器工程测量与检测 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ 桥梁变形监测方法浅析 李学会，韦宏鹄 （北京工业大学，北京 １００１２４） 摘 要：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。 关键词：桥梁；变形监测；应变片；光纤传感器；ＧＰＳ技术 中图分类号：Ｕ ４４６．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—７７６７（２０１４）０５—０１３８—０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｌｉ Ｘｕｅｈｕｉ，Ｗｅｉ Ｈｏｎｇｈｕ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ００ １ ２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｓ ｅｍｅｒｇｅ ｅｎｄｌｅｓ，ＳＯ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅａｎｓ，ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ｄｉｖｅｒｓｅ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｅｏｍｍｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ，ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ， ＧＰＳ ｅｔｃ．ｗｅｒｅ ａｎａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ ａｌｓｏ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ；ｏｐｔｉｃａｌ ｉｆｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ；ＧＰＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 随着交通行业的发展，桥梁作为道路交通的枢纽， １）主要为手工采集数据，自动化测点少，自动化 作用越来越重要。然而随着使用年限的增加和外界环 程度低，工作量大，观测容易受气候和其他外界条件 境的干扰，桥梁会受到不同程度的损伤产生安全隐患。 的影响，易漏过一些重要及危险的信号； 为了确保桥梁的安全运营，需要对在役桥梁进行定期 安全预报。笔者主要从几种常用的桥梁变形监测方法 的原理人手。分析其各自的优缺点和适用情况，并对 桥梁变形监测方法进行展望。 １传统桥梁变形监测方法分析 １．１常规大地测量法 ２）平面位移和垂直位移数据不能在相同的测点 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 变形监测，并根据长期的监测结果做出合理的分析和 及相同的时间里采集；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、 常规大地测量法是变形监测的传统方法，多采用 震动、压力、温度、湿度等传感器来进行桥梁变形观 经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等常规测量设备通过 测。这些原位监测手段一般只能用来监测桥梁的局部 测角、边、水准等方法来测定被测物的变形量。该类方法 形变和相对形变情况，对于桥梁的整体变形监测则显 具有理论和方法成熟、观测数据可靠、费用相对较低 得苍白无力．并且测试精度和长期稳定性差，难以实 等优点．在保证工程正常运营方面优势明显，但存在以 现对桥梁结构受力状况的长期可靠监测。 下缺陷： 目前，应变测量多采用贴应变片的方法，其工作 １３８啼荭投求２０１４Ｎｏ．５（Ｓｅｐ．）Ｖｏ１．３２ 工程测量与检测器 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ 原理是基于金属丝电阻的应变效应，即金属电阻丝随 ４）兼备传感、传输功能，可复用，是传感技术的新 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 种新技术还不够成熟．特别是在工程应用和传感器种 着机械变形而改变的物理现象。不同方向的外力作用 发展。 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）丁作难度大。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 受重视。但需要的外部设备比较复杂且昂贵．作为一 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 类开发方面还有许多课题有待研究和解决。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【１］。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＿２Ｊ。光纤 传感器原理见图１。 光 调制器 图１光纤传感器原理 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１二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）抗电磁干扰。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人结 构体内部。埋人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。 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（ＧＰＳ ＲＴＫ 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ＧＰＳ ＲＴＫ模式。ＧＰＳ ＲＴＫ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［４１，其测量原理见图２。 图２ ＧＰＳＲＴＫ测量原理 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±１０ ｍｍ的精度。 ＧＰＳ的测量可以不受天气条件的，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，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 ２ｏ１４年第５期（９一）第３２拳，穹｝荭投 １３９ 器工程测量与检测 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ 得掌握桥梁各个时期的运行状态成为可能，当出现问 形成。以ＧＰＳ ＲＴＫ为代表的现代测量技术，逐渐取代以 题时能够及时发现，从而确保了桥梁的安全，并为以 水准仪、全站仪为代表的传统测量方法，成为桥梁变形 后的养护及加固工作提供了可靠资料。因此，ＧＰＳ技术 监测的主要技术手段。桥梁变形监测信息的实时、远 能较好地应用于大桥运营的安全性管理上。国内外的 程传输技术也伴随着卫星、有线网络、无线移动等通 许多实例也表明，ＧＰＳ技术在大、中型的桥梁变形监测 讯技术的发展在不断进步，但还需要在传感器、数据的 中有着广阔的应用前景。 ３．２存在的缺陷 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 ＲＴＫ技术为主，配合应 ＧＰＳ技术用于变形监测也有许多不足之处，如：采 型桥梁变形监测上可以以ＧＰＳ 样率不够高，技术不够成熟；定位结果的精度，尤其是 变片的应力应变测量和光纤传感器的温度测量。取长 高程的精度不能够完全地达到桥梁监测的要求；获得 补短，建立综合的、完善的桥梁变形监测系统。 信息不全面，只能获得变形体外部一些离散点的位移 ５结语 总之．随着测量观测手段的不断进步，桥梁变形观 信息：还有多路径效应的影响，是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 测方法也在不断更新。为了完成桥梁变形观测任务，应 障碍物的影响也较大，在靠桥塔较近的位置不适宜设 该根据桥梁的类型、变形特点等因素选择不同的观测方 置测点．这也是ＧＰＳ技术存在的弱点之一。因此，ＧＰＳ 法，这也是桥梁变形观测要考虑的重要问题。 毫 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 参考文献： 测系统。 【１】姜德生，Ｒ．Ｏ．克劳斯．智能材料器件结构与应用【Ｍ］．武汉：武 汉工业大学出版社，２０００：６—９． 在数据处理方面。桥梁长期的形变可通过对ＧＰＳ 数据进行长时问的平均处理获得．并且平均处理的位 ［２］孙雅雯，索西京．变形监测控制网的建立与精度分析［Ｊ］．河南 置精度可达毫米级：然而对反映时间间隔很短的形变 测绘，２０１２（２）：１１—１３． 信息则没有条件进行平均处理，无法达到毫米级的位 【３１袁闯．光纤传感技术在桥梁监测中的应用初探【Ｊ１．中囝科技 置精度，从而了ＧＰＳ对高动态桥梁监测的应用。另 博览，２０１０（２２）：３０２． ４ ＲＯＢＥＲＴＳ ４］Ｇ Ｗ，ＭＥＮＧ Ｘ，ＤＯＤＳＯＮ Ａ Ｈ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ａ Ｇｌｏｂａｌ 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 Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｔｏ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ 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 ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，１ ３０（２）： ６５－７２． 随着计算机技术、空间技术、无线通讯技术的快速 作者简介：李学会，女，在读硕士研究生，主要研究方向为道路桥梁 发展．自动化、多层次和多视角的立体监测系统逐渐 工程。 （上接第ｌ１６页） 【２３］Ｄａｎｉｅｌ Ｗａｔｃｈ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｙｐｅ Ｂａｓｉｃｓ ｆｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， 收稿日期：２０１４—０３—０４ ［２９］曾奇，林仁峰．美国建筑结构规范体系的发展与现状『ＪＪ．科 技信息，２０１０（７）：６８３～６８４． ２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］．ＵＳＡ：Ｗｉｌｅｙ，２００８． ［２４］Ｆｕｒｒ Ａ Ｋ．ＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｓａｆｅｔｙ，４ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］． ＵＳＡ：ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，１９９５． ［３０］Ｔｈｅ ＵＳ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ Ｕ Ｓ Ｄｅｐａｒｔ— ｍｅｎｔ ｏｆＥｎｅｒｇｙ．Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ ｏｆｒ ｔｈｅ ２１ｓｔ Ｃｅｎｔｕｒｙ（Ｌａｂｓ２１）【ｓ］． ＵＳＡ：ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ：Ｒｅｐ Ｓｕｂ ｅｄｉｔｉｏｎ， １９９９． ［２５】Ｌｅｏｎａｒｄ Ｍａｙｅｒ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ［Ｓ］．ＵＳＡ：Ｗｉｌｅｙ，１９９５． ［２６】Ｓｕｓａｎ Ｂｒａｙｂｒｏｏｋｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ：Ｐｒｉｎｃｉｐａｌｓ ｏｆ Ｌａｂｏｒａ— ｔｏｒｙ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｓ］．ＵＳＡ：ＳＡＧＥ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．，１９９３． 【２７】Ｒｕｙｓ Ｔ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｖｏ１．１：Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ［Ｓ］．ＵＳＡ：Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｒｅｉｎｈｏｌｄ，１９９０． 【２８】Ｗａｌｔｅｒ Ｈａｉｎ．Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ａ Ｂｒｉｅｆｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｇｕｉｄｅ Ｉｓ】． ＵＳＡ：Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ，１９９５． 【３１】Ｌｏｕｉｓ Ｊ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ：Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ，３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］．ＵＳＡ：Ｗｉｌｅｙ，２００１． 收稿日期：２０１４—０５—２９ 基金项目：学科与研究生教育一研究生教育一产学研联合培养研究生 基地（２０１２年）经费资助 作者简介：黄鹭，女，彝族，硕士，主要研究方向为水处理技术。 １４０，｛｝ 投术２０１４ Ｎｏ．５（Ｓｅｐ．）Ｖｏ１．３２
