某橋梁GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)的設計

汪 洋 徐景景 / .寧波恒瑋監(jiān)測科技有限公司.寧波鄞州區(qū)首南街道辦事處

某橋梁GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)的設計

汪 洋1徐景景2/ 1.寧波恒瑋監(jiān)測科技有限公司2.寧波鄞州區(qū)首南街道辦事處

GNSS（全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）目前已廣泛應用于橋梁健康監(jiān)測中的變形監(jiān)測，對橋梁的安全運營起到了重要作用，本文通過對一座橋梁的變形監(jiān)測系統(tǒng)設計，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)設計中需要注意的方面，為進一步加強這方面的研究提供有益的幫助。

GNSS；變形監(jiān)測；系統(tǒng)設計

1.GNSS工作原理及應用

GNSS即全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）。是由27至32顆衛(wèi)星組成的通訊網絡，分布在6個軌道面上，配合地面上的信號接收及發(fā)射裝置，可對地球上任意位置進行瞬時的定位。

該系統(tǒng)具有定位速度快﹑精度高﹑全天候﹑費用較低等優(yōu)點，近年來在全球的各個領域都得到了極大的應用。目前在我國該系統(tǒng)的應用也是十分迅速全面，據(jù)統(tǒng)計近年來我國引進的測量型GNSS接收機的數(shù)量已超過數(shù)千臺。GNSS在大型土木工程上的應用開始于上世紀90年代，應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精度（在數(shù)公里的短邊上），為更為嚴格的工程測量及變形監(jiān)測提供了條件。尤其是在大型工程結構的健康監(jiān)測方面得到極大的應用[2]。

2.GNSS在橋梁變形監(jiān)測中的應用

隨著國民經濟的發(fā)展,工程結構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，為保證橋梁的營運安裝，為在役橋梁裝備安全監(jiān)測系統(tǒng)成為現(xiàn)在橋梁工程應用的一個研究熱點。利用GNSS系統(tǒng)進行變形監(jiān)測，不僅量程大，同步性較好，而且對于氣候的抗干擾能力更強。

因此，隨著GNSS技術的不斷成熟，應用GNSS技術進行變形監(jiān)測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、潤揚大橋等等。

3.某橋梁GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)的設計

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A型塔，高85米，橋長502米，寬36.5米，雙向六車道設計。

該橋梁設計之初即考慮了布設健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中實時變形監(jiān)測采用GNSS系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用先進的GNSS技術，通過專業(yè)的監(jiān)測軟件及結合計算機技術、現(xiàn)代通訊技術、橋梁結構計算分析等長期實時在線反映監(jiān)測點的三維變形，并與其他如應力、加速度監(jiān)測結合，使橋梁運營管理者可以實時監(jiān)測并掌控大橋的安全使用狀態(tài)，為橋梁的健康監(jiān)測和狀態(tài)評估管理提供科學的手段和方法。[3]

3.1 系統(tǒng)設計目的和依據(jù)

由于橋梁在運營期間會受到氣候、氧化、腐蝕或老化等多種因素的影響，包括在荷載長期作用或偶發(fā)事故的作用也會產生損傷和剛度退變，這些變化都會反應在日常變形的變化中，因此本系統(tǒng)的設計目的是采用GNSS技術實時監(jiān)測大橋的空間位移，借此研究橋梁的變形情況，尤其是和受力及氣候變化相關的變形情況，這樣可為橋梁的結構健康與安全狀況分析提供可靠數(shù)據(jù)支持。本監(jiān)測系統(tǒng)作為橋梁長期運營的需要，在設計之初既要考慮系統(tǒng)的完備性和可行性，也要遵循堅固耐久和經濟適用的原則。

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)設計和建造有一套成熟且操作性較強的相關國家規(guī)范和標準支撐，本套系統(tǒng)設計中所引用的部分技術規(guī)范參見表1。

表1 GNSS系統(tǒng)參照執(zhí)行的規(guī)范標準

3.2 系統(tǒng)設計的總體框架

圖1 GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)總體拓撲結構圖

3.3 系統(tǒng)設計方案

3.3.1 基準點布設。

該橋GNSS實時變形監(jiān)測系統(tǒng)的參考站選址由設計方根據(jù)實際情況指定，參考站數(shù)量為一個。具體位置經實地信號測定后確認，但是參考站位置條件必須滿足下面條件：

（1）場地穩(wěn)固，最好有穩(wěn)定基巖或打樁；

（2）接收器接收范圍內障礙物的高度與監(jiān)測設備之間的角度不宜超過15°；

（3）遠離干擾，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，則網絡連接應方便；

（5）觀測標志應避免較大振動，遠離機械、車輛等振動源。

3.3.2 監(jiān)測點布設。

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

圖2 監(jiān)測點立桿示意圖

3.3.3 系統(tǒng)軟件設計。

根據(jù)該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)實時變形監(jiān)測要求，GNSS軟件部分共分三個模塊：

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

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：完成本地數(shù)據(jù)接收、控制、異地數(shù)據(jù)處理、顯示、評估等工作；

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

圖3 系統(tǒng)控制軟件示意圖

3.3.4 輔助支持系統(tǒng)設計。[4]

3.3.4.1 雷電防護系統(tǒng)

直擊雷防護

本GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，基準站和橋面監(jiān)測點需要架設獨立避雷針，南北塔可以利用大橋現(xiàn)有直接雷防護系統(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，粗略計算可以按照45度角考慮。同時做好接地網。

電涌防護

監(jiān)測站內設備必須加裝電力線電涌防護設備，通信線（數(shù)據(jù)線）電涌防護設備、射頻線電涌防護設備

3.3.4.2 外場機柜

根據(jù)本系統(tǒng)的布設以及便于保護、安裝、維護等原則，大橋監(jiān)測站設置四個在橋梁結合處箱梁里機柜。機柜位置的擺放，既要考慮GNSS天線電纜長度不宜過長，避免GNSS信號過度損耗。同時又要將機柜放置在基準站觀測墩附近以保證信號的穩(wěn)定性。外場機柜的設計要滿足以下要求：

（1）材料必須采用不銹鋼；

（2）機柜分為上下兩層，中間用隔板隔開，目的是要把強電和弱電隔開；

（3）機柜要預留通線孔。

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應滿足以下要求：

（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)測點電纜沿走線槽布設，但必須間隔3米有一個捆扎；

（5）各接插口要插緊，同時用扎帶或絕緣膠帶固定。

4.結論

GNSS系統(tǒng)因其精度高，實時性強，信號穩(wěn)定等優(yōu)勢在橋梁變形監(jiān)測中得到了廣泛的推廣應用，本文根據(jù)目前常用的GNSS設備以一個實際工程為背景，構建了一個GNSS的變形監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)經實際模擬實測，完全能滿足工程變形監(jiān)測的需要，可供類似工程參考。

[1]史曉萍.GNSS實時監(jiān)測系統(tǒng)在變形監(jiān)測中的應用.[J].山西建筑，2017，43（9）：196-197

[2]余加勇.基于GNSS和RTS技術的橋梁結構健康監(jiān)測.[J].測繪學報，2015，44（10）：1177-1180

[3]陳聰，顧鐵，劉江.GNSS動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)的設計與初步實現(xiàn).[J].四川地震，2016（2）：31-33

[4]張慶斌.GNSS技術在變形監(jiān)測中的應用.[J].科技創(chuàng)新與應用.2016（22）：292-294

注：寧波市智團創(chuàng)業(yè)計劃項目（鄞科【2016】68號）。