［摘要］首先介紹了現(xiàn)代大跨橋梁的安全監(jiān)測(cè)的意義，通過(guò)比較目前幾種測(cè)試位移儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，提出用GPS進(jìn)行大橋位移監(jiān)測(cè)的新方法，并闡述了其原理和特點(diǎn)；指出目前用干系統(tǒng)識(shí)別的時(shí)域和頻域法的各自不足，探討結(jié)合時(shí)頗的參數(shù)識(shí)別的新方法，最后提到目前用于大跨橋梁損傷檢測(cè)方法的困難。
關(guān)鍵詞 大跨橋梁 GPS 系統(tǒng)識(shí)別 損傷檢測(cè)
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，（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(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掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據(jù)稱(chēng)造成橋梁在行車(chē)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（Tacoma Narrows），只使用了三個(gè)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(mén)大橋于風(fēng)速 15～1520m／s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，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(mén)的虎門(mén)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)非常活躍的研究方向[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(chē)載，溫度和地震影響較大，而在沿海地區(qū)一般無(wú)地震，主要受臺(tái)風(fēng)，車(chē)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(xiàn)，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(chē)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(mén)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)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(chē)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。原理見(jiàn)圖1。
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。基準(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、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角計(jì)算，提供大橋管理部門(mén)進(jìn)行安全分析。
GPS監(jiān)測(cè)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(lái)的GPS差分信號(hào)，即可進(jìn)行GPS
RTK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。GPS RTK最快可達(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梁的健康狀況，尤其是難以對(duì)橋梁的安全儲(chǔ)備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評(píng)估。此外常規(guī)的檢測(cè)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)同的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別，振動(dòng)理論，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)，信號(hào)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(shí)別方面目前普遍采用兩種方法：頻域法和時(shí)域法。頻域法利用所施加的激勵(lì)和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過(guò)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(lái)消除隨機(jī)誤差對(duì)頻響函數(shù)的影響，采用頻域識(shí)別方法的精度有一定的保證，不過(guò)該法存在以下缺點(diǎn)：①基于振型不偶聯(lián)，因此，只能識(shí)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(guò)FFT分析，由此帶來(lái)了諸如泄漏等偏度誤差對(duì)參數(shù)識(shí)別的影響。近來(lái)的環(huán)境脈動(dòng)法可以無(wú)須知道激勵(lì)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(shí)域識(shí)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(lái)識(shí)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(lái)的誤差。尤其是它還可以從未知隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)中得到隨機(jī)減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線(xiàn)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的唯一方法。但也存在著一些缺陷：由于在參數(shù)識(shí)別時(shí)運(yùn)用了所測(cè)信號(hào)的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號(hào)中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)別和最小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對(duì)橋梁進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)取得一定成果[9,10]綜上所述，時(shí)域法和頻域法均有自己的缺陷，應(yīng)尋找一種綜合時(shí)頻的方法以提高識(shí)別精度，近來(lái)出現(xiàn)的小波變換可以綜合時(shí)頻，可探討其在橋梁參數(shù)識(shí)別方面的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類(lèi)。
1．精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)預(yù)測(cè)的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè),損傷檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限無(wú)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(duì)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(guò)程即有限元模型修正。
模型修正法在橋梁監(jiān)測(cè)中主要用于把實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)記錄與原先的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測(cè)知的模態(tài)參數(shù)，加速度時(shí)程記錄，頻響函數(shù)等，通過(guò)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)展最早，最成熟，修正計(jì)算模型的整個(gè)矩陣的一類(lèi)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的最優(yōu)法。
（2）子矩陣修正法，通過(guò)對(duì)待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數(shù)，通過(guò)對(duì)宇矩陣修正系數(shù)的調(diào)整來(lái)修正結(jié)構(gòu)剛度，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是修正后的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對(duì)稱(chēng)，稀疏性。
（3）靈敏度法修正結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)修正結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)彈性模量E截面面積A等來(lái)對(duì)有限元模型進(jìn)行修正。
上述的前兩種方法通過(guò)求解一個(gè)矩陣方程或帶約束的最小化問(wèn)題來(lái)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(lèi)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(huì)弓愧結(jié)構(gòu)剛度的變化，屬于典型的非線(xiàn)性問(wèn)題。只有第三種方法利用觀測(cè)量對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性來(lái)修正結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于敏感性分析的參數(shù)修正可以從敏感分析的中間結(jié)果看出各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響程度；并且，可直接解釋結(jié)構(gòu)物理量的修改，無(wú)須通過(guò)利用總綱陣的比較來(lái)反映修改情況。然而但待修正參數(shù)較多時(shí)，該方法常會(huì)得出違背物理意義的參數(shù)修正。
2．指紋分析方法，尋找與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)的動(dòng)力指紋，通過(guò)這些指紋的變化來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。
在線(xiàn)監(jiān)測(cè)中，頻率是最易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且精度很高，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)頻率的變化來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是最為簡(jiǎn)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(cè)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?xún)?nèi)[11,12]，而Askegaard等在對(duì)橋梁的長(zhǎng)期觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，在一年期間里橋梁即使沒(méi)有任何明顯的變化，其振動(dòng)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(lái)作為橋梁監(jiān)測(cè)的指紋，而振型雖然對(duì)局部剛度比較敏感，但精確測(cè)量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴(lài)于振型的動(dòng)力指紋都遇到同樣的問(wèn)題。對(duì)橋缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)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(píng)估專(zhuān)家系統(tǒng)，但必須首先建立各種規(guī)范和專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)。
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(duì)其進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
（2）由于GPS定位精度高，速度快，同其他幾種位移監(jiān)測(cè)儀器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可用它對(duì)大跨度橋梁做連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)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(mén)大橋安裝成功，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大橋連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
（3）在系統(tǒng)識(shí)別方面，比較了時(shí)域和頻域法的優(yōu)劣，今后應(yīng)進(jìn)行結(jié)合時(shí)頻的系統(tǒng)識(shí)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(duì)橋梁缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[l] Sreenivas Alampalli and G. Fu Remote Bridge Monitoring
System for Bridge condition, Report 70, Engineering
research and Development Bureau, New York State Department
of Transportation, Albany, New York, August 1994
[2] Guo, Jingjun; Ge, Shengjie, Research of Displacement
and frequency of tall building under wind load using
GPS., Proc.Of ION GPS Proceedings of the 1997 10th
International Technical meeting of the Satellite Division
of the Institue of Navigation, ION GPS-97. Part 2
1997. 9, 1385 ~ 1388
[3] Dodson, A. H. Moore, t., Roberts, G. W, monitoring
the movements of bridges by GPS, Proc. Of ION GPS
v2 Sep16-19 1997 1997 1st Of Navigation 1165-1172
[4] Brown, C. Jkaruna, R; Ashkenazi, V:Roberts, G.
W; Evans, R.A, Monitoring of structures using the
GPS, Proc of the lsntitution civil Engineers, Structural
and Buildings 1999, 134.(1), 97-105.
[5] 朱宏平，段雪平。環(huán)境隨即激勵(lì)下斜拉橋的模態(tài)分析。實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1999.12（40）
[6] 朱宏平，張之恿。懸索橋的動(dòng)力模型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999.27(3)
[7] J. C. Asmussen,S.R.Ibrahim Random Decrement: Identification
of structures Subjected to Ambient Excitation, the
15th IMAC 1998,915-921
