橋梁檢測方法及其數據處理

楊文

摘要：本文以斜拉橋檢測中的數據誤差處理為主要研究對象，首先對斜拉橋結構的檢測方法進行了概述，對測試的主要內容和測試儀器進行了分析，最后重點探討了測試數據的誤差處理方法。

關鍵詞：橋梁監測；斜拉橋；誤差分析

1、概述

隨著工程技術的進步，橋梁的類型和結構形式日益復雜，人們對于橋梁的安全性也越來越重視。由于橋梁的設計使用年限一般較長，在長期的使用過程中必然會產生一系列的老化和損傷。因此從安全的角度出發，對橋梁結構進行必要的檢測和橋梁使用狀況的監測以及綜合評估是一項非常重要的工作，而在工程領域，對橋梁的質量監測和安全監測也已經成為了一個研究的重要方向。

在當前較為常用的橋梁結構檢測方法中，最普遍的方法是無損檢測，其目的是盡量不對橋梁的正常使用造成干擾，也不會對橋梁結構造成額外損傷。橋梁結構因為建筑材料的不同而在力學上有所差異。對鋼結構橋梁而言，主要是檢測鋼結構件的裂紋特征，尤其是對一些重要焊接部位的裂紋檢測，對金屬構件的腐蝕情況也是鋼結構橋梁的檢測重點之一。對于更為常見的混凝土橋，橋梁結構中的鋼筋腐蝕等問題的檢測就要麻煩得多，因此對于混凝土橋梁的檢測通常都采用荷載試驗方法加上模態分析來進行。為便于表述，本文中意斜拉橋的結構檢測方法和相應的檢測數據的誤差分析方法為對象來展開探討。

2、斜拉橋結構檢測方法

橋梁結構的檢測在于對橋梁目前的技術狀況和存在的損傷進行確認，并對損傷的狀況進行評估和預測，以便為后續可能的橋梁結構加固提供可靠的依據。從檢測類型上看，可主要分為靜載試驗和動載試驗兩大類。前者的主要目的是分析橋梁結構的受力狀態，后者則更注重于橋梁結構的振動響應。

斜拉橋是一類具有柔性特征的錨固體系，其結構檢測比其他類型的橋梁較為困難。因此斜拉橋的檢測方法更注重于有針對性的檢測技術。盡管經過幾十年的發展，我國橋梁檢測技術已經較為系統，但這些檢測方法能夠適用于斜拉橋結構體系仍然沒有定論。但從發展趨勢上看，“以動代靜”的檢測方法由于其簡便性和經濟性，已經被映入橋梁整體性能評定中。而斜拉橋結構的特殊性恰好比較適合于這類檢測方法。

2.1斜拉橋振動特性

斜拉橋的振動特性分析是個非常重要的問題，其力學本質是利用斜拉索作為橋面的支撐特性，隨著跨徑的增大而整體結構變成了以受變為主的擬桁架結構，橋上的支撐方式和索型的不同布置方式也會對斜拉橋的動力特性造成影響，對于這種影響所進行的振形分析主要包括反對稱漂移、一階對稱豎向彎曲和一階對稱扭轉三類主要振型分析。

2.2斜拉橋結構檢測常用方法

由于斜拉橋的發展歷史并不長，因此其檢測方法的成熟程度要遠低于混凝土橋，對于斜拉橋的檢測主要以實地觀測和指標控制。首先對斜拉橋的結構外觀進行系統的調查，以橋梁的設計資料為依據，觀察是否存在設計、施工和建材用料方面的缺陷。其次是檢查在橋梁投入使用后是否受到過意外損傷或曾經遭受過自然災害侵襲所造成的損害等。這一階段的主要任務是檢測可以直接觀察或檢查到的橋梁缺陷。在觀測時的重點對索塔塔頂位移量的觀測，這一觀測值對研究索力和索塔之間的相關性以及索力計算理論中結構位移計算方法都是有益的。在索力的測量方面，當前主要采用的技術手段是利用頻譜分析儀，通過索力和基頻之間的相關關系來計算索力值。其次是考慮溫度變化對于斜拉橋結構的力學特性的影響，斜拉橋結構在陰陽面的溫度差所帶來的溫度應力是不容忽視的影響因素。下文中將針對上述檢測方法中的數據處理部分展開討論。

3、測試內容和儀器

在計算斜拉橋的索力時，需要利用的一個重要參數是斜拉索的自振頻率（索頻）。而索頻來自于實際檢測結果，其精度將直接影響到索力計算的準確度。在索力測試中采用具備頻譜分析系統的振動信號采集裝置即能完成頻譜測試。在檢測時主要考慮以下幾類情況：○1按梁的橫向振動來檢測索力 這類情況主要對應于斜拉索長度不大，直徑較粗，由于受到索剛度的影響而要考慮梁的橫向振動。○2考慮垂度時的索力檢測 考慮索垂度影響時有一種較為便捷的判斷方法，即等效彈性模量法。也可以采用有限元法來分析，通過對比這兩種模型的計算結果來綜合修正斜拉索的自振頻率，其結果更為可靠。

斜拉橋主梁標高的測量也是重要項目，因為主梁是直接承受荷載的關鍵構件，而且在橋梁使用過程中和斜拉索的關系密切，互相影響和制約。在觀測時的通常做法是在主梁上設置永久性觀測標記點，測量時通過測量標記點和水準點的高差來實現。此外，塔頂的定位測量也很關鍵，而索塔塔頂的位移又是橋梁結構中位移量最大的部位之一，因此在測量時通常采用經緯儀和紅外線測距儀來配合使用。在振型測試方面，對主梁系統的振型測試一般采用頻域識別法，或是采用時域識別法。當在橋梁正常使用中進行振型測試時，時域法更具優勢。

在檢測儀器方面，對應力測量一般是利用應力～應變關系來間接計算。因此主要依賴的儀器的是應變計，應變計的類型多種多樣，如振弦式、壓電式等。在測試橋梁結構振動方面所使用的儀器主要是測振傳感器、信號放大器、數字信號處理機等。對于其他在橋梁檢測中常用的位移計、千分表等不再一一敘述，而是在下文中注重于對測量結果的分析和處理。

4、測量誤差分析與處理

4.1誤差來源與計算

測量誤差的來源主要有以下幾個方面，一是被測對象的固有缺陷導致的測量誤差，二是測量原理以及測量方法所固有的系統誤差，三是測量裝置安裝調試過程中的誤差，四是操作或受環境影響帶來的誤差。以上幾類誤差可以統稱為原型觀測數據的綜合誤差。對這類誤差的分析手段是通過誤差間的相關關系分析，先對各個誤差間的相關性及逆行那個分析，得到各自之間的相關系數，然后再進行誤差的合成。兩個誤差之間的相關關系可按下式計算： ，其中 為相關系數， 為協方差， 、 為標準差。

對于隨機誤差，則主要是考慮標準差和極限誤差兩類因素。對于其標準差的合成，可單獨求出各單項誤差的標準差，在利用誤差傳遞系數來合成，即按： 來計算，其中 為誤差個數， 為隨機誤差總體標準差。隨機誤差的總體極限誤差計算較為復雜，可參考有關文獻來進行計算。

4.2動態誤差的修正

動態誤差是動態測試中的重要問題，對動態誤差的修正可采用的主要方法為頻域修正法。頻域修正法的原理是采用復數曲線擬合來建立實時在線修正。首先根據傳感器的頻域響應函數，在求得傳感器的頻率響應函數，通過傅里葉變換得到動態修正后的信號。但是當傳感器存在低阻尼共振時，這一方法的精度會受到很大的影響。此時可以采用反濾波動態修正方法或是實時數值微分修正方法來代替。

4.3實時監控數據的誤差處理方法

對于實施監測中的原型觀測數據分析，比較可靠的分析方法是分析從采集所得各控制部位原型數據誤差和統一控制部位不同批次監測數據的相對誤差。如果是由測量裝置的精度和性能所控制的誤差，一般認為是獨立的系統誤差，可參照設備的性能和技術指標來進行分析，確定其誤差限值和進行必要的修正。而環境影響所帶來誤差非常復雜，在現有的技術條件下還難于進行理論上的分析和修正，因此對這類誤差的處理主要考慮環境條件改變對測量儀器的性能影響的間接手段來分析，分析方法類似于隨機誤差的處理。

參考文獻

【1】鄭大為.橋梁檢測中的振動分析與應用[D].遼寧工程技術大學，2007.

【2】薛飛.舊橋梁監測理論與試驗研究[D].武漢大學，2004.