桥梁安全监测的重要性及其意义分析

过去十几年里，我国已建成一批大跨度桥梁，仅上海就有南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥等多座具有世界先进水平的大跨度桥梁。另外，近年来由于我国交通发展迅速，迫切地需要建立一大批大跨度桥梁。为确保这些耗资巨大，与国计民生密切相关的大桥的安全耐久性，必须对这些桥梁进行连续的监测。


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。桥梁位移监测仪器的现状


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，主要是受台风、车载、温度等的影响。为保证大跨度桥梁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尚不成熟，对车载的研究也只是在特定时间和空间下才进行的。造成以上结果的主要原因，还在于测试仪器的不合理性，其不能对大桥进行连续实时的监测，因此，必须选择合适的测试仪器才能确保获取实时、有效的检测数据。


监测仪器的种类


当前，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，以及激光测试的方法。上海杨浦大桥采用的是全站仪自动扫描法，可对各个测点进行一周的连续扫描，但其缺点是各测点不同步，以及大变形时不可测。


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；加速度传感器，对于低频静态位移鉴别效果差，为获得位移必须对它进行两次积分，其缺点是精度不高及无法实时监测；激光法测试虽精度较高，但在桥梁晃动大时，则无法捕捉光点，导致无法测量。


GPS测试法


为对桥梁进行安全监测，必须寻找更好的测试方法。目前出现了利用GPS进行测试的新手段，在桥梁高层结构上进行实地测试，这种方法在已国外实测获得了成功。在国外，GPS测试法也仅限于位移监测。由于GPS是接收卫星运行定位的，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，且各监测站之间不需要通视，是相互独立的观测值；GPS定位受外界大气影响小，可以在暴风雨中进行监测；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，且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；GPS定位速度快、精度高。

桥梁安全监测的理论研究


传统检测手段可以对桥梁的外观及某些结构特性进行监测，检测结果一般也能部分地反映结构当前状态，但却难以全面反映桥梁的健康状况，尤其是很难对桥梁的安全储备以及退化的途径作出系统的评估。此外，常规的检测技术也较难发现隐秘构件的损伤。目前被普遍认同的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的实验模态分析法。


系统识别技术


系统参数识别目前普遍采用频域法和时域法两种方法。频域法可以采用多次平均来消除随机误差对频响函数的影响，因此该方法的精度能够有一定的保证，但其也有一定的缺点：基于振型不偶联，致使如大跨悬索桥这样的结构，应用该法会受到限制；需要经过FFT分析，由此却带来了偏度误差对参数识别的影响。时域法是于70年代后期出现的，它的出现弥补了频域法的不足，从而消除了FFT分析所带来的误差。它还可以从未知随机激励的响应信号中得到随机减量特征，因此成为了能依据在线信号对系统进行识别的唯一方法。但其也存在一些缺陷：时域法在参数识别时不是截取有效频段，而使信号中包含的模态数目比较多，但由于实验测试环节及其他原因，使得其中的一些模态的信息并未被充分收集，以致只能将这些残缺的信息看作噪声。


结构损伤的检测与定位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，这一过程就是有限元模型修正。精确的有限元建模是大型桥梁风震响应预测的重要前提；也是结构安全监测、损伤检测以及实现最优振动控制的基础。但是，尽管有限元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。


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。模型修正法在桥梁监测中主要用于记录实验结构的振动反应，并与原先的模型计算结果进行综合比较，利用直接或间接测知的模态参数，记录加速度时程，频响函数等，通过条件优化约束，不断地修正模型中的刚度和质量信息，从而得到结构变化的信息，实现结构的损伤判别与定位。指纹分析方法则是指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。


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，对桥缺损状态的评价缺乏统一有效的指标。

综上所述，大跨桥梁由于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；GPS测试法同其他几种位移监测仪器相比具有明显的优点，可用其对大跨度桥梁做连续实时监测，但还应进一步提高其监测精度，以扩展其应用范围；在系统识别方面，应积极进行结合时频的系统识别研究；在模型修正方面，应在基于敏感性分析的基础上，研究适合于大跨桥梁的模型修正方法；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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