桥梁检测方法及其数据处理

杨文

摘要：本文以斜拉桥检测中的数据误差处理为主要研究对象，首先对斜拉桥结构的检测方法进行了概述，对测试的主要内容和测试仪器进行了分析，最后重点探讨了测试数据的误差处理方法。

关键词：桥梁监测；斜拉桥；误差分析

1、概述

随着工程技术的进步，桥梁的类型和结构形式日益复杂，人们对于桥梁的安全性也越来越重视。由于桥梁的设计使用年限一般较长，在长期的使用过程中必然会产生一系列的老化和损伤。因此从安全的角度出发，对桥梁结构进行必要的检测和桥梁使用状况的监测以及综合评估是一项非常重要的工作，而在工程领域，对桥梁的质量监测和安全监测也已经成为了一个研究的重要方向。

在当前较为常用的桥梁结构检测方法中，最普遍的方法是无损检测，其目的是尽量不对桥梁的正常使用造成干扰，也不会对桥梁结构造成额外损伤。桥梁结构因为建筑材料的不同而在力学上有所差异。对钢结构桥梁而言，主要是检测钢结构件的裂纹特征，尤其是对一些重要焊接部位的裂纹检测，对金属构件的腐蚀情况也是钢结构桥梁的检测重点之一。对于更为常见的混凝土桥，桥梁结构中的钢筋腐蚀等问题的检测就要麻烦得多，因此对于混凝土桥梁的检测通常都采用荷载试验方法加上模态分析来进行。为便于表述，本文中意斜拉桥的结构检测方法和相应的检测数据的误差分析方法为对象来展开探讨。

2、斜拉桥结构检测方法

桥梁结构的检测在于对桥梁目前的技术状况和存在的损伤进行确认，并对损伤的状况进行评估和预测，以便为后续可能的桥梁结构加固提供可靠的依据。从检测类型上看，可主要分为静载试验和动载试验两大类。前者的主要目的是分析桥梁结构的受力状态，后者则更注重于桥梁结构的振动响应。

斜拉桥是一类具有柔性特征的锚固体系，其结构检测比其他类型的桥梁较为困难。因此斜拉桥的检测方法更注重于有针对性的检测技术。尽管经过几十年的发展，我国桥梁检测技术已经较为系统，但这些检测方法能够适用于斜拉桥结构体系仍然没有定论。但从发展趋势上看，“以动代静”的检测方法由于其简便性和经济性，已经被映入桥梁整体性能评定中。而斜拉桥结构的特殊性恰好比较适合于这类检测方法。

2.1斜拉桥振动特性

斜拉桥的振动特性分析是个非常重要的问题，其力学本质是利用斜拉索作为桥面的支撑特性，随着跨径的增大而整体结构变成了以受变为主的拟桁架结构，桥上的支撑方式和索型的不同布置方式也会对斜拉桥的动力特性造成影响，对于这种影响所进行的振形分析主要包括反对称漂移、一阶对称竖向弯曲和一阶对称扭转三类主要振型分析。

2.2斜拉桥结构检测常用方法

由于斜拉桥的发展历史并不长，因此其检测方法的成熟程度要远低于混凝土桥，对于斜拉桥的检测主要以实地观测和指标控制。首先对斜拉桥的结构外观进行系统的调查，以桥梁的设计资料为依据，观察是否存在设计、施工和建材用料方面的缺陷。其次是检查在桥梁投入使用后是否受到过意外损伤或曾经遭受过自然灾害侵袭所造成的损害等。这一阶段的主要任务是检测可以直接观察或检查到的桥梁缺陷。在观测时的重点对索塔塔顶位移量的观测，这一观测值对研究索力和索塔之间的相关性以及索力计算理论中结构位移计算方法都是有益的。在索力的测量方面，当前主要采用的技术手段是利用频谱分析仪，通过索力和基频之间的相关关系来计算索力值。其次是考虑温度变化对于斜拉桥结构的力学特性的影响，斜拉桥结构在阴阳面的温度差所带来的温度应力是不容忽视的影响因素。下文中将针对上述检测方法中的数据处理部分展开讨论。

3、测试内容和仪器

在计算斜拉桥的索力时，需要利用的一个重要参数是斜拉索的自振频率（索频）。而索频来自于实际检测结果，其精度将直接影响到索力计算的准确度。在索力测试中采用具备频谱分析系统的振动信号采集装置即能完成频谱测试。在检测时主要考虑以下几类情况：○1按梁的横向振动来检测索力 这类情况主要对应于斜拉索长度不大，直径较粗，由于受到索刚度的影响而要考虑梁的横向振动。○2考虑垂度时的索力检测 考虑索垂度影响时有一种较为便捷的判断方法，即等效弹性模量法。也可以采用有限元法来分析，通过对比这两种模型的计算结果来综合修正斜拉索的自振频率，其结果更为可靠。

斜拉桥主梁标高的测量也是重要项目，因为主梁是直接承受荷载的关键构件，而且在桥梁使用过程中和斜拉索的关系密切，互相影响和制约。在观测时的通常做法是在主梁上设置永久性观测标记点，测量时通过测量标记点和水准点的高差来实现。此外，塔顶的定位测量也很关键，而索塔塔顶的位移又是桥梁结构中位移量最大的部位之一，因此在测量时通常采用经纬仪和红外线测距仪来配合使用。在振型测试方面，对主梁系统的振型测试一般采用频域识别法，或是采用时域识别法。当在桥梁正常使用中进行振型测试时，时域法更具优势。

在检测仪器方面，对应力测量一般是利用应力～应变关系来间接计算。因此主要依赖的仪器的是应变计，应变计的类型多种多样，如振弦式、压电式等。在测试桥梁结构振动方面所使用的仪器主要是测振传感器、信号放大器、数字信号处理机等。对于其他在桥梁检测中常用的位移计、千分表等不再一一叙述，而是在下文中注重于对测量结果的分析和处理。

4、测量误差分析与处理

4.1误差来源与计算

测量误差的来源主要有以下几个方面，一是被测对象的固有缺陷导致的测量误差，二是测量原理以及测量方法所固有的系统误差，三是测量装置安装调试过程中的误差，四是操作或受环境影响带来的误差。以上几类误差可以统称为原型观测数据的综合误差。对这类误差的分析手段是通过误差间的相关关系分析，先对各个误差间的相关性及逆行那个分析，得到各自之间的相关系数，然后再进行误差的合成。两个误差之间的相关关系可按下式计算： ，其中 为相关系数， 为协方差， 、 为标准差。

对于随机误差，则主要是考虑标准差和极限误差两类因素。对于其标准差的合成，可单独求出各单项误差的标准差，在利用误差传递系数来合成，即按： 来计算，其中 为误差个数， 为随机误差总体标准差。随机误差的总体极限误差计算较为复杂，可参考有关文献来进行计算。

4.2动态误差的修正

动态误差是动态测试中的重要问题，对动态误差的修正可采用的主要方法为频域修正法。频域修正法的原理是采用复数曲线拟合来建立实时在线修正。首先根据传感器的频域响应函数，在求得传感器的频率响应函数，通过傅里叶变换得到动态修正后的信号。但是当传感器存在低阻尼共振时，这一方法的精度会受到很大的影响。此时可以采用反滤波动态修正方法或是实时数值微分修正方法来代替。

4.3实时监控数据的误差处理方法

对于实施监测中的原型观测数据分析，比较可靠的分析方法是分析从采集所得各控制部位原型数据误差和统一控制部位不同批次监测数据的相对误差。如果是由测量装置的精度和性能所控制的误差，一般认为是独立的系统误差，可参照设备的性能和技术指标来进行分析，确定其误差限值和进行必要的修正。而环境影响所带来误差非常复杂，在现有的技术条件下还难于进行理论上的分析和修正，因此对这类误差的处理主要考虑环境条件改变对测量仪器的性能影响的间接手段来分析，分析方法类似于随机误差的处理。

参考文献

【1】郑大为.桥梁检测中的振动分析与应用[D].辽宁工程技术大学，2007.

【2】薛飞.旧桥梁监测理论与试验研究[D].武汉大学，2004.