監理工程師：大跨橋梁安全監測的技術方法分析
發布時間：2014-02-25 共2頁
「摘要」首先介紹了現代跨橋梁的安全監測的意義，通過比較目前幾種測試位移儀器的優缺點，提出用GPS進行橋位移監測的新方法，并闡述了其原理和特點；指出目前用干系統識別的時域和頻域法的各自不足，探討結合時頗的參數識別的新方法，最后提到目前用于跨橋梁損傷檢測方法的困難。
「關鍵詞」跨橋梁 GPS 系統識別 損傷檢測
一、橋粱安全監測的意義
隨著科學技術的進步以及交通運輸的需求，許多跨度橋梁應運而生，尤其是懸索橋以其跨度，造型優美，節省材料而備受人們的青睞，成為跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越來越小，（l/40～l/300）；安全系數也隨之下降，由以前的4～5下降為2～3.另外，由于其柔性，頻率低，對風的作用很敏感。由于缺乏必要的監測和相應的養護，世界各地出現了量橋梁損壞事故，給國民經濟和生命財產造成了巨損失。
1994年10月韓國漢城發生了橫跨漢江的圣水橋中央斷場50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重事故。據稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長期超負荷運營，鋼梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。
1940年完工的主跨853m的塔可馬橋（Tacoma Narrows），只使用了三個月，便在19m／s的風速下造成了塌橋事故 ：1951年主跨 1280m的金門橋于風速 15～1520m／s時因振動而造成橋體部分損壞，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重銹蝕，如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠未達到他們的設計壽命下，被迫全部更換，造成很的經濟損失和不良的社會影響。
過去十幾年里，我國已建成一批跨度橋梁，僅上海就有南浦、楊浦和徐浦橋等具有世界先進水平的橋梁，另外，香港的青馬橋和虎門的虎門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交通發展迅速，迫切需要建立一批跨度橋梁。為了確保這些耗資巨，與國計民生密切相關的橋的安全耐久，必須對這些橋進行連續的監測。
目前，橋梁的監測越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監測研究，橋梁的安全監測正日益成為土木工程學科中的一個非常活躍的研究方向[1，2，3].
二、橋梁位移監測儀器的現狀
跨度橋梁受風荷載，車載，溫度和地震影響較，而在沿海地區一般無地震，主要受臺風，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，而目前對風的研究僅局限于理論和模型實驗，對實橋在風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，對橋不能連續實時監測。目前用于結構監測的儀器主要有：經緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法。
上海楊浦橋就采用的是全站儀自動掃描法，對各個測點進行7s一周的連續掃描，其缺點是各測點不同步以及變形時不可測。
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測，必須尋找更好的測試方法。目前出現了利用GPS進行測試的新手段，在橋梁高層結構上進行實地測試[4~6]，過靜君與1996年對深圳帝王廈，1998年對香港的青馬橋進行了實驗研究，特別是1999年在廣州虎門橋進行了實橋測試，目前已正常工作。國外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對結構進行監測，獲得了成功，但在國內利用GPS對橋梁的測試還無先例，在國外也僅限于位移監測，利用GPS進行動力分析和研究橋梁在風和車輛作用下的力學行為還不充分。下面介紹利用GPS監測的原理和特點。
GPS位移監測原理：橋位移監測系統是采用衛星定位系統。它是利用接收導航衛星載波相位進行實時相位差分即 RTK技術（Real Time Kinematic），實時測定橋位移。原理見圖1. GPS RTK差分系統是由 GPS基準站、GPS監測站和通信系統組成。基準站將接收到的衛星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站。監測站接收衛星信號及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。此結果將送到GPS監控中心。監控中心對接收機的GPS差分信號結果進行橋梁橋面、橋塔的位移、轉角計算，提供橋管理部門進行安全分析。
GPS監測橋位移特點：
（1）由于GPS是接收衛星運行定位，所以橋上各點只要能接收到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，是相互獨立的觀測值。
（2）GPS定位受外界氣影響小，可以在暴風雨中進行監測。
（3）GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕捉衛星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動完成。所測三維坐標可自動存入監控中心服務器進行橋安全性分析。
（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可達10～20Hi速率輸出定位結果，定位精度平面為10mm，高程為20mm.當然，GPS進行橋梁的實時監測也存在著不足，目前僅能對變形相對較的位移進行監測，對于小位移還需進一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對其他型結構的應用前景。
