大跨橋梁安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法分析
2015-04-20
一、橋粱安全監(jiān)測(cè)的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運(yùn)輸?shù)男枨?，許多大跨度橋梁應(yīng)運(yùn)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(duì)風(fēng)的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測(cè)和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)，世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。
1994年10月韓國(guó)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(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)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（Tacoma Narrows），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(guó)現(xiàn)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(guó)俄亥俄河上的銀橋突然倒塌，造成46人死于非命。
我國(guó)早期建造的斜拉橋，由于拉索的防護(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)未達(dá)到他們的設(shè)計(jì)壽命下，被迫全部更換，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)。影響
過去十幾年里，我國(guó)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的虎門大橋又是我國(guó)首次建立的懸索橋，近年來我國(guó)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(guó)計(jì)民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久，必須對(duì)這些大橋進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
目前，橋梁的監(jiān)測(cè)越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測(cè)研究，橋梁的安全監(jiān)測(cè)正日益成為土木工程學(xué)科中的一個(gè)非常活躍的研究方向[1,2,3]。
二、橋梁位移監(jiān)測(cè)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(wú)地震，主要受臺(tái)風(fēng)，車載和溫度的影響，為保證其在上述條件下的安全運(yùn)營(yíng)，必須研究橋梁在上述條件下的實(shí)際位移曲線，而目前對(duì)風(fēng)的研究?jī)H局限于理論和模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)橋在風(fēng)作用下的研究還不充分，對(duì)車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(cè)試儀器的不合理，對(duì)大橋不能連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(cè)試方法。
上海楊浦大橋就采用的是全站儀自動(dòng)掃描法，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行7s一周的連續(xù)掃描，其缺點(diǎn)是各測(cè)點(diǎn)不同步以及大變形時(shí)不可測(cè)。
位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測(cè)點(diǎn)相接觸，其缺點(diǎn)是對(duì)于難以接近點(diǎn)無(wú)法測(cè)量以及對(duì)橫向位移測(cè)量有困難。
加速度傳感器，對(duì)于低頻靜態(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對(duì)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(cè)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(cè)量。
除上述不足外，對(duì)橋梁的扭角測(cè)試也力不從心，為對(duì)橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，必須尋找更好的測(cè)試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進(jìn)行測(cè)試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行實(shí)地測(cè)試[4~6]，過靜君與1996年對(duì)深圳帝王大廈，1998年對(duì)香港的青馬大橋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，特別是1999年在廣州虎門大橋進(jìn)行了實(shí)橋測(cè)試，目前已正常工作。國(guó)外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了成功，但在國(guó)內(nèi)利用GPS對(duì)橋梁的測(cè)試還無(wú)先例，在國(guó)外也僅限于位移監(jiān)測(cè)，利用GPS進(jìn)行動(dòng)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(cè)的原理和特點(diǎn)。
GPS位移監(jiān)測(cè)原理：大橋位移監(jiān)測(cè)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(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即 RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)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(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測(cè)得站點(diǎn)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(duì)接收機(jī)的GPS差分信號(hào)結(jié)果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角計(jì)算，提供大橋管理部門進(jìn)行安全分析。
GPS監(jiān)測(cè)大橋位移特點(diǎn)：
（l）由于GPS是接收衛(wèi)星運(yùn)行定位，所以大橋上各點(diǎn)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(hào)，即可進(jìn)行GPS RTK差分定位。各監(jiān)測(cè)站之間勿需通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)值。
（2）GPS定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
?。?）GPS測(cè)定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測(cè)三維坐標(biāo)可自動(dòng)存入監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行大橋安全性分析。
（4）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(jìn)行橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也存在著不足，目前僅能對(duì)變形相對(duì)較大的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對(duì)其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。
三、橋架空全監(jiān)測(cè)的理論研究現(xiàn)狀
傳統(tǒng)檢測(cè)手段可以對(duì)橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)的結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)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(duì)橋梁的安全儲(chǔ)備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評(píng)估。此外常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前得到普遍認(rèn)同的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別，振動(dòng)理論，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)，信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。
在系統(tǒng)參數(shù)識(shí)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(lì)和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù)，然后采用諸如多項(xiàng)式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù)，由于可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對(duì)頻響函數(shù)的影響，采用頻域識(shí)別方法的精度有一定的保證，不過該法存在以下缺點(diǎn)：①基于振型不偶聯(lián)，因此，只能識(shí)別具有經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用受到限制。②需要經(jīng)過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對(duì)參數(shù)識(shí)別的影響。近來的環(huán)境脈動(dòng)法可以無(wú)須知道激勵(lì)而得到振型參數(shù)，又?jǐn)U展了該法的應(yīng)用范圍[7,8]。70年代后期出現(xiàn)的時(shí)域識(shí)別方法，彌補(bǔ)了頻域法的不足，可以用隨機(jī)或自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來識(shí)別模態(tài)參數(shù)。它們不必進(jìn)行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來的誤差。尤其是它還可以從未知隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)中得到隨機(jī)減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的唯一方法。但也存在著一些缺陷：由于在參數(shù)識(shí)別時(shí)運(yùn)用了所測(cè)信號(hào)的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號(hào)中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)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(kuò)階識(shí)別和最小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對(duì)橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)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(yīng)尋找一種綜合時(shí)頻的方法以提高識(shí)別精度，近來出現(xiàn)的小波變換可以綜合時(shí)頻，可探討其在橋梁參數(shù)識(shí)別方面的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。
1．精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)預(yù)測(cè)的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè),損傷檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限無(wú)法得到了高度的發(fā)展，實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結(jié)構(gòu)飛行提供完整的理論模態(tài)參數(shù)集，但這些參數(shù)常常與結(jié)構(gòu)模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)不一致。因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)理論模型進(jìn)行調(diào)整或修正，使得修正后的模態(tài)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)相一致，這一過程即有限元模型修正。
模型修正法在橋梁監(jiān)測(cè)中主要用于把實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)記錄與原先的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測(cè)知的模態(tài)參數(shù)，加速度時(shí)程記錄，頻響函數(shù)等，通過條件優(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(jié)構(gòu)變化的信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jì)算模型的整個(gè)矩陣的一類方法，它具有精度高、執(zhí)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(yīng)屬Berman／Baruch的最優(yōu)法。
（2）子矩陣修正法，通過對(duì)待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數(shù)，通過對(duì)宇矩陣修正系數(shù)的調(diào)整來修正結(jié)構(gòu)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(duì)稱，稀疏性。
（3）靈敏度法修正結(jié)構(gòu)參數(shù)通過修正結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對(duì)有限元模型進(jìn)行修正。
上述的前兩種方法通過求解一個(gè)矩陣方程或帶約束的最小化問題來修正剛度和質(zhì)量矩陣，并假定剛度與質(zhì)量的變化相互獨(dú)立。因此，這類方法不適用于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度的變化，屬于典型的非線性問題。只有第三種方法利用觀測(cè)量對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性來修正結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诿舾行苑治龅膮?shù)修正可以從敏感分析的中間結(jié)果看出各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響程度；并且，可直接解釋結(jié)構(gòu)物理量的修改，無(wú)須通過利用總綱陣的比較來反映修改情況。然而但待修正參數(shù)較多時(shí)，該方法常會(huì)得出違背物理意義的參數(shù)修正。
2．指紋分析方法，尋找與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)的動(dòng)力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。
在線監(jiān)測(cè)中，頻率是最易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且精度很高，因此通過監(jiān)測(cè)頻率的變化來識(shí)別結(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是最為簡(jiǎn)單的。此外，振型也可用于結(jié)構(gòu)破損的發(fā)現(xiàn)，盡管振型的測(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)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(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5％以內(nèi)[11,12]，而Askegaard等在對(duì)橋梁的長(zhǎng)期觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，在一年期間里橋梁即使沒有任何明顯的變化，其振動(dòng)頻率的變化也可達(dá)10％［63］，因此一般認(rèn)為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測(cè)的指紋，而振型雖然對(duì)局部剛度比較敏感，但精確測(cè)量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴于振型的動(dòng)力指紋都遇到同樣的問題。對(duì)橋缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，有人以模糊理論，結(jié)構(gòu)可靠度理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評(píng)估專家系統(tǒng)，但必須首先建立各種規(guī)范和專家數(shù)據(jù)庫(kù)。
四、結(jié)論與展望
?。╨）由于大跨橋梁受環(huán)境因素影響較大，安全系數(shù)低，必須對(duì)其進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
?。?）由于GPS定位精度高，速度快，同其他幾種位移監(jiān)測(cè)儀器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可用它對(duì)大跨度橋梁做連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步提高其精度，從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。目前已在虎門大橋安裝成功，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大橋連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。GPS
?。?）在系統(tǒng)識(shí)別方面，比較了時(shí)域和頻域法的優(yōu)劣，今后應(yīng)進(jìn)行結(jié)合時(shí)頻的系統(tǒng)識(shí)別研究。
?。?）在模型修正方面，應(yīng)在基于敏感性分析的基礎(chǔ)上，研究適合于大跨橋梁的模型修正方法。
?。?）由于對(duì)橋梁缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。
