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隨著大型橋梁工程建設(shè)規(guī)模和速度的快速增長(zhǎng)，各種橋梁工程事故也不可避免地有所增加，橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)工作就顯得愈加重要。隨著量測(cè)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，橋梁變形監(jiān)測(cè)方法也日趨多樣。因此就應(yīng)變片、光纖傳感器、GPS等幾種常用的橋梁變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析、討論了各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況，并對(duì)技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
1傳統(tǒng)橋梁變形監(jiān)測(cè)方法分析
1.1 常規(guī)大地測(cè)量法
常規(guī)大地測(cè)量法是變形監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法，多采用經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等常規(guī)測(cè)量設(shè)備通過(guò)測(cè)角、邊、水準(zhǔn)等方法來(lái)測(cè)定被測(cè)物的變形量。該類方法具有理論和方法成熟、觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠、費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在保證工程正常運(yùn)營(yíng)方面優(yōu)勢(shì)明顯，但存在以下缺陷：1）主要為手工采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)少，自動(dòng)化程度低，工作量大，觀測(cè)容易受氣候和其他外界條件的影響，易漏過(guò)一些重要及危險(xiǎn)的信號(hào)；
2）平面位移和垂直位移數(shù)據(jù)不能在相同的測(cè)點(diǎn)及相同的時(shí)間里采集；
3）對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量測(cè)定在時(shí)間上不同步；
4）精密水準(zhǔn)網(wǎng)路線較長(zhǎng)。
1.2 物理學(xué)傳感器法
物理學(xué)傳感器法主要是應(yīng)用測(cè)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)、加速度計(jì)、重量動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x、銹蝕監(jiān)測(cè)儀以及風(fēng)力、震動(dòng)、壓力、溫度、濕度等傳感器來(lái)進(jìn)行橋梁變形觀測(cè)。這些原位監(jiān)測(cè)手段一般只能用來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的局部形變和相對(duì)形變情況，對(duì)于橋梁的整體變形監(jiān)測(cè)則顯得蒼白無(wú)力，并且測(cè)試精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況的長(zhǎng)期可靠監(jiān)測(cè)。
目前，應(yīng)變測(cè)量多采用貼應(yīng)變片的方法，其工作原理是基于金屬絲電阻的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬電阻絲隨著機(jī)械變形而改變的物理現(xiàn)象。不同方向的外力作用會(huì)使金屬電阻絲產(chǎn)生不同的變形量e。
它靈敏度高、尺寸小、質(zhì)量小并且粘貼牢靠，但也存在以下缺陷：
1）工作難度大，經(jīng)常要在幾米甚至幾十米的高空進(jìn)行貼片、焊線及封片等工作，不僅質(zhì)量難以保證，工作效率也不高；
2）環(huán)境的溫度和濕度對(duì)測(cè)量值影響比較大，有些測(cè)點(diǎn)的測(cè)值會(huì)產(chǎn)生飄移，獲得數(shù)據(jù)的可信度不高。
2光纖傳感器技術(shù)分析
在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，光纖傳感器利用了光纖特征參量對(duì)外界環(huán)境因素變化敏感的特性，能用來(lái)采集溫度、應(yīng)變(應(yīng)力）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、腐蝕情況、裂縫狀況以及交通情況等多種參數(shù)。光纖傳感器的基本原理是監(jiān)測(cè)光纖中的光波參數(shù)(如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率、相位等）隨被測(cè)物理量的變化情況，來(lái)檢測(cè)被測(cè)的物理量。
常規(guī)的電類傳感檢測(cè)手段具有傳感元件壽命短、測(cè)量容易受環(huán)境影響、不能進(jìn)行分布測(cè)量等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。光纖傳感器與普通的機(jī)械、電子類傳感方式相比，則具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）抗電磁千擾。
光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，鑒于電磁輻射頻率比光波低，不會(huì)和電磁場(chǎng)發(fā)生作用，因而具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。
2）耐腐蝕。
由高分子材料制成的光纖表面涂覆層，能夠抵抗環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的腐蝕，可用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
3）質(zhì)量輕、體積小。
對(duì)所測(cè)結(jié)構(gòu)影響小，因而測(cè)得的參數(shù)更加真實(shí)可靠。可安裝在結(jié)構(gòu)表面或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部。埋入安裝時(shí)可檢測(cè)到傳統(tǒng)傳感器很難或者無(wú)法檢測(cè)的信號(hào)，如復(fù)合材料或者混凝土的內(nèi)部應(yīng)力和溫度場(chǎng)分布等。
4）兼?zhèn)鋫鞲小鬏敼δ?，可?fù)用，是傳感技術(shù)的新發(fā)展。
5）壽命長(zhǎng)，并且使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)與傳輸。
近年來(lái)，雖然光纖傳感技術(shù)在土木工程應(yīng)用中倍受重視，但需要的外部設(shè)備比較復(fù)雜且昂貴，作為一種新技術(shù)還不夠成熟，特別是在工程應(yīng)用和傳感器種類開(kāi)發(fā)方面還有許多課題有待研究和解決。
3 GPS技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析
基于GPS技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)理論與方法，是當(dāng)前廣泛采用的變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)之一 ，GPS與其他傳感器結(jié)
合用于橋梁健康監(jiān)測(cè)己形成了趨勢(shì)。GPS技術(shù)多采用靜態(tài)相對(duì)定位方式和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位方式(GPSRTK模式）對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。目前，橋梁工程的GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用GPSRTK模式。GPSRTK實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度高，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的測(cè)量，主要由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測(cè)站、光纖通信鏈路和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)中心等部分組成，其測(cè)量原理見(jiàn)圖2。
3.1 GPS的優(yōu)點(diǎn)及適用情況
相比傳統(tǒng)測(cè)量方法，GPS具有大范圍內(nèi)精度較高的優(yōu)勢(shì)，利用GPS進(jìn)行水平位移觀測(cè)可獲得小于2 mm的精度，高程的測(cè)量也可獲得不大于10mm的精度。GPS的測(cè)量可以不受天氣條件的限制，使惡劣條件下的橋梁變形測(cè)量成為可能。同時(shí)其測(cè)量、記錄、計(jì)算可全自動(dòng)完成，大大減少了工作量，并且測(cè)量點(diǎn)之間不需要通視，選點(diǎn)也不受地形的限制，可以更全面地了解橋梁各個(gè)時(shí)期的變化，甚至于瞬時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)與數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，因而相比傳統(tǒng)測(cè)量方法具有廣泛的應(yīng)用前景。
在橋梁變形監(jiān)測(cè)中，GPS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)地測(cè)得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，特別是可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的同步觀測(cè)，受外界的影響小，數(shù)據(jù)采集方便，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化的管理。GPS以其獨(dú)特的連續(xù)觀測(cè)能力，使得掌握橋梁各個(gè)時(shí)期的運(yùn)行狀態(tài)成為可能，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而確保了橋梁的安全，并為以后的養(yǎng)護(hù)及加固工作提供了可靠資料。
因此，GPS技術(shù)能較好地應(yīng)用于大橋運(yùn)營(yíng)的安全性管理上。國(guó)內(nèi)外的許多實(shí)例也表明，GPS技術(shù)在大、中型的橋梁變形監(jiān)測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
3.2 存在的缺陷
GPS技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)也有許多不足之處，如：采樣率不夠高，技術(shù)不夠成熟；定位結(jié)果的精度，尤其是高程的精度不能夠完全地達(dá)到橋梁監(jiān)測(cè)的要求；獲得信息不全面，只能獲得變形體外部一些離散點(diǎn)的位移信息；還有多路徑效應(yīng)的影響，是限制GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)的主要因素之一。
除此之外，GPS信號(hào)受障礙物的影響也較大，在靠橋塔較近的位置不適宜設(shè)置測(cè)點(diǎn)，這也是GPS技術(shù)存在的弱點(diǎn)之一。因此，GPS技術(shù)不能完全代替其他的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，必須與其他變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，建立綜合的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
在數(shù)據(jù)處理方面，橋梁長(zhǎng)期的形變可通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的平均處理獲得，并且平均處理的位置精度可達(dá)毫米級(jí)；然而對(duì)反映時(shí)間間隔很短的形變信息則沒(méi)有條件進(jìn)行平均處理，無(wú)法達(dá)到毫米級(jí)的位置精度，從而限制了GPS對(duì)高動(dòng)態(tài)橋梁監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。
另外，橋梁短期(動(dòng)態(tài)）變形監(jiān)測(cè)還需要進(jìn)一步提高GPS接收機(jī)的采樣率，但在提高接收機(jī)采樣率的同時(shí)，卻會(huì)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，并且由于采樣率高，每個(gè)歷元都需要計(jì)算坐標(biāo)，也對(duì)數(shù)據(jù)處理提出了較高的要求。
4 橋梁變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的展望
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化、多層次和多視角的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸形成。以GPSRTK為代表的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，逐漸取代以水準(zhǔn)儀、全站儀為代表的傳統(tǒng)測(cè)量方法，成為橋梁變形；監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段。橋梁變形監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)也伴隨著衛(wèi)星、有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線移動(dòng)等通訊技術(shù)的發(fā)展在不斷進(jìn)步，但還需要在傳感器、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸、信號(hào)的處理與分析等技術(shù)方面進(jìn)行不斷的完善與發(fā)展，以適應(yīng)快速發(fā)展的橋梁建設(shè)的需求。
在大型橋梁變形監(jiān)測(cè)上可以以GPS RTK技術(shù)為主，配合應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量和光纖傳感器的溫度測(cè)量，取長(zhǎng)補(bǔ)短，建立綜合的、完善的橋梁變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
5結(jié)語(yǔ)
總之，隨著測(cè)量觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步，橋梁變形觀測(cè)方法也在不斷更新。為了完成橋梁變形觀測(cè)任務(wù)，應(yīng)該根據(jù)橋梁的類型、變形特點(diǎn)等因素選擇不同的觀測(cè)方法，這也是橋梁變形觀測(cè)要考慮的重要問(wèn)題。