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

 

　　癥結詞：大跨橋梁 GPS 體系辨認 傷害檢測

 

　　一、橋粱平安監測的意義

 

　　隨著科學技巧的進步以及交通運輸的需求，許多大跨度橋梁應運而生，尤其是懸索橋以其跨度大，外型幽美，節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）；平安系數也隨之降落，由以前的4～5降落為2～3。另外，因為其柔性大，頻率低，對風的作用很敏感。因為缺少必要的監測和相應的養護，世界各地涌現了少量橋梁損好事變，給人民經濟和性命財富形成了偉大喪失。

 

　　1994年10月韓國漢城發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人的嚴重事變。據稱形成橋梁在行車頂峰期忽然斷裂的起因是臨時超負荷經營，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），只應用了三個月，便在19m÷s的風速下形成了塌橋事變 ：1951年主跨 1280m的金門大橋于風速 15～1520m÷s時因振動而形成橋體部分破壞，等等。

 

　　美國現有的約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，因為拉索的防護不合理而引起的斜拉索的嚴重銹蝕，如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠未到達他們的設計壽命下，自愿全部改換，形成很大的經濟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，與國計民生親密相干的大橋的平安持久，必需對這些大橋進行延續的監測。

 

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

 

　　二、橋梁位移監測儀器的現狀

 

　　大跨度橋梁受風荷載，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，車載和溫度的影響，為保障其在上述條件下的平安經營，必需鉆研橋梁在上述條件下的實踐位移曲線，而目前對風的鉆研僅局限于實踐和模型試驗，對實橋在風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行。重要起因是測試儀器的不合理，對大橋不能延續實時監測。目前用于構造監測的儀器重要有：經緯儀、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，對各個測點進行7s一周的延續掃描，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，必需與測點相接觸，其缺點是關于難以靠近點無法測量以及對橫向位移測量有艱難。

 

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

 

　　激光法測試精度較高，但在橋梁晃動大時因為無法捕獲光點也無法測量。

 

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

 

　　GPS位移監測原理：大橋位移監測體系是采取衛星定位體系。它是應用吸收導航衛星載波相位進行實時相位差分即 RTK技巧（Real Time Kinematic），實時測定大橋位移。原理見圖1。

 

　　GPS RTK差分體系是由 GPS基準站、GPS監測站和通訊體系組成?；鶞收緦⑽盏降男l星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站。監測站吸收衛星信號及GPS基準站信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。此后果將送到GPS監控中心。監控中心對吸收機的GPS差分信號后果進行橋梁橋面、橋塔的位移、轉角盤算，供給大橋治理部門進行平安剖析。

 

　　GPS監測大橋位移特性：

 

　　（l）因為GPS是吸收衛星運行定位，所以大橋上各點只要能吸收到6顆以上GPS衛星及基準站傳來的GPS差分信號，即可進行GPS RTK差分定位。各監測站之間勿需通視，是互相獨立的觀測值。

 

　?。?）GPS定位受外界大氣影響小，能夠在暴風雨中進行監測。

 

　?。?）GPS測定位移主動化程度高。從吸收信號，捕獲衛星，到實現RTK差分位移都可由儀器主動實現。所測三維坐標可主動存入監控中心效勞器進行大橋平安性剖析。

 

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

 

　　當然，GPS進行橋梁的實時監測也存在著缺少，目前僅能對變形絕對較大的位移進行監測，關于小位移還需進一步進步GPS的定位精度，但不清除GPS對其余大型構造的應用遠景。

 

　　三、橋架空全監測的實踐鉆研現狀

 

　　傳統檢測手腕能夠對橋梁的外觀及某些構造特性進行監測。檢測的后果個別也能部分地反應構造以后狀況，但是卻難以片面反應橋梁的衰弱狀況，尤其是難以對橋梁的平安儲藏以及進化的門路作出體系的評估。此外慣例的檢測技巧也難以發明隱秘構件的傷害。目前得到廣泛認同的一種最有前程的方式就是聯合體系辨認，振動實踐，振動測試技巧，信號采集與剖析等跨學科技巧的試驗模態剖析法。

 

　　在體系參數辨認方面目前廣泛采取兩種方式：頻域法和時域法。頻域法應用所施加的鼓勵和由此得到的響應，經過FFT剖析得到頻響函數，而后采取諸如多項式擬和的方式得到模態參數，因為能夠采取屢次均勻來清除隨機誤差對頻響函數的影響，采取頻域辨認方式的精度有肯定的保障，不過該法存在以下缺點：①基于振型不偶聯，因而，只能辨認具備經典阻尼的構造的實模態。像大跨懸索橋這樣的構造，具備顯著的非經典阻尼性質。頻域法應用遭到限制。②須要經過FFT剖析，由此帶來了諸如走漏等偏度誤差對參數辨認的影響。近來的環境脈動法能夠無須曉得鼓勵而得到振型參數，又擴大了該法的應用規?！?，8】。70年代前期涌現的時域辨認方式，填補了頻域法的缺少，能夠用隨機或自在響應數據來辨認模態參數。它們不用進行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鼓勵的響應信號中得到隨機減量特性，因而該方式成為能根據在線信號對體系進行辨認的惟一方式。但也存在著一些缺點：因為在參數辨認時應用了所測信號的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號中蘊含的模態數目對比多，但因為試驗測試環節及其余起因，使得其中的一些模態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階辨認和最小二乘法。以后應用ITD法對橋梁進行在線監測獲得肯定后果【9，10】綜上所述，時域法和頻域法均有本人的缺點，應尋覓一種綜合時頻的方式以進步辨認精度，近來涌現的小波變換能夠綜合時頻，可討論其在橋梁參數辨認方面的應用。在構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。準確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應猜測的重要前提；也是構造平安監測，傷害檢測以及實現最優振動掌握的基本。但是，只管有限無法得到了高度的開展，實踐龐雜構造的有限元模型依然是有誤差的。有限元建模為構造航行供給完全的實踐模態參數集，但這些參數經常與構造模態試驗得到的參數不一致。因而，必需對構造實踐模型進行調劑或修改，使得修改后的模態參數與試驗相一致，這一歷程即有限元模型修改。

 

　　模型修改法在橋梁監測中重要用于把試驗構造的振動反應記載與本來的模型盤算后果進行綜合對比，應用間接或間接測知的模態參數，減速度時程記載，頻響函數等，通過條件優化束縛，一直地修改模型中的剛度和質量信息，從而得到構造變更的信息，實現構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，這方面的代表應屬Berman÷Baruch的最優法。

 

　　（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，通過對宇矩陣修改系數的調劑來修改構造剛度，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。

 

　?。?）敏銳度法修改構造參數通過修改構造的設計參數彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進行修改。

 

　　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量矩陣，并假設剛度與質量的變更互相獨立。因而，這類方式不實用于構造剛度矩陣和質量矩陣變更相干的有限元模型修改。而大跨度橋梁的質質變更通常會弓愧構造剛度的變更，屬于典范的非線性問題。只要第三種方式應用觀測量對構造參數的敏理性來修改構造參數?；诿衾硇云饰龅膮敌薷哪軌驈拿舾衅饰龅膬深^后果看出各參數對構造振動的影響程度；并且，可間接說明構造物理量的修改，無須通過應用總綱陣的對比來反應修改狀況。但是但待修改參數較多時，該方式常會得出違抗物理意義的參數修改。

 

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

 

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

 

　　但少量的模型和實踐構造試驗標明構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】，個別傷害使構造自振頻率的變更都在5％以內【11，12】，而Askegaard等在對橋梁的臨時觀測后發明，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10％【63】，因而個別以為自振頻率不能間接用來作為橋梁監測的指紋，而振型盡管對部分剛度對比敏感，但準確測量對比艱難，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，有人以隱約實踐，構造牢靠度實踐等為實踐框架樹立了各種橋梁應用性能評估專家體系，但必需首先樹立各種標準和專家數據庫。

 

　　四、論斷與瞻望

 

　　（l）因為大跨橋梁受環境因素影響較大，平安系數低，必需對其進行延續實時監測。

 

　?。?）因為GPS定位精度高，速度快，同其余幾種位移監測儀器相比具備顯著的長處，可用它對大跨度橋梁做延續實時監測，同時應進一步進步其精度，從而擴大其應用規模。目前GPS已在虎門大橋裝置勝利，實現了對大橋延續實時監測。

 

　?。?）在體系辨認方面，對比了時域和頻域法的優劣，今后應進行聯合時頻的體系辨認鉆研。

 

　?。?）在模型修改方面，應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）因為對橋梁缺損狀況的評估缺少對立有效的指標，應聯合試驗測試和有限元建模鉆研適宜于大跨橋梁的指紋指標。