大跨橋梁安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法簡(jiǎn)析

1、大跨橋梁安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法簡(jiǎn)析    一、橋粱安全監(jiān)測(cè)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?，許多大跨度橋梁應(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，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越來(lái)越小，（1/401/300）；安全系數(shù)也隨之下降，由以前的45下降為23。另外，由于其柔性大，頻率低，對(duì)風(fēng)的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測(cè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。1994年10月韓國(guó)漢城發(fā)生了橫跨漢江的圣水大橋中央斷場(chǎng)50m，其中15m掉入

2、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(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，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（TacomaNarrows），只使用了三個(gè)月，便在19ms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151520ms時(shí)因振動(dòng)而造成橋體部分損壞，等等。美國(guó)現(xiàn)有的約50萬(wàn)座公路橋中，20萬(wàn)座以上存在不同程度的損傷。1967年2月橫跨美國(guó)俄亥俄河上的銀橋突然倒塌，造成46人死于非命。我國(guó)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(jì)壽命下

3、，被迫全部更換，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。過(guò)去十幾年里，我國(guó)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世界先進(jìn)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(guó)首次建立的懸索橋，近年來(lái)我國(guó)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(guó)計(jì)民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久，必須對(duì)這些大橋進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。目前，橋梁的監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測(cè)研究，橋梁的安全監(jiān)測(cè)正日益成為土木工程學(xué)科中的一個(gè)非?；钴S的研究方向1,2,3。二、橋梁位移監(jiān)測(cè)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(wú)

4、地震，主要受臺(tái)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(yíng)，必須研究橋梁在上述條件下的實(shí)際位移曲線，而目前對(duì)風(fēng)的研究?jī)H局限于理論和模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)橋在風(fēng)作用下的研究還不充分，對(duì)車載的研究也只是在特定時(shí)間和空間下進(jìn)行。主要原因是測(cè)試儀器的不合理，對(duì)大橋不能連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(cè)試方法。上海楊浦大橋就采用的是全站儀自動(dòng)掃描法，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行7s一周的連續(xù)掃描，其缺點(diǎn)是各測(cè)點(diǎn)不同步以及大變形時(shí)不可測(cè)。位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測(cè)點(diǎn)相接觸，其缺點(diǎn)是對(duì)于難以接近點(diǎn)無(wú)法測(cè)量以及對(duì)橫向位移測(cè)量有困難。加速度傳感器，對(duì)于低頻靜態(tài)位移

5、鑒別效果差，為獲得位移必須對(duì)它進(jìn)行兩次積分，精度不高，也無(wú)法實(shí)時(shí)。而大型懸索橋的頻率一般都較低。激光法測(cè)試精度較高，但在橋梁晃動(dòng)大時(shí)由于無(wú)法捕捉光點(diǎn)也無(wú)法測(cè)量。除上述不足外，對(duì)橋梁的扭角測(cè)試也力不從心，為對(duì)橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，必須尋找更好的測(cè)試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進(jìn)行測(cè)試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行實(shí)地測(cè)試4-6，過(guò)靜君與1996年對(duì)深圳帝王大廈，1998年對(duì)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(cè)試，目前已正常工作。國(guó)外的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了成功，但在國(guó)內(nèi)利用GPS對(duì)橋梁的測(cè)試還無(wú)

6、先例，在國(guó)外也僅限于位移監(jiān)測(cè)，利用GPS進(jìn)行動(dòng)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(cè)的原理和特點(diǎn)。GPS位移監(jiān)測(cè)原理：大橋位移監(jiān)測(cè)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(shí)相位差分即RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實(shí)時(shí)測(cè)定大橋位移。 GPS RTK差分系統(tǒng)是由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測(cè)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(guò)光纖實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)接收機(jī)的GPS差分信號(hào)結(jié)果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位

7、移、轉(zhuǎn)角計(jì)算，提供大橋管理部門進(jìn)行安全分析。 GPS監(jiān)測(cè)大橋位移特點(diǎn)：（1）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(lái)的GPS差分信號(hào)，即可進(jìn)行GPSRTK差分定位。各監(jiān)測(cè)站之間勿需通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)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(cè)。 （3）GPS測(cè)定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測(cè)三維坐標(biāo)可自動(dòng)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。GPSRTK最快可達(dá)1020Hi速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10mm，高程為20mm。 當(dāng)然，GPS進(jìn)行橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也存在著不足，目前僅能對(duì)變形相對(duì)較大的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對(duì)其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。 三、橋架空全監(jiān)測(cè)的理論研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)檢測(cè)手段可以對(duì)橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)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