桥梁变形观测中GPS技术的应用探讨

摘　要：本文结合松建高速公路西津2号大桥变形观测网的布置和实践测量，介绍了利用GPS和全站仪对桥梁进行变形观测的原理、方法，通过对测量成果的分析，对比分析了GPS接收机配合全站仪进行变形观测的优点和可行性。

关键词：桥梁 ， 变形观测 ，GPS与全站仪技术
近二十多年来，我国基础设施建设高速发展，公路、铁路、城市建设日新月异，桥梁作为道路交通的关节，随着我国经济的快速发展，其建设的数量、跨径、规模、造价也不断被刷新，桥梁建设的新技术不断涌现。但由于桥梁建成通车后，受到雨水冲刷、空气氧化，以及长期的荷载作用下其主要构件逐步老化，强度和刚度随时间降低；另一方面由于人为因素，如货车严重超载和各种车辆撞击事故，或者设计、施工缺陷等原因，桥梁事故频繁发生，造成了重大的人员伤亡和财产损失。为确保桥梁建成后安全运行，及时掌握其健康状况，避免出现灾难性后果，对桥梁竣工验收时进行静载试验，对桥梁的结构性能进行实时监测和诊断，及时发现结构的损伤，对可能出现的灾害进行预测，评估其安全性已经成为桥梁工程的必然要求。
　　根据我国颁布的《公路技术养护规范》中有关规定和要求，桥梁变形观测的主要内容包括：桥墩桥台的沉陷观测、桥面线形与挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测等。 为了进行以上各项目的测量，还必须建立相应的水平位移基准网和沉陷基准网观测。
　　传统的精密工程测量包括全站仪、激光准直仪等有着光学仪器共有的缺陷，如各测点不同步，一些变形难以观测，以及受自然条件限制等。近年来随着GPS技术的成熟和快速发展，这一个有着高效、快速、全自动、全天候、高精度等优越性能的健康监测方法在桥梁的变形监测中大量使用，然而GPS接收机价格还比较昂贵，这种监测方法对于一般的大桥由于必须具备一定数量的GPS接收机，监测成本过高，因此，我们尝试用GPS接收机和全站仪联合来对松建高速公路西津2号大桥进行变形监测。
一、大桥简介
　　 松建高速公路西津2号大桥位于南平市政和县西津村东南侧。桥梁中心桩号K52+348.25，全长757.5米，位于 R=1800、Ls＝240米的缓和曲线及直线段上。本桥的设计流量为9060立方米/秒，流速为4.3米/秒，所跨东河为内河Ⅶ级航道。本桥设计基准期为100年，设计安全等级为二级，适用环境类别为Ⅰ类。本桥基本风压值取百年一遇；地震设防：场地地震动加速度峰值为0.05g，桥梁抗震设防类别为B类，抗震设防烈度为6度，抗震设防措施等级为7级。
二、GPS与全站仪结合变形观测的原理
　　全站仪由电子经纬仪、光电测距仪和微处理机组成，它可在测站上同时进行测角和测距，并能自动计算出待定点的坐标和高程，仪器安置一次便可完成测站上的全部测量工作，特别是直接反射型全站仪，无需在测点布设反射棱镜，对于测定难以企及或者其他不可能测量的点十分适用。
　　GPS定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供观测站在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度，在GPS作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和观测站坐标信息一起传输给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级的定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可以固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上的卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，流动站就能随时给出厘米级定位结果。GPS技术受外界条件限制小，只要满足工作条件，就能快速、高精度地完成定位作业。
三、GPS观测的误差分析
　　采用GPS进行桥梁变形观测，为了获得高精度的定位结果，必须确定其误差来源。对某些系统误差，如周跳和接收机时钟频率不稳定的影响，通过相对定位观测几乎可以全部消除；对其他偶然误差，如：多途径、对流层、电离层弥散等，受时空的影响，其或多或少呈偶然性，不能被全部消除，因此可以采用严密数学方法进行处理，尽可能从参数估算中剔除偶然性误差。
四、变形观测系统的布置
桥墩（台）沉陷与桥面线形观测点的布置
　　桥墩（台）沉陷观测点布置在墩（台）顶面对应的桥面上，桥面线形与挠度观测点布置在主梁上，桥面水平位移观测点与桥轴线一侧的桥面沉陷和线形观测点共点。
水平位移监测基准点布置
  结合桥梁两岸地形地质条件和其他建筑物分布、水平位移观测点的布置与观测方法以及基准网的观测方法等因素，水平位移观测基准网分两极布设，基准网布设在岸上稳定的地方并埋设深埋钻孔桩标志；在桥面用桥墩水平位移观测点作为工作基点，用他们测定桥面观测点的水平位移。
垂直位移观测基准网布置
　　为了便于观测和使用，一般将岸上的平面基准网点纳入垂直位移基准网中，同时还应在较稳定的地方增加深埋水准点作为水准基点，它们是大桥垂直位移观测的基准，为统一两岸的高程系统，在两岸的基准点之间还布置了一条过江水准线路。
五、变形观测仪器、方法与成果
　　变形观测采用Trimble5600-DR2遥测型全站仪，由于GPS接收机有限，只使用了两台 Trimble5700  GPS接收机，其最高采样频率为20Hz，实时平面定位精度为10mm，高程定位精度为20mm，其中一台放在桥头的为固定点，另外一台先后分别安放在南中边跨跨中桥面两侧、主跨跨中桥面两侧、 北中边跨跨中桥面两侧三处做为移动站，依次进行多个连续时段的测量，每个采样时段为两分钟，为了避免发生信号混淆现象，采样频率应为待测信号中最高频率的两倍以上，考虑到多方因素并结合实际情况，变形观测采样频率设为10Hz。
GPS定位系统测量平面基准网
　　为了满足变形观测的技术要求，考虑到基准网边长相差较大，对基准网提出了边长相对精度不低于1/12万、边长误差小于±5mm的双控精度指标；鉴于工作基点均位于大桥桥面，它们与基准点之间难以全部通视，确定采用GPS定位系统施测。
精密水准测量建立高程基准网和沉陷观测
　　高程基准网与桥面沉陷观测均按照国家二等水准测量规范的技术要求实施，并将垂直位移基准网点、桥面沉陷点、过江水准线路之间组成多个环线。高程基准网观测采用徕卡NA3 000数字水准仪与条形编码水准尺，它可以不需要人工读数，减少了照准误差和人工读数误差的影响，有利于提高水准测量的精度。桥面沉陷观测采用了Ni007自动安平水准仪；高程基准网中的过江水准测量，采用2台全站仪同时对向观测的方案。
全站仪坐标法观测横向水平位移
　　为充分发挥全站仪的优点，桥面水平位移观测采用了类似基准线法原理的坐标法，以直接测定观测点的横坐标。根据对全桥56个观测点的结果进行统计分析，在未顾及视线长度不等对Y坐标精度影响的条件下，求得Y坐标的精度为±0.78mm，它远高于桥梁监测技术中的精度要求（±3mm）。
　　4、成果整理与分析
　　观测成果的整理分析主要包括：每期观测后计算基准的坐标、高程及其变化量；桥墩（台）、桥面沉陷观测点、线形点的高程及变化量；桥面水平位移观测点的Y坐标及横向位移。根据这些变形量绘制了相应的变形曲线如下图。
　　
　　高精度的GPS测出的是基于WGS-84的三维坐标，数据处理可先将所测数据进行截止频率为5Hz的低通滤波去除高频噪音，然后对滤波后的信号做快速傅立叶变换，可以得到测点的功率谱曲线，进而获得振动频率，通过对比观测结果，发现大桥在脉动激励下，南北边跨下沉略小，且小数地方还有上升的情况，跨中下沉较大，最大下沉量达42mmm，桥面受温度影响长度有所变化。
六、结论
　　通过以上分析可以看出，采用GPS与全站仪对大桥进行变形观测是可行的。观测过程及结果表明，这种方法对于普通大桥的变形观测是有效适应的，既有效地降低了观测成本，又大大地提高了作业的可操作性。如果通过增加GPS接收机和全站仪的数量，在不同测点同时观测，可以得到大桥整体结构变形情况，配以合适的软件可以对大桥的动态变形进行实时显示，这对反映大桥工作环境和何载变化、进一步分析主要构件的内力分布，以及为大桥运营和维修决策提供大桥超载的警告信息具有重要的现实意义。
参考文献
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