大跨橋梁安全監(jiān)測的技術(shù)方法分析1

「摘  要」首先介紹了現(xiàn)代大跨橋梁的安全監(jiān)測的意義，通過比較目前幾種測試位移儀器的優(yōu)缺點，提出用GPS進行大橋位移監(jiān)測的新方法，并闡述了其原理和特點；指出目前用干系統(tǒng)識別的時域和頻域法的各自不足，探討結(jié)合時頗的參數(shù)識別的新方法，最后提到目前用于大跨橋梁損傷檢測方法的困難。
　　「關(guān)鍵詞」大跨橋梁 GPS 系統(tǒng)識別 損傷檢測

　　一、橋粱安全監(jiān)測的意義
　　隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及交通運輸?shù)男枨?，許多大跨度橋梁應(yīng)運而生，尤其是懸索橋以其跨度大，造型優(yōu)美，節(jié)省材料而備受人們的青睞，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）；安全系數(shù)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(jiān)測和相應(yīng)的養(yǎng)護，世界各地出現(xiàn)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50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長期超負(fù)荷運營，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（Tacoma Narrows），只使用了三個月，便在19m／s的風(fēng)速下造成了塌橋事故 ：1951年主跨 1280m的金門大橋于風(fēng)速 15～1520m／s時因振動而造成橋體部分損壞，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(yán)重銹蝕，如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠(yuǎn)未達(dá)到他們的設(shè)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影響。
　　過去十幾年里，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水平的橋梁，另外，中國香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國首次建立的懸索橋，近年來我國特別是沿海地區(qū)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，必須對這些大橋進行連續(xù)的監(jiān)測。
　　目前，橋梁的監(jiān)測越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測研究，橋梁的安全監(jiān)測正日益成為土木工程學(xué)科中的一個非常活躍的研究方向[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，而在沿海地區(qū)一般無地震，主要受臺風(fēng)，車載和溫度的影響，為保證其在上述條件下的安全運營，必須研究橋梁在上述條件下的實際位移曲線，而目前對風(fēng)的研究僅局限于理論和模型實驗，對實橋在風(fēng)作用下的研究還不充分，對車載的研究也只是在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(xù)實時監(jiān)測。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)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掃描法，對各個測點進行7s一周的連續(xù)掃描，其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型傳感器，必須與測點相接觸，其缺點是對于難以接近點無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行兩次積分，精度不高，也無法實時。而大型懸索橋的頻率一般都較低。
　　激光法測試精度較高，但在橋梁晃動大時由于無法捕捉光點也無法測量。
　　除上述不足外，對橋梁的扭角測試也力不從心，為對橋梁進行安全監(jiān)測，必須尋找更好的測試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進行測試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進行實地測試[4~6]，過靜君與1996年對深圳帝王大廈，1998年對中國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，目前已正常工作。國外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，獲得了成功，但在國內(nèi)利用GPS對橋梁的測試還無先例，在國外也僅限于位移監(jiān)測，利用GPS進行動力分析和研究橋梁在風(fēng)和車輛作用下的力學(xué)行為還不充分。下面介紹利用GPS監(jiān)測的原理和特點。
　　GPS位移監(jiān)測原理：大橋位移監(jiān)測系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進行實時相位差分即 RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實時測定大橋位移。原理見圖1. GPS RTK差分系統(tǒng)是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實時傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準(zhǔn)站信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標(biāo)。此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對接收機的GPS差分信號結(jié)果進行橋梁橋面、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(jiān)測大橋位移特點：
　?。?）由于GPS是接收衛(wèi)星運行定位，所以大橋上各點只要能接收到6顆以上GPS衛(wèi)星及基準(zhǔn)站傳來的GPS差分信號，即可進行GPS RTK差分定位。各監(jiān)測站之間勿需通視，是相互獨立的觀測值。
　　（2）GPS定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進行監(jiān)測。
　　（3）GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動完成。所測三維坐標(biāo)可自動存入監(jiān)控中心服務(wù)器進行大橋安全性分析。
　?。?）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可達(dá)10～20Hi速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10mm，高程為20mm.當(dāng)然，GPS進行橋梁的實時監(jiān)測也存在著不足，目前僅能對變形相對較大的位移進行監(jiān)測，對于小位移還需進一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

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