一、橋粱安全監(jiān)測的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運(yùn)輸?shù)男枨螅S多大跨度橋梁應(yīng)運(yùn)而生,尤其是懸索橋以其跨度大,造型優(yōu)美,節(jié)省材料而備受人們的青睞,成為大跨度橋梁的。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);安全系數(shù)也隨之下降,由以前的4~5下降為2~3.另外,由于其柔性大,頻率低,對風(fēng)的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù),世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故,給國民經(jīng)濟(jì)和生命財產(chǎn)造成了巨大損失。
1994 年10月韓國漢城發(fā)生了橫跨漢江的圣水大橋*斷場50m,其中15m掉入江中,造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長期超負(fù)荷運(yùn)營,鋼梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。
1940年完工的主跨853m的塔可馬大橋(Tacoma Narrows),只使用了三個月,便在19m/s的風(fēng)速下造成了塌橋事故:1951年主跨 1280m的金門大橋于風(fēng)速 15~1520m/s時因振動而造成橋體部分損壞,等等。
美國現(xiàn)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(hù)不合理而引起的斜拉索的嚴(yán)重銹蝕,如濟(jì)南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠(yuǎn)未達(dá)到他們的設(shè)計壽命下,被迫全部更換,造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。
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、楊浦和徐浦大橋等具有*水平的橋梁,另外,香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國建立的懸索橋,近年來我國特別是沿海地區(qū)交通發(fā)展迅速,迫切需要建立一大批大跨度橋梁。為了確保這些耗資巨大,與國計民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久,必須對這些大橋進(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?;钴S的研究方向
二、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,主要受臺風(fēng),車載和溫度的影響,為保證其在上述條件下的安全運(yùn)營,必須研究橋梁在上述條件下的實(shí)際位移曲線,而目前對風(fēng)的研究僅局限于理論和模型實(shí)驗(yàn),對實(shí)橋在風(fēng)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(jìn)行。主要原因是測試儀器的不合理,對大橋不能連續(xù)實(shí)時監(jiān)測。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的儀器主要有:經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法。
上海楊浦大橋就采用的是全站儀自動掃描法,對各個測點(diǎn)進(jìn)行7s一周的連續(xù)掃描,其缺點(diǎn)是各測點(diǎn)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(diǎn)相接觸,其缺點(diǎn)是對于難以接近點(diǎn)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,精度不高,也無法實(shí)時。而大型懸索橋的頻率一般都較低。
激光法測試精度較高,但在橋梁晃動大時由于無法捕捉光點(diǎn)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(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(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,特別是1999年在廣州虎門大橋進(jìn)行了實(shí)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(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測,獲得了成功,但在國內(nèi)利用GPS對橋梁的測試還無先例,在國外也于位移監(jiān)測,利用GPS進(jìn)行動力分析和研究橋梁在風(fēng)和車輛作用下的力學(xué)行為還不充分。下面介紹利用GPS監(jiān)測的原理和特點(diǎn)。
位移監(jiān)測原理:大橋位移監(jiān)測系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實(shí)時相位差分即 RTK技術(shù)(Real Time Kinematic),實(shí)時測定大橋位移。原理見圖
差分系統(tǒng)是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成?;鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實(shí)時傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準(zhǔn)站信息,進(jìn)行實(shí)時差分后可實(shí)時測得站點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對接收機(jī)的GPS差分信號結(jié)果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角計算,提供大橋管理部門進(jìn)行安全分析。
監(jiān)測大橋位移特點(diǎn):
(l)由于GPS是接收衛(wèi)星運(yùn)行定位,所以大橋上各點(diǎn)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。各監(jiān)測站之間勿需通視,是相互獨(dú)立的觀測值。
(2)GPS定位受外界大氣影響小,可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測。
(3)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。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。
(4)GPS定位速度快、精度高。GPS RTKzui快可達(dá)10~20Hi速率輸出定位結(jié)果,定位精度平面為10mm,高程為
當(dāng)然,GPS進(jìn)行橋梁的實(shí)時監(jiān)測也存在著不足,目前僅能對變形相對較大的位移進(jìn)行監(jiān)測,對于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度,但不排除GPS對其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。
三、橋架空全監(jiān)測的理論研究現(xiàn)狀
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。檢測的結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài),但是卻難以全面反映橋梁的健康狀況,尤其是難以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)也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前得到普遍認(rèn)同的一種zui有前途的方法就是結(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(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。
在系統(tǒng)參數(shù)識別方面目前普遍采用兩種方法:頻域法和時域法。頻域法利用所施加的激勵和由此得到的響應(yīng),經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù),然后采用諸如多項(xiàng)式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù),由于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,采用頻域識別方法的精度有一定的保證,不過該法存在以下缺點(diǎn):①基于振型不偶聯(lián),因此,只能識別具有經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu),具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用受到限制。②需要經(jīng)過FFT分析,由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對參數(shù)識別的影響。近來的環(huán)境脈動法可以無須知道激勵而得到振型參數(shù),又?jǐn)U展了該法的應(yīng)用范圍[7,8].70年代后期出現(xiàn)的時域識別方法,彌補(bǔ)了頻域法的不足,可以用隨機(jī)或自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來識別模態(tài)參數(shù)。它們不必進(jìn)行FFT分析,從而消除了FFT分析所帶來的誤差。尤其是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,因此該方法成為能依據(jù)在線信號對系統(tǒng)進(jìn)行識別的*方法。但也存在著一些缺陷:由于在參數(shù)識別時運(yùn)用了所測信號的全部信息,而不是截取有效的頻段,于是信號中包含的模態(tài)數(shù)目比較多,但由于實(shí)驗(yàn)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,目前排除噪聲的方法主要有擴(kuò)階識別和zui小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測取得一定成果[9,10]綜上所述,時域法和頻域法均有自己的缺陷,應(yīng)尋找一種綜合時頻的方法以提高識別精度,近來出現(xiàn)的小波變換可以綜合時頻,可探討其在橋梁參數(shù)識別方面的應(yīng)用。在結(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。
的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(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(shí)現(xiàn)*振動控制的基礎(chǔ)。但是,盡管有限無法得到了高度的發(fā)展,實(shí)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(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)不一致。因此,必須對結(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(shí)驗(yàn)相一致,這一過程即有限元模型修正。
模型修正法在橋梁監(jiān)測中主要用于把實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)記錄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),加速度時程記錄,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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。其主要方法有:
(1)矩陣型法,是發(fā)展zui早,zui成熟,修正計算模型的整個矩陣的一類方法,它具有精度高、執(zhí)行容易的特點(diǎn),主要缺點(diǎn)是所修正的模型的物理意義不明確,喪失了原有限元模型的帶狀特點(diǎn),這方面的代表應(yīng)屬Berman/Baruch的*法。
(2)子矩陣修正法,通過對待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數(shù),通過對宇矩陣修正系數(shù)的調(diào)整來修正結(jié)構(gòu)剛度,該方法的zui大優(yōu)點(diǎn)是修正后的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對稱,稀疏性。
(3)靈敏度法修正結(jié)構(gòu)參數(shù)通過修正結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進(jìn)行修正。
上述的前兩種方法通過求解一個矩陣方程或帶約束的zui小化問題來修正剛度和質(zhì)量矩陣,并假定剛度與質(zhì)量的變化相互獨(dú)立。因此,這類方法不適用于結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣變化相關(guān)的有限元模型修正。而大跨度橋梁的質(zhì)量變化通常會弓愧結(jié)構(gòu)剛度的變化,屬于典型的非線性問題。只有第三種方法利用觀測量對結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性來修正結(jié)構(gòu)參數(shù)?;诿舾行苑治龅膮?shù)修正可以從敏感分析的中間結(jié)果看出各參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動的影響程度;并且,可直接解釋結(jié)構(gòu)物理量的修改,無須通過利用總綱陣的比較來反映修改情況。然而但待修正參數(shù)較多時,該方法常會得出違背物理意義的參數(shù)修正。
指紋分析方法,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(shí)狀況。
在線監(jiān)測中,頻率是zui易獲得的模態(tài)參數(shù),而且精度很高,因此通過監(jiān)測頻率的變化來識別結(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是zui為簡單的。此外,振型也可用于結(jié)構(gòu)破損的發(fā)現(xiàn),盡管振型的測試精度低于頻率,但振型包含更多的破損信息。利用振型判斷結(jié)構(gòu)的破損是否發(fā)生的途徑很多;MAC,COMAC,CMS,DI和柔度矩陣法。
但大量的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)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[11,12],一般損傷使結(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5%以內(nèi)[11,12],而Askegaard等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%[63],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,但測量比較困難,MAC,COMAC,CMS等依賴于振型的動力指紋都遇到同樣的問題。對橋缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo),有人以模糊理論,結(jié)構(gòu)可靠度理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評估專家系統(tǒng),但必須首先建立各種規(guī)范和專家數(shù)據(jù)庫。
四、結(jié)論與展望
(l)由于大跨橋梁受環(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(shí)時監(jiān)測。
(2)由于GPS定位精度高,速度快,同其他幾種位移監(jiān)測儀器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn),可用它對大跨度橋梁做連續(xù)實(shí)時監(jiān)測,同時應(yīng)進(jìn)一步提高其精度,從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。目前GPS已在虎門大橋安裝成功,實(shí)現(xiàn)了對大橋連續(xù)實(shí)時監(jiān)測。
(3)在系統(tǒng)識別方面,比較了時域和頻域法的優(yōu)劣,今后應(yīng)進(jìn)行結(jié)合時頻的系統(tǒng)識別研究。
(4)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。
(5)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(shí)驗(yàn)測試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。
相關(guān)關(guān)鍵字:基樁橋梁檢測、橋梁檢測、大橋檢測、大跨橋梁、
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