基于GNSS和RTS技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

余加勇

湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082

基于GNSS和RTS技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

余加勇

湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082

動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和自動(dòng)型全站儀(RTS)是目前獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形信息的兩種主要技術(shù)手段。本文以英國(guó)諾丁漢Wilford懸索橋和長(zhǎng)沙三汊磯湘江大橋?yàn)樵囼?yàn)研究對(duì)象,對(duì)GNSS和RTS傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)噪聲特性、多傳感器集成、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分、數(shù)據(jù)濾波、有限元建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。論文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:

(1)分析了GNSS和RTS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的測(cè)量誤差來源及其特性,提出了削弱各項(xiàng)誤差及提高監(jiān)測(cè)精度的措施。在GNSS測(cè)量中,采用誤差改正模型法或觀測(cè)值求差法修正電離層和對(duì)流層延遲誤差;采用觀測(cè)值求差法修正衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差和接收機(jī)位置誤差;采用濾波降噪法修正多路徑誤差和儀器內(nèi)部測(cè)量誤差。在RTS測(cè)量中,采用目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)降低照準(zhǔn)誤差;采用校準(zhǔn)方法降低儀器軸線誤差;采用濾波降噪法削弱傳感器背景噪聲。另外,分析了中國(guó)區(qū)域GPS/Galileo組合導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何精度因子,以預(yù)報(bào)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)精度。

(2)研究了集成GNSS和加速度計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)方法。提出了GNSS多模式數(shù)據(jù)采集方法,設(shè)計(jì)了結(jié)合最小均方差自適應(yīng)濾波和切比雪夫高通濾波的多模式自適應(yīng)濾波器(multimode adaptive filter,MAF),同步獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分和后處理動(dòng)態(tài)差分共3種解算模式的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果。設(shè)計(jì)了精密時(shí)間數(shù)據(jù)采集器(precise time data logger,PTDL)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝裝置,實(shí)現(xiàn)GNSS與加速度計(jì)傳感器的時(shí)間同步和豎軸同軸。以英國(guó)諾丁漢Wilford懸索橋?yàn)樵囼?yàn)研究對(duì)象,采用上述的多模式數(shù)據(jù)采集和MAF濾波方法,監(jiān)測(cè)該橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),識(shí)別出亞毫米級(jí)精度的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移,以及兩類傳感器結(jié)果完全吻合的模態(tài)頻率。

(3)研究了集成RTS和加速度計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)方法。設(shè)計(jì)了RTS和加速度計(jì)傳感器聯(lián)合安裝系統(tǒng),確保各傳感器軸線平行或重合;建立了RTS傳感器動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的規(guī)范化流程,完成了數(shù)據(jù)修復(fù)、坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)位移分解和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析;提出了RTS和加速度計(jì)聯(lián)合監(jiān)測(cè),以解決RTS傳感器對(duì)高頻信號(hào)敏感度低的問題。以英國(guó)諾丁漢Wilford懸索橋?yàn)樵囼?yàn)研究對(duì)象,采用RTS和加速度計(jì)聯(lián)合監(jiān)測(cè)方法,監(jiān)測(cè)該橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移,識(shí)別出亞毫米級(jí)精度的橋梁結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)位移和動(dòng)態(tài)位移,以及誤差小于1.8%的模態(tài)頻率。

(4)研究了基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的GNSS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)方法。進(jìn)行了模擬和實(shí)橋試驗(yàn),分析了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的噪聲特性。根據(jù)其噪聲特性設(shè)計(jì)了用于振動(dòng)位移及頻率識(shí)別的小波數(shù)據(jù)處理方案,論證了該技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的可行性。該方法不需要建立獨(dú)立的基準(zhǔn)站,可降低監(jiān)測(cè)成本,達(dá)到傳統(tǒng)GNSS解算方法的測(cè)量精度。

(5)對(duì)長(zhǎng)沙三汊磯湘江大橋進(jìn)行了有限元建模分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料特性等參數(shù),采用MIDAS/Civil軟件建立該懸索橋有限元模型。通過橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)計(jì)算及模態(tài)分析,掌握大橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。采用RTS、加速度計(jì)等技術(shù)監(jiān)測(cè)交通荷載激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),并重點(diǎn)分析了重車荷載通過橋面時(shí)主梁最大豎向撓度。根據(jù)不同工況中RTS傳感器的測(cè)量精度,采用最小二乘曲線擬合方法建立RTS動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的經(jīng)驗(yàn)公式。

GNSS and RTS Technologies Based Structural Health Monitoring of Bridges

YU Jiayong
College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China

Jiayong(1976—),male,lecturer,

his doctoral degree from Hunan University on January 2015, majors in deformation monitorings and vibration parameter identifications of civil engineerings.

P258

D

1001-1595(2015)10-1177-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(50908083)

2015-01-06

余加勇(1976—),男,講師,2015年1月于湖南大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師:邵旭東教授、孟曉林教授),研究方向?yàn)橥聊竟こ探Y(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與振動(dòng)參數(shù)識(shí)別。

YU Jiayong.GNSS and RTS Technologies Based Structural Health Monitoring of Bridges[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2015,44(10):1177.(余加勇.基于GNSS和RTS技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2015,44(10):1177.)

10.11947/j.AGCS.2015.20150017

E-mail:jiayongyu＠gmail.com