用GPS進(jìn)行大型橋梁撓度變形觀測的數(shù)據(jù)處理與分析

王曉智

中鐵大橋局一公司測繪分公司，河南 鄭州 450053

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，路橋工程作為基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要組成部分得到了迅猛的發(fā)展，橋梁作為路橋工程的一個(gè)重要組成部分也有了很大的進(jìn)展，我國在近幾年已經(jīng)建造了大量的具有國際水平的大型橋梁，一些新的橋型也不斷出現(xiàn)（如斜拉橋、懸索橋等）。由于這些新建的大跨徑橋梁投資高，構(gòu)件復(fù)雜，更換困難，因此，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，提高橋梁設(shè)計(jì)水平，以確保橋梁處于良好的運(yùn)營狀態(tài)，在竣工驗(yàn)收時(shí)，需對橋梁要進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測定橋梁控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力和撓度變形，為橋梁整體性能狀態(tài)作一次全面的鑒定。

大型橋梁的工作性能狀態(tài)一般采用靜動(dòng)載試驗(yàn)方式進(jìn)行，其主要目的是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，了解橋梁結(jié)構(gòu)在各種作用力下的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況，評價(jià)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和在設(shè)計(jì)荷載作用下的工作性能，判別已建橋梁是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或能否滿足使用要求。同時(shí)，通過對靜動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以驗(yàn)證橋梁承載設(shè)計(jì)的合理性，以豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為其它類似工程提供依據(jù)。

某長江公路大橋是由特大型懸索橋、斜拉橋組成，是一座組合橋梁，作為我國建橋史上規(guī)?？涨暗奶卮笮蜆蛄?，對其建設(shè)和運(yùn)營期間的健康監(jiān)測、診斷以及各種災(zāi)害影響下的損傷預(yù)測和損傷評估，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，這也是進(jìn)行靜載試驗(yàn)的主要目的。

1 研究現(xiàn)狀

目前，在區(qū)域性變形監(jiān)測方面，GPS已成為主要的技術(shù)手段之一。在我國，北京、天津上海已經(jīng)建立了GPS地表沉降觀測網(wǎng)，長江三峽庫區(qū)建立了滑坡GPS監(jiān)測網(wǎng)，建立了隔河巖大壩外觀GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。為了說明GPS用于工程變形監(jiān)測的可行性，原武漢測繪科技大學(xué)應(yīng)用GPS對大型工程建筑物也已開展了動(dòng)態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)與測定，測試結(jié)果表明，只要采取一定的措施，利用GPS技術(shù)進(jìn)行各種工程變形監(jiān)測是可行的。

從文獻(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用來看，GPS用于大型橋梁變形監(jiān)測在國內(nèi)已經(jīng)有比較成熟的運(yùn)用，1995年6月武漢長江二橋?qū)嵤┝送ㄜ囲o動(dòng)載試驗(yàn)；廣州虎門大橋用GPS進(jìn)行了變形監(jiān)測，香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋也才用GPS進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測工作；2003年8月廣州大橋主橋進(jìn)行了GPS靜載試驗(yàn)等等。

2 研究意義和內(nèi)容

目前，橋梁撓度變形觀測的方法常見的有：簡易撓度計(jì)法、撓度儀法、百分表法、連通管法、傾角儀法、水準(zhǔn)儀法、全站儀法等。這幾種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、精度可靠、可以多點(diǎn)檢測，但都具有準(zhǔn)備工作時(shí)間過長，人力、物力耗費(fèi)大，布測程序繁雜等缺點(diǎn)。利用GPS空間定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測能同時(shí)測定點(diǎn)的三維位移，觀測時(shí)測站間無需保持通視，變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)自由、方便，可以進(jìn)行全天候觀測，能消除或減弱系統(tǒng)誤差的影響，因此成為變形監(jiān)測中的一種新的有效手段。

本文研究的意義在于通過采用周期性GPS變形監(jiān)測作業(yè)方式對變形體開展GPS觀測時(shí)段的設(shè)計(jì)、圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、監(jiān)測周期設(shè)計(jì)方面做一些探討，并將GPS變形觀測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)手段獲取的變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，獲得一批有益的結(jié)論，探求利用GPS技術(shù)進(jìn)行工程變形監(jiān)測的新思路。

3 GPS靜載試驗(yàn)撓度變形觀測實(shí)施方案

3.1 GPS觀測點(diǎn)位布設(shè)

點(diǎn)位的具體布設(shè)情況如下：

1）第一組點(diǎn)：大橋的南、北橋墩頂中部各布設(shè)一個(gè)點(diǎn)；

2）第二組點(diǎn)：在距離南橋墩的第22根吊桿處（3L/4跨），橋面左右兩側(cè)對稱布設(shè)兩個(gè)點(diǎn)；

3）第三組點(diǎn)：在離懸中（1/2跨）附近，即距離南橋墩的第44根吊桿處，橋面左右兩側(cè)對稱布設(shè)2個(gè)點(diǎn)；

4）第四組點(diǎn)：在距離北橋墩的第22根吊桿處（L/4跨），橋面左右兩側(cè)對稱布設(shè)兩個(gè)點(diǎn)；

5）基站控制點(diǎn)：在大橋的附近選擇一個(gè)固定的GPS控制點(diǎn)，作為本次觀測的GPS基站控制點(diǎn)。

總計(jì)9個(gè)GPS點(diǎn)位，具體分布如圖1所示：

圖1

3.2 儀器設(shè)備及人員

本次試驗(yàn)共安排9臺(tái)套GPS接收機(jī)，每套的接收機(jī)都有自備的電池，可以確保供電時(shí)間不少于6h。每臺(tái)GPS接收機(jī)由一名專人負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。進(jìn)場前GPS接收機(jī)都已調(diào)試好，人員也已熟悉了測試過程中的各工況。試驗(yàn)過程中根據(jù)動(dòng)、靜載測試過程，分時(shí)段記錄各GPS點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)。

3.3 測試方法

3.3.1 測定GPS點(diǎn)位的初始坐標(biāo)值

在車隊(duì)進(jìn)入橋面前，以GPS靜態(tài)測量的方式測定各點(diǎn)的初始三維坐標(biāo)值，同步觀測時(shí)間為15～20min。

3.3.2 靜態(tài)條件下的測試

1）當(dāng)車隊(duì)中部通過第二組測試點(diǎn)位后，橋梁經(jīng)過10～15min的穩(wěn)定后，在橋面的8臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)開始記錄數(shù)據(jù)。采集時(shí)間為10～15min，數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)機(jī)。

2）當(dāng)車隊(duì)中部通過第三組測試點(diǎn)位后，橋梁經(jīng)過10～15min的穩(wěn)定后，在橋面的8臺(tái)GPS接收機(jī)重新開機(jī)并開始記錄數(shù)據(jù)。采集時(shí)間為10～5min，數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)機(jī)。

3）當(dāng)車隊(duì)中部通過第四組測試點(diǎn)位后，橋梁經(jīng)過10～15min的穩(wěn)定后，在橋面的8臺(tái)GPS接收機(jī)重新開機(jī)并開始記錄數(shù)據(jù)。采集時(shí)間為10～5min，數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)機(jī)。

測試過程中需要量取橋面點(diǎn)位到GPS天線中心的儀器高，精確到0.1mm。

3.4 外業(yè)測量實(shí)施

由于目前尚沒有制定橋梁工程的GPS測量技術(shù)規(guī)范，為保證控制網(wǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)精度，外業(yè)測量作業(yè)依據(jù)《全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)規(guī)范》E級精度要求實(shí)施。

外業(yè)共觀測了10個(gè)時(shí)段，每個(gè)點(diǎn)的平均設(shè)站率大于3，網(wǎng)中每個(gè)點(diǎn)發(fā)出的基線數(shù)目至少為6，因此網(wǎng)形具有很好的可靠性，圖形強(qiáng)度比較大。每個(gè)時(shí)段觀測的時(shí)間為15分鐘左右，采樣間隔為15s，衛(wèi)星高度角為20°，每個(gè)時(shí)段觀測衛(wèi)星數(shù)≥5，PDOP＜5。GPS外業(yè)觀測的測站點(diǎn)分布如下圖2，圖3：

圖2

圖3

4 GPS觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比及分析

利用南方GPS數(shù)據(jù)處理軟件對各種加載情況下的橋梁撓度觀測值進(jìn)行解算后，為了檢核成果，我們和全站儀測量的結(jié)果做了對比見表1～表4。

理論計(jì)算模型的幾何尺寸和有關(guān)參數(shù)按設(shè)計(jì)文件取用，加載量按現(xiàn)場實(shí)際加載的大小和位置進(jìn)行計(jì)算。其中4個(gè)工況的GPS實(shí)測值和全站儀的實(shí)測值與理論計(jì)算值的比較結(jié)果見表1。由表1可以看出，GPS實(shí)測值與全站儀的實(shí)測值和理論計(jì)算值還是基本吻合的，說明了GPS用于大型橋梁撓度變形觀測是可行的。

表1 主梁豎向撓度－GPS、全站儀檢測結(jié)果與理論計(jì)算值的對照表（單位：m）

其余部分工況的GPS實(shí)測值和全站儀的實(shí)測值比較見表2～表 4。

5 結(jié)論

1）從上面的GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果和變形曲線與全站儀和理論值的比較結(jié)果來看，采用GPS進(jìn)行懸索橋撓度變形監(jiān)測，當(dāng)滿足GPS技術(shù)的觀測條件的要求時(shí)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┦悄軌驖M足監(jiān)測的需要的。而且，在數(shù)據(jù)的處理過程中還可以采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行人工干預(yù)的方式，提高基線解算的質(zhì)量。

2）再者，橋面上往往觀測條件不好，試驗(yàn)時(shí)的監(jiān)測任務(wù)又比較急，采用傳統(tǒng)的測量方法實(shí)測一般工作量較大，時(shí)間較長，而GPS則以其精度高、速度快、經(jīng)濟(jì)方便在今后應(yīng)當(dāng)?shù)玫綇V泛的應(yīng)用，而目前用GPS+全站儀的模式進(jìn)行撓度變形監(jiān)測一種行之有效的方式。

3）應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行懸索橋等特大型橋梁的監(jiān)測，這在國內(nèi)已不是首次。武漢長江二橋于1995年6月實(shí)施通車靜動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，采用加速度計(jì)按照環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)方法，對正橋主跨自振特性進(jìn)行了測試。其豎向彎曲基振頻率的實(shí)測值與GPS

表2

表3

表4

試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，也很接近于理論計(jì)算值，表明應(yīng)用動(dòng)態(tài)GPS監(jiān)測大型橋梁的動(dòng)態(tài)特性是可行的，為橋梁監(jiān)測提供了一種新的、有效的測量手段。

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