一（yī）、橋粱安全監測的意義
    隨（suí）著科學技術的進步以及（jí）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（dù）大，造型優美，節（jiē）省材料而備受人們的（de）青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨（kuà）度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比（bǐ）越來越（yuè）小，（l/40～l/300）；安全係數也隨之下降（jiàng），由（yóu）以前（qián）的4～5下降為2～3。另外，由於其柔性大（dà），頻率低，對風（fēng）的作（zuò）用很敏感。由於缺乏必要的監測和相應的養（yǎng）護，世（shì）界各地出現了大量橋梁（liáng）損壞事故，給國（guó）民經濟和生命財（cái）產造（zào）成了巨大損失。
    1994年10月韓國漢城發生了橫跨漢（hàn）江的聖水大橋中央斷場50m，其中15m掉入（rù）江中，造成死（sǐ）亡32人、重傷17人的重大事故。據稱（chēng）造成橋梁在行車高（gāo）峰期（qī）突然斷裂的原因是長期超負荷運營，鋼梁螺栓及杆（gǎn）件疲勞破壞所致。
    1940年完工的主跨（kuà）853m的塔可馬（mǎ）大橋（TacomaNarrows），隻使用了三個月，便在19m／s的風速下造成了塌（tā）橋事故 ：1951年主跨 1280m的金門大橋於風速 15～1520m／s時因振動而造成橋體部分損壞，等等。
    美國現（xiàn）有（yǒu）的約50萬（wàn）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（shàng）的銀橋突然倒塌，造成（chéng）46人死於非命。
    我國早（zǎo）期建造的斜拉橋，由於拉索的防護不合理（lǐ）而（ér）引起的斜拉索的嚴重鏽蝕，如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索（suǒ）在遠未達到（dào）他們的設計壽（shòu）命下，被迫全部更換，造成很大的經濟損失（shī）和不（bú）良的社會影響。
    過去十幾年裏，我國已建成一（yī）批大跨度橋梁，僅上（shàng）海就有南浦、楊浦（pǔ）和徐（xú）浦大橋等具有世界先（xiān）進水平的橋（qiáo）梁，另外（wài），香港的青馬（mǎ）大橋和虎門的虎門大橋又是我國首次建立的懸索橋，近年來我國特別（bié）是（shì）沿海地區交（jiāo）通發展迅速，迫切需要建立一大批大跨度橋梁。為了確保這些耗資巨（jù）大，與國計民生密（mì）切相關的大橋的安全耐久，必須對這（zhè）些大橋進行（háng）連續的監測（cè）。
    目前，橋梁的監測越（yuè）來越受到重視，許多研究人員都在致力於橋梁的監測研究，橋梁的安全監（jiān）測（cè）正（zhèng）日益成為土木工程學科（kē）中的一（yī）個非（fēi）常活躍的研究方向[1,2,3]。
    二、橋梁位移監（jiān）測儀器的現狀
    大跨度橋梁受風荷載，車載，溫度和地震影（yǐng）響較大，而在沿海地區一般無地震，主要（yào）受台風，車載和溫度的影響，為保證其（qí）在上述條件下的安全運營，必須研究橋梁在上述條件下的實際（jì）位移曲線（xiàn），而目前對風的研究僅局限（xiàn）於理論和模型實驗，對實橋在風作用下的研（yán）究（jiū）還不充分，對車（chē）載的研究也隻是在特定時間和空間下進行（háng）。主要原因是測試儀器的不合理，對大橋不能連續實時監測。目前用（yòng）於結構監測的儀器主要有：經緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激（jī）光測試方法。 
    上海楊（yáng）浦大（dà）橋就采用的是全站儀自（zì）動掃描法，對各個測點進行7s一周（zhōu）的連續掃描，其缺點是各測點不同步以及大變（biàn）形時不可測。
    位移（yí）傳感器是（shì）一種接（jiē）觸型傳感器，必須與測點相接觸（chù），其缺點是對於難以接近點無法（fǎ）測量以及對橫向位移測量有（yǒu）困難。
    加速度傳感器，對於低頻靜態（tài）位移鑒別效果差，為獲（huò）得位移必須對它進行（háng）兩次積分，精度不高（gāo），也無（wú）法實時。而（ér）大型懸索橋的（de）頻率一般都較低。
    激光法測（cè）試精度較高，但在橋梁晃動大時由於無法（fǎ）捕捉光點也無法測量。
    除上述不（bú）足外，對橋梁的扭角測試也力不從心，為對橋梁進行（háng）安全監測，必（bì）須尋找更好的測試方法（fǎ）。目前出現了利用GPS進行測（cè）試的新手段，在橋梁高層結構上進（jìn）行實地測試[4~6]，過靜（jìng）君與（yǔ）1996年對深圳帝王大廈，1998年（nián）對香港的青馬大橋進行了實驗研究，特別是1999年在（zài）廣州虎門大（dà）橋進行了實橋（qiáo）測（cè）試，目前已正常工作。國外（wài）的dodson，A.H，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對結構進行監測，獲得了成功，但在國內利用GPS對橋梁的測試還無先例，在國外也僅限於位移（yí）監（jiān）測（cè），利用（yòng）GPS進行動力（lì）分析和研究橋梁在風和車輛作用下的力學行為還不充分。下麵介紹利用GPS監測的原理（lǐ）和特點。
    GPS位移監測原理：大橋位移監測係統（tǒng）是采用衛星定位係統。它是利用接收導航衛星載波相位進行實時相位差分即（jí）RTK技術（Real Time Kinematic），實時測定（dìng）大（dà）橋位移。原理見圖1。
    GPS RTK差分係統是由GPS基準站、GPS監測站和通信係統組成。基準站將接收到的衛星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站。監測站接收衛星信號及GPS基準站信息，進行實時差（chà）分（fèn）後可實時測得站點的三維空間坐標。此結果將送（sòng）到GPS監控中心。監控中心（xīn）對接（jiē）收（shōu）機的GPS差分信號結果進行橋梁橋麵、橋塔（tǎ）的位移、轉角計算，提供（gòng）大橋管理部門進行安全分析。
    GPS監測大橋位移特點：
    （1）由於（yú）GPS是接（jiē）收衛星運行定位，所以大橋上各點隻要能接收到6顆以上GPS衛星及基準站傳來的GPS差分信號，即可（kě）進行GPSRTK差分定位。各監測站之間勿需通視，是相互獨立的觀測值。
    （2）GPS定位（wèi）受外界大氣影（yǐng）響小（xiǎo），可以在暴風雨（yǔ）中進行監測。
    （3）GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕（bǔ）捉衛星，到完成RTK差分位移都（dōu）可（kě）由儀器自動完成。所測三維坐標可自動存入監控中心服務器進行大（dà）橋（qiáo）安全性分析。
    （4）GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可達10～20Hi速率輸出定位結果，定位精度平麵為10mm，高程為20mm。
    當然，GPS進行橋梁的實時監（jiān）測也存在著不足，目前僅能對變形相對較大（dà）的位移進行監測，對於小位移還需（xū）進一步提高GPS的定位（wèi）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（qiáo）梁的外觀及某些結構特性進行監測。檢測的結果一般也能部分地反映結構當前狀態，但是卻難以全麵反映橋梁的健康狀況，尤其是（shì）難以對橋梁的安全（quán）儲（chǔ）備以及退化的途徑作出係統的評估。此外常規的（de）檢測技術也難以發現隱（yǐn）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（hé）係統識（shí）別（bié），振動理論，振動測試技術，信號采集與分析等跨學科（kē）技術的實驗模態分析法。
    在係統參數識別方麵目前普遍（biàn）采用兩（liǎng）種方法：頻域法和時域法。頻域法利用所施（shī）加（jiā）的激勵和由此得到的響應（yīng），經過FFT分析得到頻響函數，然後采用（yòng）諸如多項式擬和的方法得到模態參數，由於可（kě）以（yǐ）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（bié）方法的精度（dù）有一定的保證，不過該法存在以下缺點：①基於振型（xíng）不偶聯，因此，隻能識別具有經典阻尼的結構的實模態。像大跨（kuà）懸索橋這樣的結構，具（jù）有明顯的（de）非經典阻尼性質。頻域（yù）法應用受到限製。②需要經過FFT分析，由此帶來了諸如泄（xiè）漏等偏度誤差（chà）對參數識別的影響。近來的環境脈動法可以無須（xū）知道激勵而得（dé）到振型參數，又擴展了該法的應用範圍[7,8]。70年代（dài）後期出現（xiàn）的時域識別方法（fǎ），彌補了頻域（yù）法的不足，可以用隨機或自（zì）由響應數（shù）據來識別模態參數。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（shì）它還可以從未知隨機激勵（lì）的響應信（xìn）號中得到（dào）隨機減量特征，因此該方法成為能依（yī）據在（zài）線信號對係統進行識別的唯一方法。但也存在著一些缺陷：由於在參數識別時運用了所測信號的（de）全部信（xìn）息，而不是截取有效的頻段，於是信號中包含的模態數（shù）目比（bǐ）較（jiào）多，但由於實驗測試環節及其他原因，使得其中的一些模態的信息並（bìng）未被充分收集，以致隻能將這些殘缺的信息看作噪聲，目前排除噪聲的方（fāng）法主要有擴階識別和最小二乘法。當前利用ITD法對橋梁進行在線監測取得一定成果[9,10]綜上所（suǒ）述，時域（yù）法和頻域法（fǎ）均有自己的缺陷，應尋找一種綜（zōng）合時頻的方法以提高識別精度，近來出現的小波變換（huàn）可（kě）以綜（zōng）合時頻，可探討其在橋梁參數識（shí）別方麵的應用。在結構損傷檢（jiǎn）測定位方麵，目（mù）前可（kě）分為模型修正法和指紋分析法兩類。
    1、精確的有限元建模是大型橋（qiáo）梁鳳震響應預測（cè）的重要前提；也是（shì）結構安全（quán）監測,損傷檢（jiǎn）測以及實現最優振動控製的基礎。但是，盡管有（yǒu）限無法得到了高度的發展，實際複雜（zá）結構的（de）有（yǒu）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參數集，但這些參數（shù）常常（cháng）與結構模態實驗得到的參數不一致。因此，必須對結構理（lǐ）論模型（xíng）進（jìn）行調整或修正，使（shǐ）得修正後的模態參數與實驗相一致（zhì），這一過程即有（yǒu）限元（yuán）模（mó）型修正。
    模型修正法在橋梁監測中主要用於把實驗結構的振動反應記錄與原先的模型計算結果進行綜合比較，利用直接（jiē）或間接（jiē）測知的模態參（cān）數，加速度時（shí）程記錄，頻響函數等，通過條件優（yōu）化約束，不（bú）斷地修正模型中的剛度和質量信息，從而得到結構變化的信息，實現結構的損傷判別與定位。其主要方法有： 
    （1）矩陣型法，是發展最早，最成熟，修（xiū）正計算模型的整個矩陣的一類方法，它具有精度高、執行容易的特點（diǎn），主要缺點是所修正的模型的物理意義不明確，喪失了原有限元模型（xíng）的帶狀特點，這方麵的代表應屬Berman／Baruch的最（zuì）優法。
    （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係（xì）數，通過對宇矩陣修正（zhèng）係數的調整來（lái）修正（zhèng）結構剛度，該方法的最大優點是修（xiū）正後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（zhèng）結構參數通過修正結構的設計（jì）參數彈性模量E截麵麵積A等來對有（yǒu）限元模型進（jìn）行修（xiū）正（zhèng）。
    上述的前兩種方（fāng）法通過求解一個矩陣方程或帶約束的最（zuì）小化問題來修正剛度和質量矩（jǔ）陣，並假定剛度與質量（liàng）的變化相互獨立。因此（cǐ），這類（lèi）方法不適用（yòng）於（yú）結構剛度矩陣和質量矩陣變化相（xiàng）關的有限（xiàn）元模型修正（zhèng）。而大跨度（dù）橋梁的質量變化通常會弓愧結構（gòu）剛度的變化（huà），屬於典型的非線性問（wèn）題。隻有第三種方法利用觀測量對結構（gòu）參數的敏感性來修正（zhèng）結構參數。基於敏感性分析的參（cān）數（shù）修正可以從敏感分析的中間結果看出各參數對結構振動的（de）影（yǐng）響程度；並且，可（kě）直接解釋結構物理量的修改，無須（xū）通過利用總綱陣（zhèn）的（de）比較來反映（yìng）修改（gǎi）情況。然而但（dàn）待修正參數較多時，該方法常會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（gòu）動力（lì）特性有關的（de）動（dòng）力指紋，通過（guò）這些指紋的變化來判斷結構的真實狀況。
    在線監測中，頻率是最易獲（huò）得的模態參數，而且精度很高，因（yīn）此通過監測頻率的變化來識別結構破（pò）損（sǔn）是否發生是最（zuì）為簡單的。此外，振型也可用於結構破損的發現，盡管振型的測試精度低於頻率，但振型包（bāo）含（hán）更多的破損信息。利用振型判斷結構的（de）破損（sǔn）是否發生的途徑很多；MAC，COMAC，CMS，DI和（hé）柔（róu）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（dǎo）致的固（gù）有頻率變化很小，而振型形式變化明（míng）顯[11,12]，一般損傷使結構自振（zhèn）頻率的變化都在5％以內[11,12]，而Askegaard等在對橋梁的長（zhǎng）期觀測（cè）後（hòu）發現，在一年期間裏橋梁即使沒有任何明顯的變化，其（qí）振動頻（pín）率的變化也可達10％［63］，因（yīn）此一般認為（wéi）自振（zhèn）頻率不能直接用來作為橋梁（liáng）監測的指紋，而振型雖然對局部（bù）剛（gāng）度比較敏感，但精確測量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴於振（zhèn）型的動力指紋都遇到同樣的（de）問題。對（duì）橋缺（quē）損狀態的評價缺乏統一有效的指標，有人以模糊理論，結構可靠度理（lǐ）論等為（wéi）理論框架建立（lì）了各種（zhǒng）橋梁使（shǐ）用性能評估專家（jiā）係統，但必須首先建立各（gè）種規（guī）範和專家數據庫。
    四、結論與展望
    （1）由於大（dà）跨橋梁受環境因素影響較大，安全係數低，必須對其進行連（lián）續實時（shí）監測。
    （2）由於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點，可用它對大跨度橋梁做連續實時監測，同（tóng）時應進一步提高其精度，從而（ér）擴展其應用範圍。目前GPS已在虎門大橋安裝成功，實（shí）現了對（duì）大橋連續實時監測。
    （3）在係統（tǒng）識別方麵，比較了時（shí）域和頻域法的優（yōu）劣，今後應進行結合時頻的係統識（shí）別研究。
    （4）在模型修正方麵，應在基於敏感性分析的基礎上，研究適合於大跨橋梁的模型修正方法。
    （5）由於對橋梁缺損（sǔn）狀態的評價缺乏統一有效的指標，應結合實驗測試（shì）和有限元建模研究適合於大（dà）跨橋梁的指紋指標。