浅谈大型桥梁变形监测常用的各类方法

浅谈大型桥梁变形监测常用的各类方法建筑与土木工程学院【摘要】随着我国国民经济建设和交通事业的迅速发展，大跨度桥梁将越来越多，桥梁的变形监测在运营管理中具有十分重要的地位和作用。大型桥梁监测的方法很多，包括传统方法全站仪、位移传感器、加速度传感器等以及广泛应用的GPS技术，此外还有近些年发展起来的三维激光扫描、数字近景摄影测量技术。【关键词】GPS技术；桥梁；变形监测；新兴技术；传统方法0引言大型桥梁的建设和维护是一个国家基础设施建设的重要部分，桥梁变形监测就是运用现代传感与通信技术．实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为．获取反映结构状况和环境闪素的各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的町靠性．为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。近年来，我国大型桥梁的建设规模越来越大，结构也越来越轻巧，形态优美，但随之也带来一个重要的问题，就是桥梁的安全性。实际上桥梁是个柔性的超静定建筑物，外部环境，比如温度，风力，以及从桥上通过的交通工具，都会对桥梁的形变造成影响，其中温度是最重要的因素。当桥梁的变形超过它所能承受的能力时，就很容易发生事故，发生桥梁倒塌事件。而大型桥梁的事故带给人们的教训都是非常残痛的，往往造成生命的死亡，给国家和人民带来巨大的损失。国内外这样的事故不乏其例：1967年12月15日横跨美国俄亥俄河上的银桥(长约540m)突然倒塌；1994年10月2l韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥(桥长1000m以上，宽19．9m)，中央断场50m，其中15m掉入江中；2001年3月，葡萄牙里斯本一座桥梁垮塌，造成一辆观光车坠入河中，50多人死亡；2007年7月31日，美国加利福尼亚州奥罗维尔高速路桥垮塌，一辆运货卡车损毁，一名建筑工人从15米处跌落重伤。2007年8月1日美国的明尼苏达州跨河大桥突然倒塌，5人死亡，30多人失踪。因此桥梁监测变得十分重要，现在对其进行监测的方法很多，不同的方法适用的范围不同，他们都有各自的优缺点，如今对于大型桥梁来说，在众多方法中，GPS的应用最为广泛。1传统仪器简述桥梁变形观测的传统方法主要有两大类：一是常规的测量方法，它是最主要的变形测量方法；二是物理学传感器方法。随着科学技术的进步和测量仪器的发展，变形观测的方法也一直不断的前进。一系列新兴的方法和手段，例如GPS测量法、光学三维测量法等也逐渐在各种变形监测中得到了广泛应用。常规的测量方法是指利用空间几何原理，通过光学或电子仪器(经纬仪、全站仪、水准仪等)测量角度和距离等来获取三维坐标的方位。物理传感器方法主要是指在监测过程中广泛应用了测力计、应变计、加速度计、位移计、重量动态测量仪、锈蚀检测仪以及震动、温度、风力、压力、湿度、雨量等传感器。目前，用于大型桥梁结构监测的仪器主要有经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光仪等。(1）常规测量方法-全站仪:通过自动扫描法对各个测点进行连续扫描，来进行桥梁监测。此方法受雾气影响较大。由于在宽阔的江面上，大风、大雾天气时常出现，即使在晴天，水汽蒸发产生的水雾也相当浓厚。当视距超过2km时，使用常规的经纬仪望远镜很难照准观测目标。此外，由于是逐点扫描，所以各测点不同步，对桥梁大变形不可测、实时性也较差。而且全站仪实施高精度测量需架设棱镜，这在许多情况下难以实现，即使采用最先进的测量机器人的自动化变形监测，也只是以软件控制的机器自动观测代替人工操作以提高观测精度和自动化程度，但它同样需要安装棱镜，无法在瞬间完成多目标测量的任务。（2）物理传感器这种方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度局部的相对变形信息，并且能实现长期连续的自动化观测，但这种方法只能监测桥梁的局部形变状态和相对形变情况，对于桥梁的整体性形变监测则显得无能无力。而实际研究表明，桥梁局部形变较大固然可能导致桥梁的破坏(这类破坏大多以局部破坏为主)，但各类局部形变都不大并不意味着桥梁安全，因为各类较小形变的混合影响可能导致桥梁的大形变，而这种大形变恰恰是引起桥梁毁灭性破坏的根源。其代表仪器有:位移传感器它是一种接触型传感器，通过对各点接触测量来获取桥梁变形信息。由于其对难接近的点无法测量，所以大型结构测量中很少使用。加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。大量应用于桥梁的震动监测，可直接安装在试件表面上，但应保证传感器的敏感轴向与受力方向的一致性。安装接触面在平行度、平直度和低粗糙度的要求都较高，虽比位移传感器更有优势，但对于大型桥梁其适用性也不大，因其监测必须经过两次积分才能获得位移，且精度频位移测试不理想，而大跨悬索桥振动频率较低。2.GPS应用分析GPS监测系统是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即RTK技术。GPS监测系统是由GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信号经过电台实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息。利用GPSRTK技术实时监测桥梁整体形变时，必须在桥梁附近适当位置设置S基准站，在各形变观测点设置流动站。基准站与流动站间通过数传电台进行同步联络，获得流动站每一时刻的三维空间坐标信息，根据不同时刻观测点的三维空间坐标变化，获得形变观测点的三维变形量，此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行分析、处理。GPS监测大型桥梁变形特点如下。(1)GPS可实现全天候定位，能在暴风雨中进行监测。(2)GPS测定位移自动化程度高。从接收信号、捕捉卫星信号、到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可直接存入存储器进行大桥安全性分析。(3)采用GPSRTK技术同时获得监测点的坐标信息和统一的时间信息，便于实现大型桥梁的整体变形观测。(4)GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可达10～20Hz速率输出定位结果，定位精度平面为10mm。高程为20mm，变形监测精度可达到亚毫米级。当前桥梁监测采用GPS的方法也暴露出了GPS的不适宜之处：（1）经济性，针对大桥的变形监测，需要在很多关节点进行布点测量，仅仅一个主跨摆动就需要十四个点，而如果在每个监测点位均放置GPS进行监测的话，这个是要花费大量的经费，对当前的监测单位来说，这个方法肯定是不可行的。（2）信号问题。GPS由于要接收卫星信号，并且如果GPS一边有障碍物，很容易造成多路径效应，因此这就对GPS的放置构成一定的难度，在大桥所要监测的点位，可能很难找到能安全妥当放置GPS的位置。这也增加了不可行性。(3）采集数据繁琐。GPS数据需要监测完成后才能进行数据采集，这对于一些时候的实时监测也不能完成，并且由于GPS数据存放在各个独立的机器上，因此采集数据时，也会很繁琐。3.数字近景摄影测量数字近景摄影测量是通过摄影(摄像)和随后的图像处理与摄影测量处理以获取被摄目标形状、大小和运动状态的一门技术。凡是可以摄取其影像的目标，均可作为数字近景摄影测量的对象，以获取目标上点群的三维空间坐标，以及基于这些三维空间坐标的长度、面积、体积、等值线(剖面线)等。尤其是监测目标在动态运转时，传统的监测方法无法解决的情况，现在均可以用数字近景摄影技术来解决，在同时记载时间信号的情况下，还可获取运动目标的运动状态，即获取运动目标(点)的速度、加速度和运动轨迹等。4.三维激光扫描三维激光扫描技术是近十几年迅速发展起来的一项新技术，它以非接触性、高密度、高精度、数字化、自动化等特点，被广泛用于许多领域。三维激光扫描技术也被称为“实景复制技术”，其能快速获得原始的点云数据，并能完整高精度地重建实体。地面三维激光扫描仪可以提供视场和有效测程内、基于一定采样间距的采样点的三维坐标，具有较高的测量精度和极高的数据采集效率。与基于数字近景摄影测量的变形监测相比，它无法形成基于光线的连续三维模型数据场，但是有较高的工作效率，并且其后续数据处理较为容易，能迅速、准确地生成监测变形体的三维数据模型嘲这些优势决定了三维激光扫描技术在变形监测领域有着广阔的应用空间。5结束语从以上对各仪器方法的分析可知各种方法都存在一定的缺陷，有些适用性在大型桥梁上很受局限，就连最广泛应用的GPS变形监测方法都存在不足之处，有待进一步的完善和发展，因此针对GPS的优越性，有时可以进行一些实验性的，或针对某两三个点的针对性的长时间的测量。而对于整个桥梁的变形监测，还是不可行的。所以桥梁监测技术还需要更多专业人士继续探索，在已有技术上完善，创新，就如激光法的改良与应用一般。【参考文献】1．张正禄等．工程测量学[M】．武汉：武汉大学出版社，2008，175．1762．黄声享，尹晖，蒋征．变形监测数据处理【M】．武汉：武汉大学出版社，2003．3．梁菲．近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用【D】．重庆交通大学：重庆交通大学，2010：17．35．4王晓华，胡友健，析柳．变形监测研究现状综述。测绘科学，2006．5.王小敏，熊军，马木欣．基于GPS的大跨度桥梁变形监测与数据处理【J】武汉理工大学学报，2009，4(33)．6.林宗云，刘宗泉，余文斌．用GPS技术建立桥梁变形监测平面基准IJl．地理空间信息，2005．2(3)．