常用橋梁變形監(jiān)測技術(shù)原理、優(yōu)缺點分析
更新時間：2021-04-10 17:51
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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，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)測工作就顯得愈加重要。隨著量測技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，橋梁變形監(jiān)測方法也日趨多樣。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)測技術(shù)，分析、討論了各自的原理、優(yōu)缺點和適用情況，并對技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
1 傳統(tǒng)橋梁變形監(jiān)測方法分析
1.1 常規(guī)大地測量法
常規(guī)大地測量法是變形監(jiān)測的傳統(tǒng)方法，多采用經(jīng)緯儀、測距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等常規(guī)測量設(shè)備通過測角、邊、水準(zhǔn)等方法來測定被測物的變形量。該類方法具有理論和方法成熟、觀測數(shù)據(jù)可靠、費(fèi)用相對較低等優(yōu)點，在保證工程正常運(yùn)營方面優(yōu)勢明顯，但存在以下缺陷：1）主要為手工采集數(shù)據(jù)，自動化測點少，自動化程度低，工作量大，觀測容易受氣候和其他外界條件的影響，易漏過一些重要及危險的信號；
2）平面位移和垂直位移數(shù)據(jù)不能在相同的測點及相同的時間里采集；
3）對各監(jiān)測點的變形量測定在時間上不同步；
4）精密水準(zhǔn)網(wǎng)路線較長。
1.2 物理學(xué)傳感器法
物理學(xué)傳感器法主要是應(yīng)用測力計、應(yīng)變計、位移計、加速度計、重量動態(tài)測量儀、銹蝕監(jiān)測儀以及風(fēng)力、震動、壓力、溫度、濕度等傳感器來進(jìn)行橋梁變形觀測。這些原位監(jiān)測手段一般只能用來監(jiān)測橋梁的局部形變和相對形變情況，對于橋梁的整體變形監(jiān)測則顯得蒼白無力，并且測試精度和長期穩(wěn)定性差，難以實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況的長期可靠監(jiān)測。
目前，應(yīng)變測量多采用貼應(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)境的溫度和濕度對測量值影響比較大，有些測點的測值會產(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)測中，光纖傳感器利用了光纖特征參量對外界環(huán)境因素變化敏感的特性，能用來采集溫度、應(yīng)變(應(yīng)力）、動態(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)測光纖中的光波參數(shù)(如光強(qiáng)、波長、頻率、相位等）隨被測物理量的變化情況，來檢測被測的物理量。光纖傳感器原理見圖1。
常規(guī)的電類傳感檢測手段具有傳感元件壽命短、測量容易受環(huán)境影響、不能進(jìn)行分布測量等缺點，難以實現(xiàn)對重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長期監(jiān)測。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：
1）抗電磁千擾。
光信號在光纖中傳輸時，鑒于電磁輻射頻率比光波低，不會和電磁場發(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，可用來對結(jié)
構(gòu)物進(jìn)行長期監(jiān)測。
3）質(zhì)量輕、體積小。
對所測結(jié)構(gòu)影響小，因而測得的參數(shù)更加真實可靠?？砂惭b在結(jié)構(gòu)表面或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部。埋入安裝時可檢測到傳統(tǒng)傳感器很難或者無法檢測的信號，如復(fù)合材料或者混凝土的內(nèi)部應(yīng)力和溫度場分布等。
4）兼?zhèn)鋫鞲?、傳輸功能，可?fù)用，是傳感技術(shù)的新發(fā)展。
5）壽命長，并且使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)測與傳輸。
近年來，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)測中的應(yīng)用分析
基于GPS技術(shù)的變形監(jiān)測理論與方法，是當(dāng)前廣泛采用的變形監(jiān)測新技術(shù)之一 ，GPS與其他傳感器結(jié)
合用于橋梁健康監(jiān)測己形成了趨勢。GPS技術(shù)多采用靜態(tài)相對定位方式和實時動態(tài)差分定位方式(GPSRTK模式）對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行變形監(jiān)測。目前，橋梁工程的GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)主要采用GPSRTK模式。GPSRTK實時監(jiān)測系統(tǒng)精度高，可以進(jìn)行實時動態(tài)的測量，主要由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站、光纖通信鏈路和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測中心等部分組成，其測量原理見圖2。
3.1 GPS的優(yōu)點及適用情況
相比傳統(tǒng)測量方法，GPS具有大范圍內(nèi)精度較高的優(yōu)勢，利用GPS進(jìn)行水平位移觀測可獲得小于2 mm的精度，高程的測量也可獲得不大于10mm的精度。GPS的測量可以不受天氣條件的限制，使惡劣條件下的橋梁變形測量成為可能。同時其測量、記錄、計算可全自動完成，大大減少了工作量，并且測量點之間不需要通視，選點也不受地形的限制，可以更全面地了解橋梁各個時期的變化，甚至于瞬時變化，實現(xiàn)連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)的自動處理，因而相比傳統(tǒng)測量方法具有廣泛的應(yīng)用前景。
在橋梁變形監(jiān)測中，GPS的另一個優(yōu)點是可以實時地測得監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，特別是可實現(xiàn)多點的同步觀測，受外界的影響小，數(shù)據(jù)采集方便，可實現(xiàn)實時性、自動化的管理。GPS以其獨特的連續(xù)觀測能力，使得掌握橋梁各個時期的運(yùn)行狀態(tài)成為可能，當(dāng)出現(xiàn)問題時能夠及時發(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)營的安全性管理上。國內(nèi)外的許多實例也表明，GPS技術(shù)在大、中型的橋梁變形監(jiān)測中有著廣闊的應(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)測的要求；獲得信息不全面，只能獲得變形體外部一些離散點的位移信息；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)測的主要因素之一。
除此之外，GPS信號受障礙物的影響也較大，在靠橋塔較近的位置不適宜設(shè)置測點，這也是GPS技術(shù)存在的弱點之一。因此，GPS技術(shù)不能完全代替其他的變形監(jiān)測技術(shù)，必須與其他變形監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，取長補(bǔ)短，建立綜合的變形監(jiān)測系統(tǒng)。
在數(shù)據(jù)處理方面，橋梁長期的形變可通過對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間的平均處理獲得，并且平均處理的位置精度可達(dá)毫米級；然而對反映時間間隔很短的形變信息則沒有條件進(jìn)行平均處理，無法達(dá)到毫米級的位置精度，從而限制了GPS對高動態(tài)橋梁監(jiān)測的應(yīng)用。
另外，橋梁短期(動態(tài)）變形監(jiān)測還需要進(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，卻會增加數(shù)據(jù)存儲負(fù)擔(dān)，并且由于采樣率高，每個歷元都需要計算坐標(biāo)，也對數(shù)據(jù)處理提出了較高的要求。
4 橋梁變形監(jiān)測技術(shù)的展望
隨著計算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)、無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，自動化、多層次和多視角的立體監(jiān)測系統(tǒng)逐漸形成。以GPSRTK為代表的現(xiàn)代測量技術(shù)，逐漸取代以水準(zhǔn)儀、全站儀為代表的傳統(tǒng)測量方法，成為橋梁變形；監(jiān)測的主要技術(shù)手段。橋梁變形監(jiān)測信息的實時、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)也伴隨著衛(wèi)星、有線網(wǎng)絡(luò)、無線移動等通訊技術(shù)的發(fā)展在不斷進(jìn)步，但還需要在傳感器、數(shù)據(jù)的無線傳輸、信號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)變測量和光纖傳感器的溫度測量，取長補(bǔ)短，建立綜合的、完善的橋梁變形監(jiān)測系統(tǒng)。
5結(jié)語
總之，隨著測量觀測手段的不斷進(jìn)步，橋梁變形觀測方法也在不斷更新。為了完成橋梁變形觀測任務(wù)，應(yīng)該根據(jù)橋梁的類型、變形特點等因素選擇不同的觀測方法，這也是橋梁變形觀測要考慮的重要問題。
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