GNSS在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究

汪洋+胡繼明

【摘 要】GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）定位精度高、速度快、自動化程度高，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個部門。本文從GNSS在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢著手，與傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測方法進(jìn)行對比，通用對應(yīng)用工程案例的分析，指出該系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測方面的應(yīng)用前景廣闊，需更進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究。

【關(guān)鍵詞】GNSS；差分；健康監(jiān)測；變形監(jiān)測

1.GNSS工作原理

GNSS（Global Navigation Satellite System）即全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，最早由美國從上世紀(jì)七十年代初開始研制，到上世紀(jì)九十年代在美國軍方全面應(yīng)用。全球很多國家都開始意識到該系統(tǒng)的重要性，因此在交通運(yùn)輸﹑空間技術(shù)﹑地學(xué)研究﹑軍事等諸多領(lǐng)域展開了獨(dú)立和聯(lián)合研究。

GNSS的定位原理如下圖1所示，地面設(shè)置兩個基站，基站接受通訊衛(wèi)星的定位訊號，通過差分法進(jìn)行2個或更多個測站之間的相對定位計(jì)算，假定A點(diǎn)的坐標(biāo)確定，則B點(diǎn)的坐標(biāo)也可確定。

2. GNSS的應(yīng)用概況

GNSS自本世紀(jì)初引入國內(nèi)后開始投入民用，因測量精度高，測試速度快，在大地測量、石油勘探、工程監(jiān)測等方面得到了迅速推廣，極大地推動了這些行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

現(xiàn)有成熟的GNSS在建設(shè)工程應(yīng)用上的精密定位基本上都是以毫米級精度（在數(shù)公里的短邊上）。目前國內(nèi)工程測量中使用的常規(guī)GNSS設(shè)備，平差后控制點(diǎn)的平面位置精度為1～2mm，高程精度為2～3mm。在大地測量中的精度可以控制在10mm以內(nèi)。

GNSS除了硬件設(shè)備精度外，還須有較強(qiáng)的軟件支撐，目前國內(nèi)比較有名的如HCmonitor系統(tǒng)等，利用卡爾曼濾波的載波相位三差解的解算模式，可以實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，并自動生成相應(yīng)的圖形和表格數(shù)據(jù)。

3.GNSS在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

橋梁是交通工程中的一個重要組成部分，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多大型橋梁開始向大跨度和輕盈性方向發(fā)展，追求美觀的同時，橋梁結(jié)構(gòu)的變形越來越大，而作為橋梁正常運(yùn)營的重要指標(biāo)，結(jié)構(gòu)位移的大小在橋梁設(shè)計(jì)和運(yùn)維中日益受到重視，稱為監(jiān)測的一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structure Health Monitoring）可以有效反映橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀況，提供橋梁的健康狀況及預(yù)警，而通常橋梁健康監(jiān)測必須依賴相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由前端的傳感器和采集儀加上后端的數(shù)據(jù)存儲和分析設(shè)備構(gòu)成，主要對橋梁在日常使用狀態(tài)下的應(yīng)力、位移和加速度進(jìn)行采集分析，從而得出對橋梁健康狀態(tài)的評價[1]。

其中位移（變形）的監(jiān)測是重點(diǎn)，然而， 現(xiàn)在采用的常規(guī)方法存在諸多限制和不便。如最常用的位移計(jì)就存在以下缺點(diǎn)：

（1）測點(diǎn)的同步性不好；

（2）大變形比較難以測量；

（3）傳感器數(shù)據(jù)精度易受天氣影響；

（4）測站的可維護(hù)性較差。

相比之下，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行變形監(jiān)測具有顯著的優(yōu)勢，其優(yōu)點(diǎn)可概括如下：

（1）不受氣候的影響，可實(shí)現(xiàn)全天候、不間斷的三維高精度測量；

（2）量程大，可維護(hù)性好；

（3）觀測距離幾乎不受限制；

（4）延遲短、實(shí)時性強(qiáng)，且各測點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)同步測量。

從國內(nèi)外的有關(guān)研究和應(yīng)用可以看出GNSS是一個非常有效的橋梁監(jiān)測技術(shù)，尤其是在變形監(jiān)測方面，當(dāng)然因?yàn)闃蛄罕O(jiān)測的復(fù)雜性，單純使用GNSS不能完全滿足整體結(jié)構(gòu)監(jiān)測的需要，因此與其他傳感器聯(lián)合使用，采用通用性更強(qiáng)的信號接收系統(tǒng)，并把GNSS的數(shù)據(jù)分析納入整體的結(jié)構(gòu)損傷分析中是GNSS在橋梁健康監(jiān)測應(yīng)用的主導(dǎo)方向。

4.GNSS在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)有的基于GNSS的變形監(jiān)測體系，不僅精度高，而且能監(jiān)測瞬時變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)的自動處理，并且能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類輸出和圖形化輸出，直觀性更強(qiáng)，結(jié)合后臺的專家系統(tǒng)，還可以及時發(fā)現(xiàn)存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做出判斷，從而確保橋梁的安全。另一方面也為數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

目前，隨著GNSS技術(shù)的不斷成熟，采用GNSS技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于世界各地。不僅在英國Humber橋、日本明石海峽大橋、廣州虎門大橋等特大型橋梁上使用，而且在諸如寧波福明路鐵路跨線橋等中小跨徑橋梁上開始使用。盡管監(jiān)測原理相同，但兩類不同橋梁在監(jiān)測方案的規(guī)劃及傳感器的布置上還是有一些差異[3]。

4.1英國Humber橋的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)[4]

英國的Humber懸索橋全長2220米，主跨1410米，南跨530米，北跨280米（圖2）。監(jiān)測系統(tǒng)由英國諾丁漢大學(xué)設(shè)計(jì)，使用了2臺雙頻GNSS接收機(jī)，配合了相關(guān)的加速度傳感器和力傳感器，在監(jiān)測位移的同時監(jiān)測橋面加速度和懸索的索力。該系統(tǒng)以2Hz頻率采樣，分別測量了中跨1/2、邊跨1/2和支撐塔頂?shù)奈灰啤ｉL期監(jiān)測的結(jié)果顯示橋面垂直位移最大為40cm，大多數(shù)時間位移量為15cm左右，橋面橫向位移最大為14cm，塔頂縱向位移1～2cm，橫向0.5～1cm。

為了驗(yàn)證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，英國Bmnel大學(xué)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。本次試驗(yàn)動用5輛貨車，進(jìn)行了若干動、靜載試驗(yàn)。結(jié)果表明，GNSS測量的三維位移結(jié)果與該橋的有限元模型的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。

4.2寧波福明路鐵路跨線橋的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)

寧波市福明路鐵路跨線橋是寧波鐵路東站的一座跨線斜拉橋，是寧波首座陸地斜拉橋，該橋?yàn)橐宦?lián)雙塔雙索面斜拉橋。大橋主塔為兩個A型塔，高74米，橋長420米，寬34.5米，雙向六車道設(shè)計(jì)。其中，主橋上跨鐵路寧波東站23股鐵道線，其中16股有高壓接觸網(wǎng)和3個站臺，如圖3所示。

大橋從設(shè)計(jì)之初即考慮了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)控兩個塔頂和主要跨中的水平及縱向位移，此外還監(jiān)測橋面的加速度和斜拉索索力。GNSS監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)置了4個測站，其中主橋塔頂布設(shè)2個，主橋梁部2個（分別為主跨1/2處、1/4處）。

該橋自2013年1月1日通車以來運(yùn)行良好，監(jiān)測顯示橋梁的最大位移均未超過設(shè)計(jì)要求，GNSS的連續(xù)工作性能得到了驗(yàn)證。

5.總結(jié)

從國內(nèi)外的有關(guān)研究和應(yīng)用可以看出GNSS是一個非常有效的橋梁監(jiān)測技術(shù)，GNSS與其它傳感器結(jié)合用于橋梁健康監(jiān)測已形成了趨勢。目前大部分的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)做到數(shù)據(jù)自動傳輸、自動解算處理、準(zhǔn)實(shí)時測量結(jié)果和測量結(jié)果圖形演示。

GNSS技術(shù)在不斷改善，我們可以預(yù)計(jì)GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)將不斷改進(jìn)，尤其是中小跨徑橋梁在該技術(shù)的幫助下也能得到很好的監(jiān)測，為保障人民的生命財(cái)產(chǎn)提供了有力的支撐。隨著我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，我們可以期待GNSS技術(shù)在現(xiàn)代智慧城市的建設(shè)中將發(fā)揮出無可比擬的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]安慶，吳樹森， 張婷婷.橋梁GNSS監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)與信號測試分析探討.[J].科技資訊， 2016，14（20）：49-50.

[2]袁萬城， 崔飛， 張啟偉. 橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展.[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1999， 27（2）：4.

[3] 崔飛，袁萬城，史家鈞.傳感器優(yōu)化布設(shè)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用.[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27（ 2）：165-169.

[4] Myroll F， Dibiagio E. Instrumentation for monitoring the Skarnsunder Cable-stayed Bridge. In： Jon Krokeborg ， ed. Proceedings of the Third Symposium on Strait Crossing. Rotterdam： Balkema， 1994.207～ 215.

注：寧波市智團(tuán)創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（鄞科【2016】68號） 。endprint