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大跨橋梁安全監測的技術(shù)方法簡(jiǎn)析

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:15 [收藏]


      一、橋粱安全監測的意義
      隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運輸的需求,許多大跨度橋梁應運而生,尤其是懸索橋以其跨度大,造型優(yōu)美,節省材料而備受人們的青睞,成為大跨度橋梁的首選。但隨著(zhù)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。由于缺乏必要的監測和相應的養護,世界各地出現了大量橋梁損壞事故,給國民經(jīng)濟和生命財產(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。據稱(chēng)造成橋梁在行車(chē)高峰期突然斷裂的原因是長(cháng)期超負荷運營(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。
      美國現有的約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,由于拉索的防護不合理而引起的斜拉索的嚴重銹蝕,如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠未達到他們的設計壽命下,被迫全部更換,造成很大的經(jīng)濟損失和不良的社會(huì )影響。
      
      過(guò)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)大橋又是我國首次建立的懸索橋,近年來(lái)我國特別是沿海地區交通發(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)行連續的監測。
      目前,橋梁的監測越來(lái)越受到重視,許多研究人員都在致力于橋梁的監測研究,橋梁的安全監測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、橋梁位移監測儀器的現狀
      大跨度橋梁受風(fēng)荷載,車(chē)載,溫度和地震影響較大,而在沿海地區一般無(wú)地震,主要受臺風(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),而目前對風(fēng)的研究?jì)H局限于理論和模型實(shí)驗,對實(shí)橋在風(fēng)作用下的研究還不充分,對車(chē)載的研究也只是在特定時(shí)間和空間下進(jìn)行。主要原因是測試儀器的不合理,對大橋不能連續實(shí)時(shí)監測。目前用于結構監測的儀器主要有: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(dòng)掃描法,對各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行7s一周的連續掃描,其缺點(diǎn)是各測點(diǎn)不同步以及大變形時(shí)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(wú)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(wú)法實(shí)時(shí)。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(dòng)大時(shí)由于無(wú)法捕捉光點(diǎn)也無(wú)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)行安全監測,必須尋找更好的測試方法。目前出現了利用GPS進(jìn)行測試的新手段,在橋梁高層結構上進(jìn)行實(shí)地測試[4~6],過(guò)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)驗研究,特別是1999年在廣州虎門(mén)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對結構進(jìn)行監測,獲得了成功,但在國內利用GPS對橋梁的測試還無(wú)先例,在國外也僅限于位移監測,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監測的原理和特點(diǎn)。
      
      GPS位移監測原理:大橋位移監測系統是采用衛星定位系統。它是利用接收導航衛星載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即RTK技術(shù)(Real Time Kinematic),實(shí)時(shí)測定大橋位移。原理見(jiàn)圖1。
      GPS RTK差分系統是由GPS基準站、GPS監測站和通信系統組成?;鶞收緦⒔邮盏降男l星差分信息經(jīng)過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳遞到監測站。監測站接收衛星信號及GPS基準站信息,進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測得站點(diǎn)的三維空間坐標。此結果將送到GPS監控中心。監控中心對接收機的GPS差分信號結果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉角計算,提供大橋管理部門(mén)進(jìn)行安全分析。
      
      GPS監測大橋位移特點(diǎn):
     ?。?)由于GPS是接收衛星運行定位,所以大橋上各點(diǎn)只要能接收到6顆以上GPS衛星及基準站傳來(lái)的GPS差分信號,即可進(jìn)行GPSRTK差分定位。各監測站之間勿需通視,是相互獨立的觀(guān)測值。
     ?。?)GPS定位受外界大氣影響小,可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監測。
     ?。?)GPS測定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號,捕捉衛星,到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測三維坐標可自動(dòng)存入監控中心服務(wù)器進(jìn)行大橋安全性分析。
     ?。?)GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可達10~20Hi速率輸出定位結果,定位精度平面為10mm,高程為20mm。
      當然,GPS進(jìn)行橋梁的實(shí)時(shí)監測也存在著(zhù)不足,目前僅能對變形相對較大的位移進(jìn)行監測,對于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度,但不排除GPS對其他大型結構的應用前景。
      
      三、橋架空全監測的理論研究現狀
      傳統檢測手段可以對橋梁的外觀(guān)及某些結構特性進(jìn)行監測。檢測的結果一般也能部分地反映結構當前狀態(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的評估。此外常規的檢測技術(shù)也難以發(fā)現隱秘構件的損傷。目前得到普遍認同的一種最有前途的方法就是結合系統識別,振動(dòng)理論,振動(dòng)測試技術(shù),信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗模態(tài)分析法。
      
      在系統參數識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和由此得到的響應,經(jīng)過(guò)FFT分析得到頻響函數,然后采用諸如多項式擬和的方法得到模態(tài)參數,由于可以采用多次平均來(lái)消除隨機誤差對頻響函數的影響,采用頻域識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,只能識別具有經(jīng)典阻尼的結構的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結構,具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應用受到限制。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參數識別的影響。近來(lái)的環(huán)境脈動(dòng)法可以無(wú)須知道激勵而得到振型參數,又擴展了該法的應用范圍[7,8]。70年代后期出現的時(shí)域識別方法,彌補了頻域法的不足,可以用隨機或自由響應數據來(lái)識別模態(tài)參數。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激勵的響應信號中得到隨機減量特征,因此該方法成為能依據在線(xiàn)信號對系統進(jìn)行識別的唯一方法。但也存在著(zhù)一些缺陷:由于在參數識別時(shí)運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)數目比較多,但由于實(shí)驗測試環(huán)節及其他原因,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階識別和最小二乘法。當前利用ITD法對橋梁進(jìn)行在線(xiàn)監測取得一定成果[9,10]綜上所述,時(shí)域法和頻域法均有自己的缺陷,應尋找一種綜合時(shí)頻的方法以提高識別精度,近來(lái)出現的小波變換可以綜合時(shí)頻,可探討其在橋梁參數識別方面的應用。在結構損傷檢測定位方面,目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類(lèi)。
      
      1、精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應預測的重要前提;也是結構安全監測,損傷檢測以及實(shí)現最優(yōu)振動(dòng)控制的基礎。但是,盡管有限無(wú)法得到了高度的發(fā)展,實(shí)際復雜結構的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結構飛行提供完整的理論模態(tài)參數集,但這些參數常常與結構模態(tài)實(shí)驗得到的參數不一致。因此,必須對結構理論模型進(jìn)行調整或修正,使得修正后的模態(tài)參數與實(shí)驗相一致,這一過(guò)程即有限元模型修正。
      
      模型修正法在橋梁監測中主要用于把實(shí)驗結構的振動(dòng)反應記錄與原先的模型計算結果進(jìn)行綜合比較,利用直接或間接測知的模態(tài)參數,加速度時(shí)程記錄,頻響函數等,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,從而得到結構變化的信息,實(shí)現結構的損傷判別與定位。其主要方法有:
     ?。?)矩陣型法,是發(fā)展最早,最成熟,修正計算模型的整個(gè)矩陣的一類(lèi)方法,它具有精度高、執行容易的特點(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),這方面的代表應屬Berman/Baruch的最優(yōu)法。
     ?。?)子矩陣修正法,通過(guò)對待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數,通過(guò)對宇矩陣修正系數的調整來(lái)修正結構剛度,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稱(chēng),稀疏性。
     ?。?)靈敏度法修正結構參數通過(guò)修正結構的設計參數彈性模量E截面面積A等來(lái)對有限元模型進(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)量的變化相互獨立。因此,這類(lèi)方法不適用于結構剛度矩陣和質(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 )弓愧結構剛度的變化,屬于典型的非線(xiàn)性問(wèn)題。只有第三種方法利用觀(guān)測量對結構參數的敏感性來(lái)修正結構參數?;诿舾行苑治龅膮敌拚梢詮拿舾蟹治龅闹虚g結果看出各參數對結構振動(dòng)的影響程度;并且,可直接解釋結構物理量的修改,無(wú)須通過(guò)利用總綱陣的比較來(lái)反映修改情況。然而但待修正參數較多時(shí),該方法常會(huì )得出違背物理意義的參數修正。
      
      2、指紋分析方法,尋找與結構動(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)判斷結構的真實(shí)狀況。
      在線(xiàn)監測中,頻率是最易獲得的模態(tài)參數,而且精度很高,因此通過(guò)監測頻率的變化來(lái)識別結構破損是否發(fā)生是最為簡(jiǎn)單的。此外,振型也可用于結構破損的發(fā)現,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。利用振型判斷結構的破損是否發(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)際結構實(shí)驗表明結構損傷導致的固有頻率變化很小,而振型形式變化明顯[11,12],一般損傷使結構自振頻率的變化都在5%以?xún)萚11,12],而Askegaard等在對橋梁的長(cháng)期觀(guān)測后發(fā)現,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10%[63],因此一般認為自振頻率不能直接用來(lái)作為橋梁監測的指紋,而振型雖然對局部剛度比較敏感,但精確測量比較困難,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。對橋缺損狀態(tài)的評價(jià)缺乏統一有效的指標,有人以模糊理論,結構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(zhuān)家系統,但必須首先建立各種規范和專(zhuān)家數據庫。
      
      四、結論與展望
     ?。?)由于大跨橋梁受環(huán)境因素影響較大,安全系數低,必須對其進(jìn)行連續實(shí)時(shí)監測。
     ?。?)由于GPS定位精度高,速度快,同其他幾種位移監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實(shí)時(shí)監測,同時(shí)應進(jìn)一步提高其精度,從而擴展其應用范圍。目前GPS已在虎門(mén)大橋安裝成功,實(shí)現了對大橋連續實(shí)時(shí)監測。
     ?。?)在系統識別方面,比較了時(shí)域和頻域法的優(yōu)劣,今后應進(jìn)行結合時(shí)頻的系統識別研究。
     ?。?)在模型修正方面,應在基于敏感性分析的基礎上,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(jià)缺乏統一有效的指標,應結合實(shí)驗測試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標。

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