大跨橋梁安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法分析

朱莉莉　徐紅玲

摘要:首先介紹了現(xiàn)代大跨橋梁的安全監(jiān)測(cè)的意義,通過比較目前幾種測(cè)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(cè)的新方法,并闡述了其原理和特點(diǎn);指出目前用干系統(tǒng)識(shí)別的時(shí)域和頻域法的各自不足,探討結(jié)合時(shí)頗的參數(shù)識(shí)別的新方法,最后提到目前用于大跨橋梁損傷檢測(cè)方法的困難。

關(guān)鍵詞:大跨橋梁;GPS;系統(tǒng)識(shí)別;損傷檢測(cè)

1 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,從幾百米到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。

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,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?；钴S的研究方向。

2 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。

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。

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):

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。

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。

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。

3 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。

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。

第一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。

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。

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。

軸。第二指紋分析方法,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。

4 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GPS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)。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)。