摘要：首先介紹了現(xiàn)代大跨橋梁的平安監(jiān)測的意義，通過對比目前幾種測試位移儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，提出用GPS進(jìn)行大橋位移監(jiān)測的新方式，并論述了其原理和特性；指出目前用干體系辨認(rèn)的時域和頻域法的各自缺少，討論聯(lián)合時頗的參數(shù)辨認(rèn)的新方式，最后提到目前用于大跨橋梁傷害檢測方式的艱難。

 

　　癥結(jié)詞：大跨橋梁 GPS 體系辨認(rèn) 傷害檢測

 

　　一、橋粱平安監(jiān)測的意義

 

　　隨著科學(xué)技巧的進(jìn)步以及交通運(yùn)輸?shù)男枨螅S多大跨度橋梁應(yīng)運(yùn)而生，尤其是懸索橋以其跨度大，外型幽美，節(jié)儉資料而備受人們的喜愛，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越來越小，（l÷40～l÷300）；平安系數(shù)也隨之降落，由以前的4～5降落為2～3。另外，因?yàn)槠淙嵝源螅l率低，對風(fēng)的作用很敏感。因?yàn)槿鄙俦匾谋O(jiān)測和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)，世界各地涌現(xiàn)了少量橋梁損好事變，給人民經(jīng)濟(jì)和性命財(cái)富形成了偉大喪失。

 

　　1994年10月韓國漢城發(fā)作了橫跨漢江的圣水大橋中心斷場50m，其中15m掉入江中，形成逝世亡32人、輕傷17人的嚴(yán)重事變。據(jù)稱形成橋梁在行車頂峰期忽然斷裂的起因是臨時超負(fù)荷經(jīng)營，鋼梁螺栓及桿件疲憊破壞所致。

 

　　1940年竣工的主跨853m的塔可馬大橋（Tacoma Narrows），只應(yīng)用了三個月，便在19m÷s的風(fēng)速下形成了塌橋事變 ：1951年主跨 1280m的金門大橋于風(fēng)速 15～1520m÷s時因振動而形成橋體部分破壞，等等。

 

　　美國現(xiàn)有的約50萬座公路橋中，20萬座以上存在不同程度的傷害。1967年2月橫跨美國俄亥俄河上的銀橋忽然倒塌，形成46人逝世于非命。

 

　　我國晚期建造的斜拉橋，因?yàn)槔鞯姆雷o(hù)不合理而引起的斜拉索的嚴(yán)重銹蝕，如濟(jì)南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠(yuǎn)未到達(dá)他們的設(shè)計(jì)壽命下，自愿全部改換，形成很大的經(jīng)濟(jì)喪失和不良的社會影響。

 

　　過來十幾年里，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備世界先進(jìn)程度的橋梁，另外，香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國初次樹立的懸索橋，近年來我國特殊是沿海地域交通開展敏捷，急切須要樹立一少量大跨度橋梁。為了確保這些耗資偉大，與國計(jì)民生親密相干的大橋的平安持久，必需對這些大橋進(jìn)行延續(xù)的監(jiān)測。

 

　　目前，橋梁的監(jiān)測越來越遭到注重，許多鉆研人員都在致力于橋梁的監(jiān)測鉆研，橋梁的平安監(jiān)測正日益成為土木工程學(xué)科中的一個十分活潑的鉆研方向【1，2，3】。

 

　　二、橋梁位移監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀

 

　　大跨度橋梁受風(fēng)荷載，車載，溫度和地震影響較大，而在沿海地域個別無地震，重要受臺風(fēng)，車載和溫度的影響，為保障其在上述條件下的平安經(jīng)營，必需鉆研橋梁在上述條件下的實(shí)踐位移曲線，而目前對風(fēng)的鉆研僅局限于實(shí)踐和模型試驗(yàn)，對實(shí)橋在風(fēng)作用下的鉆研還不充足，對車載的鉆研也只是在特定時光和空間下進(jìn)行。重要起因是測試儀器的不合理，對大橋不能延續(xù)實(shí)時監(jiān)測。目前用于構(gòu)造監(jiān)測的儀器重要有：經(jīng)緯儀、位移傳感器、減速度傳感器和激光測試方式。

 

　　上海楊浦大橋就采取的是全站儀主動掃描法，對各個測點(diǎn)進(jìn)行7s一周的延續(xù)掃描，其缺點(diǎn)是各測點(diǎn)不同步以及大變形時不可測。

 

　　位移傳感器是一種接觸型傳感器，必需與測點(diǎn)相接觸，其缺點(diǎn)是關(guān)于難以靠近點(diǎn)無法測量以及對橫向位移測量有艱難。

 

　　減速度傳感器，關(guān)于低頻動態(tài)位移辨別后果差，為獲得位移必需對它進(jìn)行兩次積分，精度不高，也無法實(shí)時。而大型懸索橋的頻率個別都較低。

 

　　激光法測試精度較高，但在橋梁晃動大時因?yàn)闊o法捕獲光點(diǎn)也無法測量。

 

　　除上述缺少外，對橋梁的扭角測試也力所能及，為對橋梁進(jìn)行平安監(jiān)測，必需尋覓更好的測試方式。目前涌現(xiàn)了應(yīng)用GPS進(jìn)行測試的老手腕，在橋梁高層構(gòu)造上進(jìn)行實(shí)地測試【4~6】，過靜君與1996年對深圳帝王大廈，1998年對香港的青馬大橋進(jìn)行了試驗(yàn)鉆研，特殊是1999年在廣州虎門大橋進(jìn)行了實(shí)橋測試，目前已正常任務(wù)。國外的dodson，A。H，1997；brown，G。J，1999也應(yīng)用GPS對構(gòu)造進(jìn)行監(jiān)測，獲得了勝利，但在海內(nèi)應(yīng)用GPS對橋梁的測試還無先例，在國外也僅限于位移監(jiān)測，應(yīng)用GPS進(jìn)行能源剖析和鉆研橋梁在風(fēng)和車輛作用下的力學(xué)行動還不充足。上面介紹應(yīng)用GPS監(jiān)測的原理和特性。

 

　　GPS位移監(jiān)測原理：大橋位移監(jiān)測體系是采取衛(wèi)星定位體系。它是應(yīng)用吸收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實(shí)時相位差分即 RTK技巧（Real Time Kinematic），實(shí)時測定大橋位移。原理見圖1。

 

　　GPS RTK差分體系是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通訊體系組成。基準(zhǔn)站將吸收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實(shí)時傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站吸收衛(wèi)星信號及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實(shí)時差分后可實(shí)時測得站點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。此后果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對吸收機(jī)的GPS差分信號后果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角盤算，供給大橋治理部門進(jìn)行平安剖析。

 

　　GPS監(jiān)測大橋位移特性：

 

　　（l）因?yàn)镚PS是吸收衛(wèi)星運(yùn)行定位，所以大橋上各點(diǎn)只要能吸收到6顆以上GPS衛(wèi)星及基準(zhǔn)站傳來的GPS差分信號，即可進(jìn)行GPS RTK差分定位。各監(jiān)測站之間勿需通視，是互相獨(dú)立的觀測值。

 

　　（2）GPS定位受外界大氣影響小，能夠在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測。

 

　　（3）GPS測定位移主動化程度高。從吸收信號，捕獲衛(wèi)星，到實(shí)現(xiàn)RTK差分位移都可由儀器主動實(shí)現(xiàn)。所測三維坐標(biāo)可主動存入監(jiān)控中心效勞器進(jìn)行大橋平安性剖析。

 

　　（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可達(dá)10～20Hi速率輸入定位后果，定位精度立體為10mm，高程為20mm。

 

　　當(dāng)然，GPS進(jìn)行橋梁的實(shí)時監(jiān)測也存在著缺少，目前僅能對變形絕對較大的位移進(jìn)行監(jiān)測，關(guān)于小位移還需進(jìn)一步進(jìn)步GPS的定位精度，但不清除GPS對其余大型構(gòu)造的應(yīng)用遠(yuǎn)景。

 

　　三、橋架空全監(jiān)測的實(shí)踐鉆研現(xiàn)狀

 

　　傳統(tǒng)檢測手腕能夠?qū)蛄旱耐庥^及某些構(gòu)造特性進(jìn)行監(jiān)測。檢測的后果個別也能部分地反應(yīng)構(gòu)造以后狀況，但是卻難以片面反應(yīng)橋梁的衰弱狀況，尤其是難以對橋梁的平安儲藏以及進(jìn)化的門路作出體系的評估。此外慣例的檢測技巧也難以發(fā)明隱秘構(gòu)件的傷害。目前得到廣泛認(rèn)同的一種最有前程的方式就是聯(lián)合體系辨認(rèn)，振動實(shí)踐，振動測試技巧，信號采集與剖析等跨學(xué)科技巧的試驗(yàn)?zāi)B(tài)剖析法。

 

　　在體系參數(shù)辨認(rèn)方面目前廣泛采取兩種方式：頻域法和時域法。頻域法應(yīng)用所施加的鼓勵和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過FFT剖析得到頻響函數(shù)，而后采取諸如多項(xiàng)式擬和的方式得到模態(tài)參數(shù)，因?yàn)槟軌虿扇掖尉鶆騺砬宄S機(jī)誤差對頻響函數(shù)的影響，采取頻域辨認(rèn)方式的精度有肯定的保障，不過該法存在以下缺點(diǎn)：①基于振型不偶聯(lián)，因而，只能辨認(rèn)具備經(jīng)典阻尼的構(gòu)造的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的構(gòu)造，具備顯著的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用遭到限制。②須要經(jīng)過FFT剖析，由此帶來了諸如走漏等偏度誤差對參數(shù)辨認(rèn)的影響。近來的環(huán)境脈動法能夠無須曉得鼓勵而得到振型參數(shù)，又?jǐn)U大了該法的應(yīng)用規(guī)模【7，8】。70年代前期涌現(xiàn)的時域辨認(rèn)方式，填補(bǔ)了頻域法的缺少，能夠用隨機(jī)或自在響應(yīng)數(shù)據(jù)來辨認(rèn)模態(tài)參數(shù)。它們不用進(jìn)行FFT剖析，從而清除了FFT剖析所帶來的誤差。尤其是它還能夠從未知隨機(jī)鼓勵的響應(yīng)信號中得到隨機(jī)減量特性，因而該方式成為能根據(jù)在線信號對體系進(jìn)行辨認(rèn)的惟一方式。但也存在著一些缺點(diǎn)：因?yàn)樵趨?shù)辨認(rèn)時應(yīng)用了所測信號的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號中蘊(yùn)含的模態(tài)數(shù)目對比多，但因?yàn)樵囼?yàn)測試環(huán)節(jié)及其余起因，使得其中的一些模態(tài)的信息并未被充足搜集，以至只能將這些完全的信息看作噪聲，目前清除噪聲的方式重要有擴(kuò)階辨認(rèn)和最小二乘法。以后應(yīng)用ITD法對橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測獲得肯定后果【9，10】綜上所述，時域法和頻域法均有本人的缺點(diǎn)，應(yīng)尋覓一種綜合時頻的方式以進(jìn)步辨認(rèn)精度，近來涌現(xiàn)的小波變換能夠綜合時頻，可討論其在橋梁參數(shù)辨認(rèn)方面的應(yīng)用。在構(gòu)造傷害檢測定位方面，目前可分為模型修改法和指紋剖析法兩類。

 

　　1。準(zhǔn)確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)猜測的重要前提；也是構(gòu)造平安監(jiān)測，傷害檢測以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)振動掌握的基本。但是，只管有限無法得到了高度的開展，實(shí)踐龐雜構(gòu)造的有限元模型依然是有誤差的。有限元建模為構(gòu)造航行供給完全的實(shí)踐模態(tài)參數(shù)集，但這些參數(shù)經(jīng)常與構(gòu)造模態(tài)試驗(yàn)得到的參數(shù)不一致。因而，必需對構(gòu)造實(shí)踐模型進(jìn)行調(diào)劑或修改，使得修改后的模態(tài)參數(shù)與試驗(yàn)相一致，這一歷程即有限元模型修改。

 

　　模型修改法在橋梁監(jiān)測中重要用于把試驗(yàn)構(gòu)造的振動反應(yīng)記載與本來的模型盤算后果進(jìn)行綜合對比，應(yīng)用間接或間接測知的模態(tài)參數(shù)，減速度時程記載，頻響函數(shù)等，通過條件優(yōu)化束縛，一直地修改模型中的剛度和質(zhì)量信息，從而得到構(gòu)造變更的信息，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造的傷害判定與定位。其重要方式有：

 

　　（1）矩陣型法，是開展最早，最成熟，修改盤算模型的全部矩陣的一類方式，它具備精度高、履行輕易的特性，重要缺點(diǎn)是所修改的模型的物理意義不明白，喪失了原有限元模型的帶狀特性，這方面的代表應(yīng)屬Berman÷Baruch的最優(yōu)法。

 

　　（2）子矩陣修改法，通過看待修改的字矩陣或單元矩陣定義修改系數(shù)，通過對宇矩陣修改系數(shù)的調(diào)劑來修改構(gòu)造剛度，該方式的最大長處是修改后的剛度矩陣仍維持者原矩陣的對稱，稀少性。

 

　　（3）敏銳度法修改構(gòu)造參數(shù)通過修改構(gòu)造的設(shè)計(jì)參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進(jìn)行修改。

 

　　上述的前兩種方式通過求解一個矩陣方程或帶束縛的最小化問題來修改剛度和質(zhì)量矩陣，并假設(shè)剛度與質(zhì)量的變更互相獨(dú)立。因而，這類方式不實(shí)用于構(gòu)造剛度矩陣和質(zhì)量矩陣變更相干的有限元模型修改。而大跨度橋梁的質(zhì)質(zhì)變更通常會弓愧構(gòu)造剛度的變更，屬于典范的非線性問題。只要第三種方式應(yīng)用觀測量對構(gòu)造參數(shù)的敏理性來修改構(gòu)造參數(shù)。基于敏理性剖析的參數(shù)修改能夠從敏感剖析的兩頭后果看出各參數(shù)對構(gòu)造振動的影響程度；并且，可間接說明構(gòu)造物理量的修改，無須通過應(yīng)用總綱陣的對比來反應(yīng)修改狀況。但是但待修改參數(shù)較多時，該方式常會得出違抗物理意義的參數(shù)修改。

 

　　2。指紋剖析方式，尋覓與構(gòu)造能源特性有關(guān)的能源指紋，通過這些指紋的變更來判定構(gòu)造的實(shí)在狀況。

 

　　在線監(jiān)測中，頻率是最易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且精度很高，因而通過監(jiān)測頻率的變更來辨認(rèn)構(gòu)造破損能否發(fā)作是最為簡樸的。此外，振型也可用于構(gòu)造破損的發(fā)明，只管振型的測試精度低于頻率，但振型蘊(yùn)含更多的破損信息。應(yīng)用振型判定構(gòu)造的破損能否發(fā)作的門路很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩陣法。

 

　　但少量的模型和實(shí)踐構(gòu)造試驗(yàn)標(biāo)明構(gòu)造傷害招致的固有頻率變更很小，而振型情勢變更顯著【11，12】，個別傷害使構(gòu)造自振頻率的變更都在5％以內(nèi)【11，12】，而Askegaard等在對橋梁的臨時觀測后發(fā)明，在一年時期里橋梁即便沒有任何顯著的變更，其振動頻率的變更也可達(dá)10％【63】，因而個別以為自振頻率不能間接用來作為橋梁監(jiān)測的指紋，而振型盡管對部分剛度對比敏感，但準(zhǔn)確測量對比艱難，MAC，COMAC，CMS等依靠于振型的能源指紋都碰到同樣的問題。對橋缺損狀況的評估缺少對立有效的指標(biāo)，有人以隱約實(shí)踐，構(gòu)造牢靠度實(shí)踐等為實(shí)踐框架樹立了各種橋梁應(yīng)用性能評估專家體系，但必需首先樹立各種標(biāo)準(zhǔn)和專家數(shù)據(jù)庫。

 

　　四、論斷與瞻望

 

　　（l）因?yàn)榇罂鐦蛄菏墉h(huán)境因素影響較大，平安系數(shù)低，必需對其進(jìn)行延續(xù)實(shí)時監(jiān)測。

 

　　（2）因?yàn)镚PS定位精度高，速度快，同其余幾種位移監(jiān)測儀器相比具備顯著的長處，可用它對大跨度橋梁做延續(xù)實(shí)時監(jiān)測，同時應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)步其精度，從而擴(kuò)大其應(yīng)用規(guī)模。目前GPS已在虎門大橋裝置勝利，實(shí)現(xiàn)了對大橋延續(xù)實(shí)時監(jiān)測。

 

　　（3）在體系辨認(rèn)方面，對比了時域和頻域法的優(yōu)劣，今后應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合時頻的體系辨認(rèn)鉆研。

 

　　（4）在模型修改方面，應(yīng)在基于敏理性剖析的基本上，鉆研適宜于大跨橋梁的模型修改方式。

 

　　（5）因?yàn)閷蛄喝睋p狀況的評估缺少對立有效的指標(biāo)，應(yīng)聯(lián)合試驗(yàn)測試和有限元建模鉆研適宜于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。