首先介紹了現（xiàn）代大跨橋梁的安全監測的意義，通過比較目前幾種測試位移儀器的優缺點，提出用GPS進行大橋位（wèi）移監測的新方法，並闡述了其原理（lǐ）和特點；指出目前用幹係統識別的時域和頻域法的（de）各自不足，探討結（jié）合時頗的參數識別的（de）新方法，最後提到目前（qián）用於大（dà）跨橋梁損傷檢測方法（fǎ）的困難。

一、橋粱安全監測的意義
      隨（suí）著科學技術（shù）的進步以（yǐ）及交通運輸的需求，許多大跨度橋梁應運而（ér）生，尤其是懸索（suǒ）橋以其跨度大，造型優美，節（jiē）省材料而備受人（rén）們的青睞，成（chéng）為大（dà）跨度橋梁。但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨（kuà）比越來越小，（l/40～l/300）；安全係數也隨之下降，由以前的4～5下降為2～3。另外（wài），由於其柔性大，頻率低，對風的作用很敏感（gǎn）。由於（yú）缺乏必要的監測和相應的養護，世界（jiè）各地出現了大量（liàng）橋梁損壞事故，給國民經濟和生命（mìng）財產造成（chéng）了巨大損失。
     1994年（nián）10月韓國（guó）漢城發生了橫跨（kuà）漢江的聖水大橋中央斷場50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據稱造成橋梁在行車高峰期突然（rán）斷裂的原因是長期超負荷（hé）運營（yíng），鋼梁螺栓及（jí）杆件疲勞破壞所（suǒ）致。
      1940年完工的主跨853m的塔可馬大橋（Tacoma Narrows），隻使用了三個（gè）月，便在（zài）19m／s的風速下造成了塌橋事故：1951年主跨 1280m的金門大（dà）橋於風速 15～1520m／s時因振動而（ér）造成橋體（tǐ）部分損壞，等（děng）等。
      美國現有的約50萬座公路橋（qiáo）中，20萬（wàn）座（zuò）以上存在（zài）不同程度的損傷（shāng）。1967年2月（yuè）橫跨美國俄亥俄河（hé）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（yú）拉索的防護不合理而引起的斜拉索（suǒ）的嚴重鏽蝕，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（mìng）下（xià），被迫全部更換（huàn），造成很大的經濟（jì）損失和不良（liáng）的社會（huì）影響（xiǎng）。
      過去（qù）十幾年裏，我國已建成一批大跨度橋梁，僅上海就（jiù）有南浦、楊浦和徐（xú）浦大橋等（děng）具有世（shì）界先進水平的橋梁，另（lìng）外，香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我（wǒ）國首次建立的懸索橋，近年來我國特別是沿海地區交通發展迅速，迫切需要（yào）建（jiàn）立一（yī）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（xiàng）關的大橋的安全耐久，必須對這些大橋進行連續的監（jiān）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於橋梁（liáng）的監測研究，橋梁的（de）安全監測正日益成為土木工程學科中的一個非常活（huó）躍的研究方向[1,2,3]。

二、橋梁位移監測儀器（qì）的現狀（zhuàng）
      大跨度橋梁受風荷載，車（chē）載，溫度和地震影響較大，而在沿海地區一般無地震，主要受台風，車載和溫（wēn）度的影響，為（wéi）保證其在上述條件下的安全運營，必須研（yán）究（jiū）橋梁在上述條件下的實際（jì）位移曲線，而目前對（duì）風的研究（jiū）僅局限於理論和模型實驗，對實橋在風作（zuò）用下的研究還不充分，對車載的研究也隻是在（zài）特定時間和空間下進行。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（mù）前用於結構監測的儀器主要有：經緯儀、位（wèi）移傳感器、加速度傳感（gǎn）器和激光（guāng）測試方法。
      上海楊浦大橋就采用的是全站儀自（zì）動掃描法，對各個測點進行7s一周的連續掃描，其（qí）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（chù）型（xíng）傳（chuán）感器，必（bì）須與測（cè）點相接觸，其缺點是對於（yú）難以接近點無法測量以及對橫向（xiàng）位移測量有困難。
      加速度傳（chuán）感器（qì），對於低頻靜態位移鑒別效果（guǒ）差，為獲得位移必須對（duì）它進行兩次積分（fèn），精度不高，也無法（fǎ）實時。而大型懸索橋的頻率（lǜ）一般都較低。
      激光法測試精度較高（gāo），但（dàn）在橋梁晃動大時由於無法捕捉光點也無法測量。
      除上述不足外，對橋梁的扭角（jiǎo）測試也力（lì）不從心，為對橋梁進行安全監測，必須（xū）尋找更好的測試方法。目前出現了利用GPS進行（háng）測試的新手段，在橋（qiáo）梁高層結構上進行實地測試（shì）[4~6]，過（guò）靜君與1996年（nián）對深圳帝王（wáng）大廈（xià），1998年對香港的青馬大橋進行了實驗研究，特別是1999年在廣州虎門大橋進行了實橋測試，目前已正常（cháng）工作。國外（wài）的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用（yòng）GPS對結構進行監測，獲（huò）得（dé）了成功，但在國內利用GPS對橋梁的測試還無先例，在（zài）國外也僅限於位移監測，利用GPS進行動力分（fèn）析和研究橋梁在風和車（chē）輛（liàng）作（zuò）用下的力學行為還不充分。下麵（miàn）介紹（shào）利用GPS監測的原理和特（tè）點。
      GPS位移監（jiān）測原理：大橋位移監測（cè）係統（tǒng）是采用衛星定位係統。它是利用接收導航衛星載波（bō）相（xiàng）位進行實時相（xiàng）位差分（fèn）即 RTK技術（Real Time Kinematic），實時測定大橋位（wèi）移。
GPS RTK差分係統（tǒng）是（shì）由 GPS基準（zhǔn）站、GPS監測站和通信係統組成。基準站將接收到（dào）的衛星差分信息經過（guò）光（guāng）纖實時傳遞到監測站（zhàn）。監測站接收衛星信號及GPS基準站信息，進行實時差（chà）分後（hòu）可實時測得站（zhàn）點的三維空間坐標。此結果將送到（dào）GPS監控中心。監控中心（xīn）對接（jiē）收機的GPS差分信號結果進行橋梁橋麵、橋塔的位移、轉（zhuǎn）角計算，提供大橋管理部門進行安全分析。
GPS監測大橋位移特點：
（l）由於GPS是（shì）接收衛星運行定位，所以大橋上各（gè）點隻要能接收到6顆（kē）以上GPS衛星及基準站傳來的GPS差（chà）分信號，即可進行GPS RTK差（chà）分定位。各監測站之間勿需通（tōng）視，是相互獨立的觀測值。
（2）GPS定位受外界大氣影（yǐng）響小（xiǎo），可以在暴風雨中（zhōng）進行監測。
（3）GPS測定（dìng）位移自動化程度高。從接收信號（hào），捕（bǔ）捉衛星，到完成（chéng）RTK差分位移都可由儀器自動完成。所測三維（wéi）坐（zuò）標可自動存入監控中心服務器進行大橋安全性分析（xī）。
（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可達10～20Hi速率（lǜ）輸出定（dìng）位結果，定位精度平麵為10mm，高程為20mm。
      當然，GPS進行橋梁的實時監測也存在著不足，目（mù）前僅能對變形相對較大的位移進行監測，對於小位移（yí）還需進一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對其他（tā）大型結構（gòu）的應用前景。
 
三、橋（qiáo）架空全監測的理論研究現狀
傳（chuán）統檢測手段可以對橋梁的外觀及某（mǒu）些結構特性進行（háng）監測。檢測的（de）結果一般（bān）也能部分地（dì）反映結構當前狀態，但是卻難以全麵反映橋梁的健康狀況，尤（yóu）其是難以對橋梁的安全儲備以（yǐ）及退化的途徑作出（chū）係統的評估。此外常規的檢測技（jì）術也難以發現隱秘構件的損傷。目前得到普遍認同的（de）一種最有前（qián）途的方法就是結合（hé）係統識別，振動理論，振動測試技術，信號采集與（yǔ）分析等跨學科技（jì）術的實驗模（mó）態分析法。
在（zài）係統參（cān）數（shù）識別方麵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（jiā）的激勵和由此得到的響應（yīng），經過FFT分析得到頻響函數，然後采用（yòng）諸如多項式擬和的方法得到模態參數，由於可以（yǐ）采用多次平均來消除隨機誤差對頻響函數的影響，采用頻域識（shí）別方法的精度有一定的保證，不過該法（fǎ）存在以下缺點：①基於振型不（bú）偶聯，因此，隻能識別具有經典阻尼（ní）的結構的實模態。像大跨懸索橋這樣的結構，具有明顯的非經典阻尼（ní）性質（zhì）。頻域（yù）法應用受到限製。②需要經過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏（lòu）等偏度誤差對參（cān）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，又擴展了該法的應用範圍[7,8]。70年代後（hòu）期出現的時域（yù）識別方法，彌補了頻域法的（de）不足，可（kě）以用隨機或自由響應數據來識別模態參數。它們（men）不必進行FFT分析，從而消除了FFT分（fèn）析所帶來的誤（wù）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信號對係統進行識別的方法。但也存在著一些缺陷：由於在（zài）參數識別時運用（yòng）了（le）所（suǒ）測信號的全部信息，而不是截取有效的頻段，於是信（xìn）號（hào）中包（bāo）含的模態（tài）數目（mù）比較多，但（dàn）由（yóu）於實驗測試環節及其他原因，使得其中的一些模態的信息並未（wèi）被（bèi）充分收集，以致隻（zhī）能將這些（xiē）殘缺的信息（xī）看作噪（zào）聲，目前排除噪聲的方法主要有（yǒu）擴階識（shí）別和最小二乘法。當前利用ITD法對（duì）橋梁進行在線監測取得一定成果[9,10]綜上（shàng）所述，時域法和頻域法均有自己的缺陷（xiàn），應尋找一種綜合（hé）時頻的方法以提高識別精度，近來出現的小波變換（huàn）可以綜合時頻，可探討其在橋梁參數識別（bié）方麵的應用。在結構損傷檢測定位方麵，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（yuán）建模是大型（xíng）橋梁鳳震響應預測的重要前提；也是結構安全監測,損傷（shāng）檢測以及實現振動（dòng）控製的基礎。但是，盡（jìn）管有限無法得到了高度的發展，實際複雜結（jié）構的有限元模（mó）型仍然是有誤差（chà）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實驗得到的參數不一致（zhì）。因此，必須對結構理論模型進行調整或修正，使得修正後（hòu）的模態參數與實驗（yàn）相一致，這一（yī）過程（chéng）即有限元（yuán）模型（xíng）修正。
模（mó）型修正法在橋梁（liáng）監測中主要用於把（bǎ）實驗結構的振動反應記錄與原先的模（mó）型計算結果進行綜合比較，利用直（zhí）接或間接測知（zhī）的（de）模態參數，加速（sù）度時程記錄，頻響函（hán）數等，通過條件優（yōu）化約束，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（gòu）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（chéng）熟，修正（zhèng）計（jì）算模（mó）型的整個矩陣的一類方法，它（tā）具有精度高、執（zhí）行容易的特點，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（fāng）麵的（de）代表應屬Berman／Baruch的方法。
（2）子矩（jǔ）陣修正法，通過對待修正的字矩（jǔ）陣或單元矩陣定義修正係數（shù），通過對宇（yǔ）矩陣修正（zhèng）係數的（de）調整來修正結構（gòu）剛（gāng）度（dù），該方法的最大優點是（shì）修正後的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對稱，稀疏性。
（3）靈（líng）敏度法修正結（jié）構參數通過修正結構的設計參數彈（dàn）性模量E截（jié）麵麵積A等來對有限元模型進行（háng）修正。
上述的前兩種方法通過求解一個矩陣方程或帶約束（shù）的最小化問題來修（xiū）正剛度和質量矩陣，並假定剛度與質量的變化相（xiàng）互獨立。因此，這類方法不適用於結構剛度矩（jǔ）陣和質量矩陣變化相關的有（yǒu）限元模型修正。而大跨度橋梁的質量變化通常會弓愧結構（gòu）剛度的變化，屬於典型的非線性問題。隻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（gòu）參數。基（jī）於敏感（gǎn）性（xìng）分析的參（cān）數修正可以（yǐ）從敏感（gǎn）分析的（de）中間結果看出各參數對結構振動的影響程度；並且，可直（zhí）接解釋結構物（wù）理量的（de）修改，無須通過利用總綱陣的比較來（lái）反（fǎn）映修改情況。然而但待修正（zhèng）參數較多時，該（gāi）方法常會得出違（wéi）背物理意義的參數修正。
2．指紋分析方法，尋找與結構動力特性有關的（de）動力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結構的真實狀況。
在線監（jiān）測中，頻率是最易獲（huò）得的模態參數，而且（qiě）精度很高，因此通過監（jiān）測頻率的（de）變化來識別結（jié）構破損是否發生是最為簡（jiǎn）單的。此外，振型也可用於結構破損的發現，盡管振型的（de）測試精度低於頻率，但振型包含更多的破（pò）損信息。利用振型判斷結構的破損是否發生的（de）途（tú）徑很多；MAC，COMAC，CMS，DI和（hé）柔度矩陣法。
但（dàn）大量的模型（xíng）和實際結構實驗表明結構損傷（shāng）導致的固有頻（pín）率變化很小，而振型形（xíng）式變（biàn）化明（míng）顯[11,12]，一般損傷使（shǐ）結構自振頻率的變化都在5％以內[11,12]，而（ér）Askegaard等（děng）在對橋梁的長期觀測後發現，在一年期間（jiān）裏橋梁即使沒有任何明顯的變（biàn）化，其振動頻率的（de）變化也可達10％［63］，因此一般認為自（zì）振頻（pín）率不能直接用來（lái）作為橋梁監（jiān）測的指紋，而振（zhèn）型雖然（rán）對局部剛（gāng）度比較敏感，但精確（què）測量比（bǐ）較困難，MAC，COMAC，CMS等（děng）依賴（lài）於振型（xíng）的動力指紋都遇到同（tóng）樣的（de）問題（tí）。對橋缺損狀態的評（píng）價缺乏統一有效的指標，有人以模糊理論，結構可靠度理（lǐ）論等為理論框架建立了各種（zhǒng）橋梁使（shǐ）用性能評估專家係統，但必（bì）須（xū）首先建（jiàn）立各種規範（fàn）和專家數據庫。

四、結論與展望
（l）由於大跨橋梁受環境因（yīn）素（sù）影（yǐng）響較大，安全係數低，必須對其進行連續實時（shí）監測。
（2）由於GPS定位精度高，速度快（kuài），同其（qí）他幾種位（wèi）移監測儀器相比（bǐ）具有明顯的優點，可用它（tā）對大跨度橋梁做連（lián）續實時監測，同時應進一步（bù）提高其精度，從而擴展其應用範圍。目前GPS已在虎門（mén）大橋安裝（zhuāng）成功，實現了對大橋連續實（shí）時監測。
（3）在（zài）係統識別方麵，比較了時域和頻域法的（de）優劣，今後應進行結合時頻的係統識別研（yán）究。
（4）在模型修正方麵，應在基於敏感性分析（xī）的基礎上，研究適合於大跨橋梁的模型修正方法。
（5）由於對（duì）橋梁缺損狀態的（de）評價缺（quē）乏統一有效（xiào）的指標，應結合實驗測（cè）試和有限元建模研究適合於（yú）大跨橋（qiáo）梁的指紋指標（biāo）。