於理論和（hé）模型實驗，對實橋在風作用下的研究（jiū）還不充分，對車載的研究也隻是（shì）在特（tè）定時間和空間下（xià）進行。主要原因是測試儀器的不合理，對大橋不能連續實時監測。目前用於結構監測的儀器主要有：經緯儀、位移（yí）傳感器、加速（sù）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一周的連續掃描，其缺點是各測點不同步以及（jí）大變（biàn）形時不可（kě）測。
位移（yí）傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測點相接（jiē）觸，其缺點是對於難以接近點無法測量以及（jí）對橫向位移測（cè）量有困難。
加速（sù）度傳感器，對於低頻靜態位移鑒別效果差，為獲得位移必須對它進行兩次積分，精度不高，也無法實施。而大型懸索橋的（de）頻率一般都較低。
激光（guāng）法測試精度較高，但在橋梁晃動大時由於無法捕捉光點也（yě）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（jìn）行安全監測，必須尋（xún）找更好的測試方法。目（mù）前出現了利用GPS進行（háng）測試的新手段，在橋梁高層結構上進行實地（dì）測試，過靜君（jun1）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（yàn）研究，特（tè）別是1999年在廣州虎門（mén）大橋（qiáo）進行了實橋測試，目前已正（zhèng）常工（gōng）作。國外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用（yòng）GPS對結構進行監測，獲得了成（chéng）功，但在國內利用（yòng）GPS對橋梁的測試還無先例，在國外也僅限於位移監（jiān）測，利（lì）用GPS進行動力分析和研究橋梁在風和車輛作用（yòng）下的力學行為還不充分。下麵介紹利用GPS監測的（de）原理和特點。
GPS位移監（jiān）測原理：大（dà）橋位移監測係統是采用衛（wèi）星定位係統。它是利用接收導航衛星載波相位進（jìn）行實時相位差分即 RTK技術（shù）（Real Time Kinematic），實時測（cè）定大（dà）橋位移。 GPS RTK差分係統是由 GPS基準站（zhàn）、GPS監測站和通信係統組成。基準站將接收到的衛星差分信息經（jīng）過光（guāng）纖實時傳遞到監（jiān）測站。監測站接收衛星信（xìn）號及GPS基準站（zhàn）信息，進（jìn）行（háng）實時差分後可實（shí）時測得（dé）站點的三維空間坐（zuò）標。此結果將送（sòng）到GPS監控中心。監控中心對接收機的（de）GPS差分信號結果進行橋梁（liáng）橋麵、橋塔（tǎ）的（de）位移、轉角計（jì）算，提（tí）供大橋管理部門進（jìn）行安（ān）全分（fèn）析。
GPS監（jiān）測大橋位移特點：
（1）由於GPS是接收衛星運行定位，所以大橋上各點隻要能接收到（dào）6顆（kē）以上GPS衛星及基準站傳來的GPS差分信（xìn）號，即可進（jìn）行GPS RTK差分定位（wèi）。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（dà）氣影響小，可以在暴風雨中進行監測。
（3）GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕捉衛星，到完（wán）成RTK差（chà）分位移都（dōu）可由儀（yí）器自動完成。所測三維坐標可自動存入監控中心服務器進行大橋安全性分析。考（kǎo）試大論壇
（4）GPS定位速度（dù）快、精度高。GPS RTK最（zuì）快可達10～20Hi速率輸出定位結果，定位精度平麵為10mm，高程為20mm.當然（rán），GPS進行（háng）橋梁的實時監測（cè）也存在著不足，目前僅能對變形相對較（jiào）大的位移進行（háng）監測，對於小位移還需進一（yī）步提高GPS的定位精（jīng）度（dù），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（zhuàng）
傳統檢測手段可（kě）以對橋梁（liáng）的外觀及某些結構特性進行監測。檢測的結果一般也能部分（fèn）地反（fǎn）映結（jié）構當前狀態，但（dàn）是（shì）卻難以（yǐ）全麵反映橋梁的健康狀況，尤（yóu）其是難以對橋（qiáo）梁的安全儲備以及退化的途徑作出係統的評估。此外常規的檢測技術也難以發現隱秘構件的損傷。目前得到普遍認同的一種最有前（qián）途的方法就是（shì）結合係統識別，振（zhèn）動理論（lùn），振動測試技術，信（xìn）號（hào）采集與分析等跨學科技術的實驗模態分析法。
在係統參（cān）數識別方麵目前普遍采用兩種（zhǒng）方法：頻域法和時域法。頻域（yù）法利用所施加的激勵和由此得到的響應，經過FFT分析得到頻響函數，然後采用諸如多項式擬和（hé）的（de）方法得到模態參數，由於可以（yǐ）采用多次平均來消除隨（suí）機誤差（chà）對頻（pín）響函數的影響，采用頻域識別方（fāng）法的精度有一定的保證，不（bú）過（guò）該法存在（zài）以下缺點：
①基（jī）於（yú）振（zhèn）型不偶聯，因（yīn）此，隻（zhī）能識別具有經典阻尼的結構的實模態。像大跨懸索橋（qiáo）這樣的結構，具有明顯的非經典阻尼性質。頻（pín）域法應用受到限製；
②需要經過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對參數識別的影響。
近來的環境脈動法可以無須知道激勵而得到振型參數，又擴展（zhǎn）了（le）該（gāi）法的應用範圍。70年代後期出現的時域（yù）識別方法，彌補了頻域法（fǎ）的不足，可以用隨機或自（zì）由響應數據來識別模態參數。它們不必進行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來的誤差（chà）。尤其是它還可以從未知（zhī）隨機激勵的響（xiǎng）應信號中（zhōng）得到隨機減量特征，因此該方法成為能依據在線信號對係統進行識別的唯一方法。但也存在（zài）著一些缺陷：由於在（zài）參數（shù）識別時運用了所測信（xìn）號的全部信息，而不是截取有效的頻段，於（yú）是信號中包（bāo）含的模態數目比較多，但由於實驗測（cè）試環節及其他原因（yīn），使得其中（zhōng）的一些模態的信息並未（wèi）被充分收集，以致隻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（shí）別和最小二乘法。當前利用ITD法對橋梁（liáng）進行在線監測取得一定成果（guǒ）。
綜上（shàng）所述，時域法和頻域法（fǎ）均有（yǒu）自己的缺陷，應（yīng）尋找一種綜合時頻的方法以提高識別精度（dù），近來（lái）出現（xiàn）的（de）小波變換可以綜合時頻，可探討其在橋梁參數識別方麵的（de）應（yīng）用。在結構損傷（shāng）檢（jiǎn）測（cè）定位方麵（miàn），目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。
1、精（jīng）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（jié）構安全監測，損傷檢測以及實現最優振動控製的基礎。
但是，盡管有限無法得到了高度的發展，實際複雜結構的有限元模型仍然是有誤差的（de）。有限（xiàn）元建模（mó）為結構飛行提供完整的理論模態參數集，但這些參數常常與結構模態實（shí）驗得到的參數不一致。因此，必須對結構理論模型進行調整或修正，使得修正（zhèng）後的（de）模態參（cān）數與實驗相一致，這一過程即有限元模型修正。
模型修（xiū）正法在橋（qiáo）梁監測中主要用於把實（shí）驗結構的（de）振動反應記錄與原先的模型計算（suàn）結果進行綜合（hé）比較，利用（yòng）直（zhí）接或間接測知的模態參數，加速度時（shí）程記錄（lù），頻響函數等，通過條件優化（huà）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，實現結構的損傷判（pàn）別與定位。其主要方法有：
（1）矩陣型法，是發展最早，最成熟，修正計算模型的整個矩陣（zhèn）的一類方法，它具有精度高、執行（háng）容易的特點，主要（yào）缺點是所修正的模型的物（wù）理意義不（bú）明確，喪失（shī）了原（yuán）有限元模型的帶狀特點，這方麵的代表應屬Berman／Baruch的（de）最優法。
（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係數，通過對宇（yǔ）矩陣修正係數的調整來修正結構剛度，該方法的最大優點是（shì）修正後的（de）剛（gāng）度矩陣（zhèn）仍保持者原矩陣（zhèn）的對稱，稀疏性。
（3）靈敏度法修正結構參（cān）數通過修正結構的設計參數彈性模量E截麵（miàn）麵積A等來對有限元（yuán）模型進行修正。
上述的前兩種方法通過求解一（yī）個矩陣方（fāng）程或帶約（yuē）束的最小化問題來修正剛度和質量矩陣，並假定剛（gāng）度與質量（liàng）的變化相互獨立。因此（cǐ），這類方法不（bú）適用於結構剛（gāng）度（dù）矩陣和質量矩陣（zhèn）變化（huà）相關的有限元模型修正（zhèng）。而大跨度橋梁的（de）質量變化通常會弓愧結構剛（gāng）度的變化，屬於典型的非線性問題。隻（zhī）有第三種方法利用觀測量對結構參數的敏感性來修正結構參數。基於敏感性分（fèn）析的參數修正可以（yǐ）從敏感分析的中間結（jié）果看出各參數對結構振動的影響程度；並且，可直接解釋結構物（wù）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（cān）數（shù）較多時，該方法常會得出違背物理意義的參數修正。
2、指紋分析方法，尋找與（yǔ）結構動力特性有關（guān）的動力指（zhǐ）紋，通過（guò）這些指紋的（de）變化來判斷結構的真實狀（zhuàng）況。
在線監測中，頻率是最（zuì）易獲得的模態參數，而且精度很高，因此通過監測頻率的變化來識別結構破損是否發生是最為簡單的。此（cǐ）外，振型也可用於結構破損的發現，盡管振型的測試精度低於頻（pín）率，但振（zhèn）型包（bāo）含更多的破損（sǔn）信息。利用振型（xíng）判斷結構的破損是否發生的途徑很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩陣（zhèn）法。
但大量的模型和實際結構（gòu）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，一般損傷（shāng）使結構自振頻（pín）率的變化都在5％以內，而Askegaard等在（zài）對橋梁的長（zhǎng）期觀測（cè）後（hòu）發現，在一年期間裏橋梁即使沒有任何明顯的變化，其振動頻率的變化（huà）也可達10％，因此一般認為自振頻率不能直接用來作為橋梁監測的指紋，而振型雖然對局部剛度比較敏感（gǎn），但精確測量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴於振型的動力指紋都遇到同樣（yàng）的問題。對橋缺（quē）損狀態的評價缺乏（fá）統一有效（xiào）的指標，有人以模糊（hú）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係統，但必須首先建立各種規範（fàn）和專家（jiā）數據（jù）庫。
四、結論與展望
（1）由於大跨橋（qiáo）梁受環境因素影（yǐng）響較大，安全係數低（dī），必須對其（qí）進行連續實時監測；
（2）由於GPS定位精度高，速度快，同其（qí）他幾種位移監測儀器相比具有明顯的優點，可用它對大跨度橋梁做連（lián）續實時監測，同時應進一（yī）步提高其（qí）精（jīng）度（dù），從而擴展其應用範圍。目前GPS已在虎門（mén）大橋安裝成（chéng）功，實現了對大橋連（lián）續實時監測；
（3）在係統識別方麵，比較了時域和頻域法的優劣，今後應進行結合時頻的係統識別研究；
（4）在模型修正方麵，應在基於（yú）敏感性分析的基礎上，研究適合於大跨橋梁的模型修（xiū）正方（fāng）法（fǎ）；
（5）由（yóu）於對橋梁缺損狀態的評價缺乏統一有效（xiào）的指標，應結合實（shí）驗測試和有（yǒu）限元建模研究適合於大（dà）跨（kuà）橋梁的指（zhǐ）紋指標。
下一篇：
鋼結構檢測主要的檢測內容（róng）和應用（yòng）範圍
