某橋梁GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汪洋+徐景景

【摘 要】GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）目前已廣泛應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)中的變形監(jiān)測(cè)，對(duì)橋梁的安全運(yùn)營起到了重要作用，本文通過對(duì)一座橋梁的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在軟硬件的總體規(guī)劃布置及輔助支持方面探討了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的方面，為進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究提供有益的幫助。

【關(guān)鍵詞】GNSS；變形監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.GNSS工作原理及應(yīng)用

GNSS即全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）。是由27至32顆衛(wèi)星組成的通訊網(wǎng)絡(luò)，分布在6個(gè)軌道面上，配合地面上的信號(hào)接收及發(fā)射裝置，可對(duì)地球上任意位置進(jìn)行瞬時(shí)的定位。

該系統(tǒng)具有定位速度快﹑精度高﹑全天候﹑費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，近年來在全球的各個(gè)領(lǐng)域都得到了極大的應(yīng)用。目前在我國該系統(tǒng)的應(yīng)用也是十分迅速全面，據(jù)統(tǒng)計(jì)近年來我國引進(jìn)的測(cè)量型GNSS接收機(jī)的數(shù)量已超過數(shù)千臺(tái)。GNSS在大型土木工程上的應(yīng)用開始于上世紀(jì)90年代，應(yīng)用之初由于定位精度的原因主要還是在水利水電工程居多[1]，隨著其精密定位上升到毫米級(jí)精度（在數(shù)公里的短邊上），為更為嚴(yán)格的工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)提供了條件。尤其是在大型工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)方面得到極大的應(yīng)用[2]。

2.GNSS在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)的安全問題越來越受到重視，橋梁作為交通工程中的樞紐，其安全性就顯得尤為重要，為保證橋梁的營運(yùn)安裝，為在役橋梁裝備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為現(xiàn)在橋梁工程應(yīng)用的一個(gè)研究熱點(diǎn)。利用GNSS系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，不僅量程大，同步性較好，而且對(duì)于氣候的抗干擾能力更強(qiáng)。

因此，隨著GNSS技術(shù)的不斷成熟，應(yīng)用GNSS技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的橋梁工程也越來越多。例如：英國Humber橋、日本明石海峽大橋、虎門大橋、青馬大橋、東海大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋等等。

3.某橋梁GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所涉橋梁為一聯(lián)雙塔雙索面斜拉橋，是一座陸地跨線橋。大橋主塔為兩個(gè)A型塔，高85米，橋長(zhǎng)502米，寬36.5米，雙向六車道設(shè)計(jì)。

該橋梁設(shè)計(jì)之初即考慮了布設(shè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)采用GNSS系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用先進(jìn)的GNSS技術(shù)，通過專業(yè)的監(jiān)測(cè)軟件及結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析等長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維變形，并與其他如應(yīng)力、加速度監(jiān)測(cè)結(jié)合，使橋梁運(yùn)營管理者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并掌控大橋的安全使用狀態(tài)，為橋梁的健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估管理提供科學(xué)的手段和方法。[3]

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和依據(jù)

由于橋梁在運(yùn)營期間會(huì)受到氣候、氧化、腐蝕或老化等多種因素的影響，包括在荷載長(zhǎng)期作用或偶發(fā)事故的作用也會(huì)產(chǎn)生損傷和剛度退變，這些變化都會(huì)反應(yīng)在日常變形的變化中，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是采用GNSS技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的空間位移，借此研究橋梁的變形情況，尤其是和受力及氣候變化相關(guān)的變形情況，這樣可為橋梁的結(jié)構(gòu)健康與安全狀況分析提供可靠數(shù)據(jù)支持。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為橋梁長(zhǎng)期運(yùn)營的需要，在設(shè)計(jì)之初既要考慮系統(tǒng)的完備性和可行性，也要遵循堅(jiān)固耐久和經(jīng)濟(jì)適用的原則。

GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造有一套成熟且操作性較強(qiáng)的相關(guān)國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)支撐，本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所引用的部分技術(shù)規(guī)范參見表1。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架

3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.3.1基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)。

該橋GNSS實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參考站選址由設(shè)計(jì)方根據(jù)實(shí)際情況指定，參考站數(shù)量為一個(gè)。具體位置經(jīng)實(shí)地信號(hào)測(cè)定后確認(rèn)，但是參考站位置條件必須滿足下面條件：

（1）場(chǎng)地穩(wěn)固，最好有穩(wěn)定基巖或打樁；

（2）接收器接收范圍內(nèi)障礙物的高度與監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的角度不宜超過15°；

（3）遠(yuǎn)離干擾，如大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線等，與干擾源之間的距離不得小于50m；

（4）盡量采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，如沒有條件，則網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)方便；

（5）觀測(cè)標(biāo)志應(yīng)避免較大振動(dòng)，遠(yuǎn)離機(jī)械、車輛等振動(dòng)源。

3.3.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。

根據(jù)大橋的情況，在主橋塔頂布設(shè)2個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)站，分別為北塔塔頂1個(gè)，南塔塔頂1個(gè)；主橋梁部2個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)站，分別為主跨1/2處、1/4處。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用立柱式安置方案

3.3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

根據(jù)該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)要求，GNSS軟件部分共分三個(gè)模塊：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：具備數(shù)據(jù)采集、傳輸和本地存儲(chǔ)的功能；

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：完成本地?cái)?shù)據(jù)接收、控制、異地?cái)?shù)據(jù)處理、顯示、評(píng)估等工作；

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理工作。

3.3.4輔助支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)。[4]

3.3.4.1雷電防護(hù)系統(tǒng)

直擊雷防護(hù)

本GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基準(zhǔn)站和橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要架設(shè)獨(dú)立避雷針，南北塔可以利用大橋現(xiàn)有直接雷防護(hù)系統(tǒng)。安裝避雷針要求避雷針與天線橫向距離不小于3m，避雷針高度按照“滾球法”確定，粗略計(jì)算可以按照45度角考慮。同時(shí)做好接地網(wǎng)。

電涌防護(hù)

監(jiān)測(cè)站內(nèi)設(shè)備必須加裝電力線電涌防護(hù)設(shè)備，通信線（數(shù)據(jù)線）電涌防護(hù)設(shè)備、射頻線電涌防護(hù)設(shè)備

3.3.4.2外場(chǎng)機(jī)柜

根據(jù)本系統(tǒng)的布設(shè)以及便于保護(hù)、安裝、維護(hù)等原則，大橋監(jiān)測(cè)站設(shè)置四個(gè)在橋梁結(jié)合處箱梁里機(jī)柜。機(jī)柜位置的擺放，既要考慮GNSS天線電纜長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，避免GNSS信號(hào)過度損耗。同時(shí)又要將機(jī)柜放置在基準(zhǔn)站觀測(cè)墩附近以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。外場(chǎng)機(jī)柜的設(shè)計(jì)要滿足以下要求：

（1）材料必須采用不銹鋼；

（2）機(jī)柜分為上下兩層，中間用隔板隔開，目的是要把強(qiáng)電和弱電隔開；

（3）機(jī)柜要預(yù)留通線孔。

3.3.4.3綜合布線

考慮系統(tǒng)的耐久性及可靠性，電纜及各連接線布設(shè)應(yīng)滿足以下要求：

（1）GNSS天線電纜室外部分必須穿PVC管或蛇皮管到達(dá)GNSS天線；

（2）電纜從天線接下后，埋入地表下入室；

（3）不允許有小于90°扭折

（4）塔頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)電纜沿走線槽布設(shè)，但必須間隔3米有一個(gè)捆扎；

（5）各接插口要插緊，同時(shí)用扎帶或絕緣膠帶固定。

4.結(jié)論

GNSS系統(tǒng)因其精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)在橋梁變形監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的推廣應(yīng)用，本文根據(jù)目前常用的GNSS設(shè)備以一個(gè)實(shí)際工程為背景，構(gòu)建了一個(gè)GNSS的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際模擬實(shí)測(cè)，完全能滿足工程變形監(jiān)測(cè)的需要，可供類似工程參考。

參考文獻(xiàn)

[1]史曉萍. GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用. [J]. 山西建筑，2017，43（9）：196-197

[2]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）：1177-1180

[3]陳聰，顧鐵，劉江.GNSS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與初步實(shí)現(xiàn).[J].四川地震，2016（2）：31-33

[4]張慶斌. GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用. [J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2016（22）：292-294

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