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常用桥梁变形监测技术原理、优缺点分析
日期:2020-4-3 8:59:03 作者:佚名 来源:本站原创
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随着大型桥梁工程建设规模和速度的快速增长,各种桥梁工程事故也不可避免地有所增加,桥梁结构变形监测工作就显得愈加重要。随着量测技术手段的不断进步,桥梁变形监测方法也日趋多样。因此就应变片、光纤传感器、GPS等几种常用的桥梁变形监测技术,分析、讨论了各自的原理、优缺点和适用情况,并对技术发展前景进行了展望。
1 传统桥梁变形监测方法分析
1.1 常规大地测量法
常规大地测量法是变形监测的传统方法,多采用经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等常规测量设备通过测角、边、水准等方法来测定被测物的变形量。该类方法具有理论和方法成熟、观测数据可靠、费用相对较低等优点,在保证工程正常运营方面优势明显,但存在以下缺陷:1)主要为手工采集数据,自动化测点少,自动化程度低,工作量大,观测容易受气候和其他外界条件的影响,易漏过一些重要及危险的信号;
2)平面位移和垂直位移数据不能在相同的测点及相同的时间里采集;
3)对各监测点的变形量测定在时间上不同步;
4)精密水准网路线较长。
1.2 物理学传感器法
物理学传感器法主要是应用测力计、应变计、位移计、加速度计、重量动态测量仪、锈蚀监测仪以及风力、震动、压力、温度、湿度等传感器来进行桥梁变形观测。这些原位监测手段一般只能用来监测桥梁的局部形变和相对形变情况,对于桥梁的整体变形监测则显得苍白无力,并且测试精度和长期稳定性差,难以实现对桥梁结构受力状况的长期可靠监测。
目前,应变测量多采用贴应变片的方法,其工作原理是基于金属丝电阻的应变效应,即金属电阻丝随着机械变形而改变的物理现象。不同方向的外力作用会使金属电阻丝产生不同的变形量e。
它灵敏度高、尺寸小、质量小并且粘贴牢靠,但也存在以下缺陷:
1)工作难度大,经常要在几米甚至几十米的高空进行贴片、焊线及封片等工作,不仅质量难以保证,工作效率也不高;
2)环境的温度和湿度对测量值影响比较大,有些测点的测值会产生飘移,获得数据的可信度不高。
2光纤传感器技术分析
在桥梁健康监测中,光纤传感器利用了光纤特征参量对外界环境因素变化敏感的特性,能用来采集温度、应变(应力)、动态响应、腐蚀情况、裂缝状况以及交通情况等多种参数。光纤传感器的基本原理是监测光纤中的光波参数(如光强、波长、频率、相位等)随被测物理量的变化情况,来检测被测的物理量。光纤传感器原理见图1。
常规的电类传感检测手段具有传感元件寿命短、测量容易受环境影响、不能进行分布测量等缺点,难以实现对重大工程结构安全状态的长期监测。光纤传感器与普通的机械、电子类传感方式相比,则具有以下优点:
1)抗电磁千扰。
光信号在光纤中传输时,鉴于电磁辐射频率比光波低,不会和电磁场发生作用,因而具有很强的抗电磁干扰能力。
2)耐腐蚀。
由高分子材料制成的光纤表面涂覆层,能够抵抗环境中的化学物质产生的腐蚀,可用来对结
构物进行长期监测。
3)质量轻、体积小。
对所测结构影响小,因而测得的参数更加真实可靠。可安装在结构表面或者埋入结构体内部。埋入安装时可检测到传统传感器很难或者无法检测的信号,如复合材料或者混凝土的内部应力和温度场分布等。
4)兼备传感、传输功能,可复用,是传感技术的新发展。
5)寿命长,并且使用期限内维护费用低,可实现远距离的监测与传输。
近年来,虽然光纤传感技术在土木工程应用中倍受重视,但需要的外部设备比较复杂且昂贵,作为一种新技术还不够成熟,特别是在工程应用和传感器种类开发方面还有许多课题有待研究和解决。
3 GPS技术在桥梁变形监测中的应用分析
基于GPS技术的变形监测理论与方法,是当前广泛采用的变形监测新技术之一 ,GPS与其他传感器结
合用于桥梁健康监测己形成了趋势。GPS技术多采用静态相对定位方式和实时动态差分定位方式(GPSRTK模式)对结构物进行变形监测。目前,桥梁工程的GPS变形监测系统主要采用GPSRTK模式。GPSRTK实时监测系统精度高,可以进行实时动态的测量,主要由GPS基准站、GPS监测站、光纤通信链路和数据处理与监测中心等部分组成,其测量原理见图2。
3.1 GPS的优点及适用情况
相比传统测量方法,GPS具有大范围内精度较高的优势,利用GPS进行水平位移观测可获得小于2 mm的精度,高程的测量也可获得不大于10mm的精度。GPS的测量可以不受天气条件的限制,使恶劣条件下的桥梁变形测量成为可能。同时其测量、记录、计算可全自动完成,大大减少了工作量,并且测量点之间不需要通视,选点也不受地形的限制,可以更全面地了解桥梁各个时期的变化,甚至于瞬时变化,实现连续观测与数据的自动处理,因而相比传统测量方法具有广泛的应用前景。
在桥梁变形监测中,GPS的另一个优点是可以实时地测得监测点的三维坐标,特别是可实现多点的同步观测,受外界的影响小,数据采集方便,可实现实时性、自动化的管理。GPS以其独特的连续观测能力,使得掌握桥梁各个时期的运行状态成为可能,当出现问题时能够及时发现,从而确保了桥梁的安全,并为以后的养护及加固工作提供了可靠资料。
因此,GPS技术能较好地应用于大桥运营的安全性管理上。国内外的许多实例也表明,GPS技术在大、中型的桥梁变形监测中有着广阔的应用前景。
3.2 存在的缺陷
GPS技术用于变形监测也有许多不足之处,如:采样率不够高,技术不够成熟;定位结果的精度,尤其是高程的精度不能够完全地达到桥梁监测的要求;获得信息不全面,只能获得变形体外部一些离散点的位移信息;还有多路径效应的影响,是限制GPS技术应用于桥梁监测的主要因素之一。
除此之外,GPS信号受障碍物的影响也较大,在靠桥塔较近的位置不适宜设置测点,这也是GPS技术存在的弱点之一。因此,GPS技术不能完全代替其他的变形监测技术,必须与其他变形监测技术相结合,取长补短,建立综合的变形监测系统。
在数据处理方面,桥梁长期的形变可通过对GPS数据进行长时间的平均处理获得,并且平均处理的位置精度可达毫米级;然而对反映时间间隔很短的形变信息则没有条件进行平均处理,无法达到毫米级的位置精度,从而限制了GPS对高动态桥梁监测的应用。
另外,桥梁短期(动态)变形监测还需要进一步提高GPS接收机的采样率,但在提高接收机采样率的同时,却会增加数据存储负担,并且由于采样率高,每个历元都需要计算坐标,也对数据处理提出了较高的要求。
4 桥梁变形监测技术的展望
随着计算机技术、空间技术、无线通讯技术的快速发展,自动化、多层次和多视角的立体监测系统逐渐形成。以GPSRTK为代表的现代测量技术,逐渐取代以水准仪、全站仪为代表的传统测量方法,成为桥梁变形;监测的主要技术手段。桥梁变形监测信息的实时、远程传输技术也伴随着卫星、有线网络、无线移动等通讯技术的发展在不断进步,但还需要在传感器、数据的无线传输、信号的处理与分析等技术方面进行不断的完善与发展,以适应快速发展的桥梁建设的需求。
在大型桥梁变形监测上可以以GPS RTK技术为主,配合应变片的应力应变测量和光纤传感器的温度测量,取长补短,建立综合的、完善的桥梁变形监测系统。
5结语
总之,随着测量观测手段的不断进步,桥梁变形观测方法也在不断更新。为了完成桥梁变形观测任务,应该根据桥梁的类型、变形特点等因素选择不同的观测方法,这也是桥梁变形观测要考虑的重要问题。

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