橋梁安全監(jiān)測必不可少
2015-07-20
過去十幾年里，我國已建成一批大跨度橋梁，僅上海就有南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋等多座具有世界先進(jìn)水平的大跨度橋梁。另外，近年來由于我國交通發(fā)展迅速，迫切地需要建立一大批大跨度橋梁。為確保這些耗資巨大，與國計民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久性，必須對這些橋梁進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測。
目前，橋梁的監(jiān)測越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測研究，橋梁的安全監(jiān)測正日益成為土木工程學(xué)科中的一個非常活躍的研究方向。橋梁位移監(jiān)測儀器的現(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，主要是受臺風(fēng)、車載、溫度等的影響。為保證大跨度橋梁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(fēng)的研究僅局限于理論和模型實驗，對實橋在風(fēng)作用下的研究還尚不成熟，對車載的研究也只是在特定時間和空間下才進(jìn)行的。造成以上結(jié)果的主要原因，還在于測試儀器的不合理性，其不能對大橋進(jìn)行連續(xù)實時的監(jiān)測，因此，必須選擇合適的測試儀器才能確保獲取實時、有效的檢測數(shù)據(jù)。
監(jiān)測儀器的種類
當(dāng)前，用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的儀器主要有經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器，以及激光測試的方法。上海楊浦大橋采用的是全站儀自動掃描法，可對各個測點進(jìn)行一周的連續(xù)掃描，但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(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對它進(jìn)行兩次積分，其缺點是精度不高及無法實時監(jiān)測；激光法測試雖精度較高，但在橋梁晃動大時，則無法捕捉光點，導(dǎo)致無法測量。
GPS測試法
為對橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測，必須尋找更好的測試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進(jìn)行測試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行實地測試，這種方法在已國外實測獲得了成功。在國外，GPS測試法也僅限于位移監(jiān)測。由于GPS是接收衛(wèi)星運行定位的，所以大橋上各點只要能接收到6顆以上GPS衛(wèi)星，及基準(zhǔn)站傳來的
GPS差分信號即可進(jìn)行GPS RTK差分定位，且各監(jiān)測站之間不需要通視，是相互獨立的觀測值；G P S定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測；GPS測定位移自動化程度高，從接收信號，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動完成，且所測三維坐標(biāo)可自動存入監(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。
橋梁安全監(jiān)測的理論研究
傳統(tǒng)檢測手段可以對橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測，檢測結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，但卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是很難對橋梁的安全儲備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評估。此外，常規(guī)的檢測技術(shù)也較難發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前被普遍認(rèn)同的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術(shù)、信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實驗?zāi)B(tài)分析法。
系統(tǒng)識別技術(shù)
系統(tǒng)參數(shù)識別目前普遍采用頻域法和時域法兩種方法。頻域法可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對頻響函數(shù)的影響，因此該方法的精度能夠有一定的保證，但其也有一定的缺點：基于振型不偶聯(lián)，致使如大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用該法會受到限制；需要經(jīng)過F F T分析，由此卻帶來了偏度誤差對參數(shù)識別的影響。時域法是于70年代后期出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了頻域法的不足，從而消除了F F T分析所帶來的誤差。它還可以從未知隨機(jī)激勵的響應(yīng)信號中得到隨機(jī)減量特征，因此成為了能依據(jù)在線信號對系統(tǒng)進(jìn)行識別的唯一方法。但其也存在一些缺陷：時域法在參數(shù)識別時不是截取有效頻段，而使信號中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實驗測試環(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。
結(jié)構(gòu)損傷的檢測與定位對結(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)與實驗相一致，這一過程就是有限元模型修正。精確的有限元建模是大型橋梁風(fēng)震響應(yīng)預(yù)測的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、損傷檢測以及實現(xiàn)最優(yōu)振動控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限元法得到了高度的發(fā)展，實際復(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)實驗得到的參數(shù)不一致。
結(jié)構(gòu)損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。模型修正法在橋梁監(jiān)測中主要用于記錄實驗結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，并與原先的模型計算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)，記錄加速度時程，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，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。指紋分析方法則是指尋找與結(jié)構(gòu)動力特性有關(guān)的動力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實狀況。
大量的模型和實際結(jié)構(gòu)實驗表明結(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，一般損傷使結(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5％以內(nèi)，而在對橋梁的長期觀測后發(fā)現(xiàn)，在一年期間里橋梁即使沒有任何明顯的變化，其振動頻率的變化也可達(dá)10％。因此，一般認(rèn)為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測的指紋，而振型雖然對局部剛度比較敏感，但精確測量比較困難，對橋缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)。
綜上所述，大跨橋梁由于受環(huán)境因素影響較大，安全系數(shù)低，必須對其進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測；GPS測試法同其他幾種位移監(jiān)測儀器相比具有明顯的優(yōu)點，可用其對大跨度橋梁做連續(xù)實時監(jiān)測，但還應(yīng)進(jìn)一步提高其監(jiān)測精度，以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍；在系統(tǒng)識別方面，應(yīng)積極進(jìn)行結(jié)合時頻的系統(tǒng)識別研究；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；由于對橋梁缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合實驗測試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。
