隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運(yùn)輸?shù)男枨�，許多大跨度橋梁應(yīng)運(yùn)而生，尤其是懸索橋以其跨度大，造型優(yōu)美，節(jié)省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越來越小，（l/40～l/300）；安全系數(shù)也隨之下降，由以前的4～5下降為2～3。另外，由于其柔性大，頻率低，對(duì)風(fēng)的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)，世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故，給國民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。

1994年10月韓國漢城發(fā)生了橫跨漢江的圣水大橋中央斷場50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長期超負(fù)荷運(yùn)營，鋼梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。

1940年完工的主跨853m的塔可馬大橋（Tacoma Narrows），只使用了三個(gè)月，便在19m／s的風(fēng)速下造成了塌橋事故 ：1951年主跨 1280m的金門大橋于風(fēng)速 15～1520m／s時(shí)因振動(dòng)而造成橋體部分損壞，等等。

美國現(xiàn)有的約50萬座公路橋中，20萬座以上存在不同程度的損傷。1967年2月橫跨美國俄亥俄河上的銀橋突然倒塌，造成46人死于非命。

我國早期建造的斜拉橋，由于拉索的防護(hù)不合理而引起的斜拉索的嚴(yán)重銹蝕，如濟(jì)南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠(yuǎn)未達(dá)到他們的設(shè)計(jì)壽命下，被迫全部更換，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

過去十幾年里，我國已建成一批大跨度橋梁，僅上海就有南浦、楊浦和徐浦大橋等具有世界先進(jìn)水平的橋梁，另外，香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國首次建立的懸索橋，近年來我國特別是沿海地區(qū)交通發(fā)展迅速，迫切需要建立一大批大跨度橋梁。為了確保這些耗資巨大，與國計(jì)民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久，必須對(duì)這些大橋進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測。

目前，橋梁的監(jiān)測越來越受到重視，許多研究人員都在致力于橋梁的監(jiān)測研究，橋梁的安全監(jiān)測正日益成為土木工程學(xué)科中的一個(gè)非常活躍的研究方向[1,2,3]。

二、橋梁位移監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀

大跨度橋梁受風(fēng)荷載，車載，溫度和地震影響較大，而在沿海地區(qū)一般無地震，主要受臺(tái)風(fēng)，車載和溫度的影響，為保證其在上述條件下的安全運(yùn)營，必須研究橋梁在上述條件下的實(shí)際位移曲線，而目前對(duì)風(fēng)的研究僅局限于理論和模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)橋在風(fēng)作用下的研究還不充分，對(duì)車載的研究也只是在特定時(shí)間和空間下進(jìn)行。主要原因是測試儀器的不合理，對(duì)大橋不能連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的儀器主要有：經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法。

上海楊浦大橋就采用的是全站儀自動(dòng)掃描法，對(duì)各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行7s一周的連續(xù)掃描，其缺點(diǎn)是各測點(diǎn)不同步以及大變形時(shí)不可測。

位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測點(diǎn)相接觸，其缺點(diǎn)是對(duì)于難以接近點(diǎn)無法測量以及對(duì)橫向位移測量有困難。

加速度傳感器，對(duì)于低頻靜態(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對(duì)它進(jìn)行兩次積分，精度不高，也無法實(shí)時(shí)。而大型懸索橋的頻率一般都較低。

激光法測試精度較高，但在橋梁晃動(dòng)大時(shí)由于無法捕捉光點(diǎn)也無法測量。

除上述不足外，對(duì)橋梁的扭角測試也力不從心，為對(duì)橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測，必須尋找更好的測試方法。目前出現(xiàn)了利用GPS進(jìn)行測試的新手段，在橋梁高層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行實(shí)地測試[4~6]，過靜君與1996年對(duì)深圳帝王大廈，1998年對(duì)香港的青馬大橋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，特別是1999年在廣州虎門大橋進(jìn)行了實(shí)橋測試，目前已正常工作。國外的dodson，A.H，筆耕論文，1997；brown，G.J，1999也利用GPS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，獲得了成功，但在國內(nèi)利用GPS對(duì)橋梁的測試還無先例，在國外也僅限于位移監(jiān)測，利用GPS進(jìn)行動(dòng)力分析和研究橋梁在風(fēng)和車輛作用下的力學(xué)行為還不充分。下面介紹利用GPS監(jiān)測的原理和特點(diǎn)。

GPS位移監(jiān)測原理：大橋位移監(jiān)測系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即 RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實(shí)時(shí)測定大橋位移。原理見圖1。

GPS RTK差分系統(tǒng)是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成�；鶞�(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測得站點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)接收機(jī)的GPS差分信號(hào)結(jié)果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角計(jì)算，提供大橋管理部門進(jìn)行安全分析。

GPS監(jiān)測大橋位移特點(diǎn)：

（l）由于GPS是接收衛(wèi)星運(yùn)行定位，所以大橋上各點(diǎn)只要能接收到6顆以上GPS衛(wèi)星及基準(zhǔn)站傳來的GPS差分信號(hào)，即可進(jìn)行GPS RTK差分定位。各監(jiān)測站之間勿需通視，是相互獨(dú)立的觀測值。

（2）GPS定位受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測。

（3）GPS測定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測三維坐標(biāo)可自動(dòng)存入監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行大橋安全性分析。

（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可達(dá)10～20Hi速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10mm，高程為20mm。

當(dāng)然，GPS進(jìn)行橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測也存在著不足，目前僅能對(duì)變形相對(duì)較大的位移進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)于小位移還需進(jìn)一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS對(duì)其他大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

三、橋架空全監(jiān)測的理論研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)檢測手段可以對(duì)橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測。檢測的結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，但是卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是難以對(duì)橋梁的安全儲(chǔ)備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評(píng)估。此外常規(guī)的檢測技術(shù)也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前得到普遍認(rèn)同的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別，振動(dòng)理論，振動(dòng)測試技術(shù)，信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分析法。

在系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別方面目前普遍采用兩種方法：頻域法和時(shí)域法。頻域法利用所施加的激勵(lì)和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù)，然后采用諸如多項(xiàng)式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù)，由于可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對(duì)頻響函數(shù)的影響，采用頻域識(shí)別方法的精度有一定的保證，不過該法存在以下缺點(diǎn)：①基于振型不偶聯(lián)，因此，只能識(shí)別具有經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用受到限制。②需要經(jīng)過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對(duì)參數(shù)識(shí)別的影響。近來的環(huán)境脈動(dòng)法可以無須知道激勵(lì)而得到振型參數(shù)，又?jǐn)U展了該法的應(yīng)用范圍[7,8]。70年代后期出現(xiàn)的時(shí)域識(shí)別方法，彌補(bǔ)了頻域法的不足，可以用隨機(jī)或自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來識(shí)別模態(tài)參數(shù)。它們不必進(jìn)行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來的誤差。尤其是它還可以從未知隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)中得到隨機(jī)減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的唯一方法。但也存在著一些缺陷：由于在參數(shù)識(shí)別時(shí)運(yùn)用了所測信號(hào)的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號(hào)中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)及其他原因，使得其中的一些模態(tài)的信息并未被充分收集，以致只能將這些殘缺的信息看作噪聲，目前排除噪聲的方法主要有擴(kuò)階識(shí)別和最小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對(duì)橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測取得一定成果[9,10]綜上所述，時(shí)域法和頻域法均有自己的缺陷，應(yīng)尋找一種綜合時(shí)頻的方法以提高識(shí)別精度，近來出現(xiàn)的小波變換可以綜合時(shí)頻，可探討其在橋梁參數(shù)識(shí)別方面的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。