智能科学技术GPS在桥梁变形监测中的应用探讨论文

余成江龙勇
摘要:在分析大跨度桥梁变形原因和目前监测特点的基础上，提出了综合利用RTK—GPS的空间定位和授时功能对大型桥梁整体性变形监测的思想、方法和步骤。并结合一大桥荷栽条件下的整体性变形监测实例，阐述了最小二乘曲线拟合和多项式插值在桥梁整体变形监测中的应用。对各监测点的多个时刻进行了插值运算并以图表形式展现大型桥梁的整体性变形监测。实践证明文中提出的方法是可行而有效的。
关键词:大型桥梁;整体变形;RTK—GPS;拟合;插值
0论文引言
目前，用于大型桥梁结构监测的仪器主要有经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光仪等。
(1)全站仪自动扫描法需要对各个测点进行连续扫描，由于在宽阔的江面上，大风、大雾天气时常出现，即使在晴天，水汽蒸发产生的水雾也相当浓厚。当视距超过2 km时，使用常规的经纬仪望远镜很难照准观测目标，同时还存在各测点不同步、大变形时不可测、实时性较差等缺陷。
(2)位移传感器是一种接触型传感器，测量时必须与测点接触，对难接近的点无法测量，对大型结构的测量有困难。
(3)加速度传感器监测必须经过两次积分才能获得位移，且精度不高；由于零点漂移，测前必须调零，无法长时间连续测量；对于低频位移测试不理想，而大跨悬索桥振动频率较低。激光法精度较高，但桥梁晃动大时无法捕捉光点而无法测量。
以上传统方法对大桥进行实时精确测量都存在一定困难或缺陷，必须寻求新的方法。同时，现行的各种变形分析方法只是针对单点或单个时间序列进行，没有利用监测点之间相互联系的信息，而多点分析又存在较大难度。桥梁在考虑变形的情况下可视为一个动态系统，是由相互联系的部分或要素组成的有机整体，系统的整体性要求在分析监测对象时应有整体的观念，从整体把握各个部分、各个点的变形。因此，空间多点的整体变形分析与变形预报应运而生，是目前研究的重点方法之一。
1 GPS整体变形监测方法
1.1 GPS大型桥梁变形监测特点
GPS的基本功能包括定位、导航和授时。传统(单点)GPS变形监测仅利用了GPS的空间定位功能。近年来由于GPS硬件和软件的发展，定位精度明显提高，仪器价格逐年降低，采用GPS RTK(Real Time Kinematic)对大型桥梁进行变形监测成为可能。尤为重要的是在变形监测时，最为关心的是变形监测中所求得的同一监测点不同观测时刻坐标的差值，而不是监测点本身的坐标。监测中所含共同的系统误差虽会影响各观测时刻的坐标值，却不影响所求的变形值。GPS变形监测中，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不影响变形监测的结果，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。同样，变形监测网的起始坐标的误差、数据处理中的误差、卫星信号大气层传播误差(电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等)中的公共部分的影响也可得到消除或减弱。GPS用于工程和局部性变形监测的精度可达亚毫米级，从而为大型建筑物(大坝、桥梁等)等高精度变形监测提供了一种新的手段。正如Loves(1995)所言，随着GPS动态变形监测能力的进一步提高，这一技术可望被采纳为结构测量的标准技术。
智能科学技术GPS监测大型桥梁变形特点如下。
(1)GPS可实现全天候定位，能在暴风雨中进行监测。
(2)GPS测定位移自动化程度高。从接收信号、捕捉卫星信号、到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可直接存入存储器进行大桥安全性分析。
(3)采用GPS RTK技术同时获得监测点的坐标信息和统一的时间信息，便于实现大型桥梁的整体变形观测。
(4)GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可达10～20 Hz速率输出定位结果，定位精度平面为10 mm。高程为20 mm，变形监测精度可达到亚毫米级。
1.2 GPS监测系统的构成
GPS监测系统是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即RTK技术。GPS监测系统是由GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信号经过电台实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息。利用GPS RTK技术实时监测桥梁整体形变时，必须在桥梁附近适当位置设置S基准站，在各形变观测点设置流动站。基准站与流动站间通过数传电台进行同步联络，获得流动站每一时刻的三维空间坐标信息，根据不同时刻观测点的三维空间坐标变化，获得形变观测点的三维变形量，此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行分析、处理。
1.3整体变形信息的获取思路
桥梁变形监测是通过连续观测获得观测点的三维空间坐标，比较坐标值的变化来获得桥梁的变形。桥梁的整体变形则是通过获得监测时间段内的任意时刻各变形特征点变形来体现的。在实际变形监测中，是在分析桥梁各个结构特征点的基础上，选取一定特征点作为观测点，并以各观测点的空间坐标变化来表达桥梁的变形情况。
桥梁整体变形监测利用的是GPS的定位和授时两项功能，获得监测点的变形数据及其时间信息，并利用统一的时间参考系实现桥梁整体变形监测。首先利用GPS RTK获得桥梁的所有观测点在同一时间段内的三维空间坐标数据；然后采用最小二乘曲线拟合方法，对每个观测点的任一坐标向量值建立观测时间段内的位移与时间的函数关系——时程曲线；然后，根据需要对观测时间段内任意时刻各曲线进行插值运算，获得任意时刻各观测点的空间坐标；进而获得各观测点在任意时刻(观测期内)的变形数据。
2 技术试验
2.1试验桥梁与观测点的布置
选择一大桥作整体变形监测试验，该桥全长近200 m，箱梁双孔结构，单孔空间跨度为90 m。该桥常有满载货物的大型卡车通过，桥梁伴随车辆通过而在不同点上发生不同方向和振幅的振动。测试选用的可达10～20 Hz速率输出、定位精度平面为10 mm、高程为20 mm的GPS RTK。监测和分析桥梁在车辆重载作用下高程的变化特征；采用较小采样间隔，对桥梁的变形进行数据的采集。
选择桥梁主桥1／3(A点)、2／3(B点)处作为监测点，对桥梁进行基于RTK GPS技术的整体性变形监测。
2.2 独立监测点变形曲线
在MATLAB语言中用polyfit函数来进行6阶多项式最小二乘曲线拟合，拟合由线如图1所示。同理可得到第二个点的拟合曲线。

2.3 桥面整体变形信息的获取
先提取各观测点在监测时间段内测量高程数据，经最小二乘拟合建立高程与时间的时程函数，并绘制出各个监测点的变形图形，达到可视化的效果。然后由不同监测点在观察时段内的拟合多项式，用MATLAB软件进行内插，得出同一时刻不同监测点的变形信息。由某一时刻桥梁不同监测点的变形信息，获得桥梁整体性变形信息。
在监测时间段内，可对两个监测点的时程函数进行插值，获得任意时刻的变形数据。如表1所示的5个时刻的变形情况。
表l 桥梁整体变形各时刻监测信息表 mm

从插值情况来看，相对于首时刻A点最大负向(下压)变形为17 mm，最大正向变形为11 mm，相应地，B点最大正向变形为19 mm。
3论文结语
(1)基于智能科学技术GPS RTK技术进行大型桥梁的整体变形监测充分利用了GPS的定位和授时功能，使不同监测点的监测基于统一的时间参考系，避免了其它方法的时间同步问题。
(2)在RTK观测数据的基础上，采用曲线拟合和插值方法获得桥梁的连续整体变形信息实现桥梁的整体变形监测是可行的。该法也可用于高大建筑物的整体变形监测。
大型桥梁在车辆动荷载作用下产生的振动，会影响行车的舒适与安全，并导致桥梁振动变形甚至破坏。在台风、温度变化、载荷变化以及地震等因素的影响下，桥梁会产生振(震)动和位移，甚至发生倒塌事故。因此，对大型桥梁的关键部位进行连续实时地动态监测，能及时发现桥梁的病害并采取相应的措施，避免灾难性的事故发生；可为评估桥梁的稳定性、耐久性和可靠性提供参考，为桥梁的维修、加固方案的制定、决策提供依据；对桥梁的安全运营、损伤检测、突发事件(如强烈地震、强台风或其他严重事故)后的结构剩余寿命的评估以及检验桥梁设计参数的正确性，都具有非常重要的意义。

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