关于大跨桥梁安全监测的技术方法的几点分析
来源：考试大【考试大——我选择，我喜欢】2011年2月14日
一、桥粱安全监测的意义
1994年10月韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断场50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重伤17人的重大事故。据称造成桥梁在行车高峰期突然断裂的原因是长期超负荷运营，钢梁螺栓及杆件疲劳破坏所致；1940年完工的主跨853m的塔可马大桥（TacomaNarrows），只使用了三个月，便在19m／s的风速下造成了塌桥事故；1951年主跨1280m的金门大桥于风速15～1520m／s时因振动而造成桥体部分损坏，等等。
我国早期建造的斜拉桥，由于拉索的防护不合理而引起的斜拉索的严重锈蚀，如济南黄河桥、广州海印桥的斜拉索在远未达到他们的设计寿命下，被迫全部更换，造成很大的经济损失和不良的社会影响。
目前，桥梁的监测越来越受到重视，许多研究人员都在致力于桥梁的监测研究，桥梁的安全监测正日益成为土木工程学科中的一个非常活跃的研究方向。
大跨度桥梁受风荷载，车载，温度和地震影响较大，而在沿海地区一般无地震，主要受台风，车载和温度的影响，为保证其在上述条件下的安全运营，必须研究桥梁在上述条件下的实际位移曲线，而目前对风的研究仅局限于理论和模型实验，对实桥在风作用下的研究还不充分，对车载的研究也只是在特定时间和空间下进行。主要原因是测试仪器的不合理，对大桥不能连续实时监测。目前用于结构监测的仪器主要有：经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法。
位移传感器是一种接触型传感器，必须与测点相接触，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向位移测量有困难。
激光法测试精度较高，但在桥梁晃动大时由于无法捕捉光点也无法测量。
GPS位移监测原理：大桥位移监测系统是采用卫星定位系统。它是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即RTK技术（RealTimeKinematic），实时测定大桥位移。GPSRTK差分系统是由GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。
（1）由于GPS是接收卫星运行定位，所以大桥上各点只要能接收到6颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPSRTK差分定位。各监测站之间勿需通视，是相互独立的观测值。
（3）GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可自动存入监控中心服务器进行大桥安全性分析。考试大论坛
三、桥架空全监测的理论研究现状
在系统参数识别方面目前普遍采用两种方法：频域法和时域法。频域法利用所施加的激励和由此得到的响应，经过FFT分析得到频响函数，然后采用诸如多项式拟和的方法得到模态参数，由于可以采用多次平均来消除随机误差对频响函数的影响，采用频域识别方法的精度有一定的保证，不过该法存在以下缺点：
②需要经过FFT分析，由此带来了诸如泄漏等偏度误差对参数识别的影响。
综上所述，时域法和频域法均有自己的缺陷，应寻找一种综合时频的方法以提高识别精度，近来出现的小波变换可以综合时频，可探讨其在桥梁参数识别方面的应用。在结构损伤检测定位方面，目前可分为模型修正法和指纹分析法两类。
但是，尽管有限无法得到了高度的发展，实际复杂结构的有限元模型仍然是有误差的。有限元建模为结构飞行提供完整的理论模态参数集，但这些参数常常与结构模态实验得到的参数不一致。因此，必须对结构理论模型进行调整或修正，使得修正后的模态参数与实验相一致，这一过程即有限元模型修正。
（1）矩阵型法，是发展最早，最成熟，修正计算模型的整个矩阵的一类方法，它具有精度高、执行容易的特点，主要缺点是所修正的模型的物理意义不明确，丧失了原有限元模型的带状特点，这方面的代表应属Berman／Baruch的最优法。
（3）灵敏度法修正结构参数通过修正结构的设计参数弹性模量E截面面积A等来对有限元模型进行修正。
2、指纹分析方法，寻找与结构动力特性有关的动力指纹，通过这些指纹的变化来判断结构的真实状况。
但大量的模型和实际结构实验表明结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型形式变化明显，一般损伤使结构自振频率的变化都在5％以内，而Askegaard等在对桥梁的长期观测后发现，在一年期间里桥梁即使没有任何明显的变化，其振动频率的变化也可达10％，因此一般认为自振频率不能直接用来作为桥梁监测的指纹，而振型虽然对局部刚度比较敏感，但精确测量比较困难，MAC，COMAC，CMS等依赖于振型的动力指纹都遇到同样的问题。对桥缺损状态的评价缺乏统一有效的指标，有人以模糊理论，结构可靠度理论等为理论框架建立了各种桥梁使用性能评估专家系统，但必须首先建立各种规范和专家数据库。
（1）由于大跨桥梁受环境因素影响较大，安全系数低，必须对其进行连续实时监测；
（3）在系统识别方面，比较了时域和频域法的优劣，今后应进行结合时频的系统识别研究；
（5）由于对桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的指标，应结合实验测试和有限元建模研究适合于大跨桥梁的指纹指标。
一、桥粱安全监测的意义
1994年10月韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断场50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重伤17人的重大事故。据称造成桥梁在行车高峰期突然断裂的原因是长期超负荷运营，钢梁螺栓及杆件疲劳破坏所致；1940年完工的主跨853m的塔可马大桥（TacomaNarrows），只使用了三个月，便在19m／s的风速下造成了塌桥事故；1951年主跨1280m的金门大桥于风速15～1520m／s时因振动而造成桥体部分损坏，等等。
我国早期建造的斜拉桥，由于拉索的防护不合理而引起的斜拉索的严重锈蚀，如济南黄河桥、广州海印桥的斜拉索在远未达到他们的设计寿命下，被迫全部更换，造成很大的经济损失和不良的社会影响。
目前，桥梁的监测越来越受到重视，许多研究人员都在致力于桥梁的监测研究，桥梁的安全监测正日益成为土木工程学科中的一个非常活跃的研究方向。
大跨度桥梁受风荷载，车载，温度和地震影响较大，而在沿海地区一般无地震，主要受台风，车载和温度的影响，为保证其在上述条件下的安全运营，必须研究桥梁在上述条件下的实际位移曲线，而目前对风的研究仅局限于理论和模型实验，对实桥在风作用下的研究还不充分，对车载的研究也只是在特定时间和空间下进行。主要原因是测试仪器的不合理，对大桥不能连续实时监测。目前用于结构监测的仪器主要有：经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法。
位移传感器是一种接触型传感器，必须与测点相接触，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向位移测量有困难。
激光法测试精度较高，但在桥梁晃动大时由于无法捕捉光点也无法测量。
GPS位移监测原理：大桥位移监测系统是采用卫星定位系统。它是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即RTK技术（RealTimeKinematic），实时测定大桥位移。GPSRTK差分系统是由GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。
（1）由于GPS是接收卫星运行定位，所以大桥上各点只要能接收到6颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPSRTK差分定位。各监测站之间勿需通视，是相互独立的观测值。
（3）GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可自动存入监控中心服务器进行大桥安全性分析。考试大论坛
三、桥架空全监测的理论研究现状
在系统参数识别方面目前普遍采用两种方法：频域法和时域法。频域法利用所施加的激励和由此得到的响应，经过FFT分析得到频响函数，然后采用诸如多项式拟和的方法得到模态参数，由于可以采用多次平均来消除随机误差对频响函数的影响，采用频域识别方法的精度有一定的保证，不过该法存在以下缺点：
②需要经过FFT分析，由此带来了诸如泄漏等偏度误差对参数识别的影响。
综上所述，时域法和频域法均有自己的缺陷，应寻找一种综合时频的方法以提高识别精度，近来出现的小波变换可以综合时频，可探讨其在桥梁参数识别方面的应用。在结构损伤检测定位方面，目前可分为模型修正法和指纹分析法两类。
但是，尽管有限无法得到了高度的发展，实际复杂结构的有限元模型仍然是有误差的。有限元建模为结构飞行提供完整的理论模态参数集，但这些参数常常与结构模态实验得到的参数不一致。因此，必须对结构理论模型进行调整或修正，使得修正后的模态参数与实验相一致，这一过程即有限元模型修正。
（1）矩阵型法，是发展最早，最成熟，修正计算模型的整个矩阵的一类方法，它具有精度高、执行容易的特点，主要缺点是所修正的模型的物理意义不明确，丧失了原有限元模型的带状特点，这方面的代表应属Berman／Baruch的最优法。
（3）灵敏度法修正结构参数通过修正结构的设计参数弹性模量E截面面积A等来对有限元模型进行修正。
2、指纹分析方法，寻找与结构动力特性有关的动力指纹，通过这些指纹的变化来判断结构的真实状况。
但大量的模型和实际结构实验表明结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型形式变化明显，一般损伤使结构自振频率的变化都在5％以内，而Askegaard等在对桥梁的长期观测后发现，在一年期间里桥梁即使没有任何明显的变化，其振动频率的变化也可达10％，因此一般认为自振频率不能直接用来作为桥梁监测的指纹，而振型虽然对局部刚度比较敏感，但精确测量比较困难，MAC，COMAC，CMS等依赖于振型的动力指纹都遇到同样的问题。对桥缺损状态的评价缺乏统一有效的指标，有人以模糊理论，结构可靠度理论等为理论框架建立了各种桥梁使用性能评估专家系统，但必须首先建立各种规范和专家数据库。
（1）由于大跨桥梁受环境因素影响较大，安全系数低，必须对其进行连续实时监测；
（3）在系统识别方面，比较了时域和频域法的优劣，今后应进行结合时频的系统识别研究；
（5）由于对桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的指标，应结合实验测试和有限元建模研究适合于大跨桥梁的指纹指标。
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来源:考试大-公路监理师责编:ljwzmznd评论纠错
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