基于GPS的大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

楊志華

（黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江哈爾濱 150080）

基于GPS的大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

楊志華

（黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江哈爾濱 150080）

詳細(xì)分析了GPS應(yīng)用于大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，并舉例證明了該系統(tǒng)在記錄橋梁受到車輛、地震以及臺風(fēng)等因素影響時所獲取的各項數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

GPS；大跨度橋梁；安全監(jiān)控系統(tǒng)；實時

1 大跨度橋梁的傳統(tǒng)測量方式與GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)檢測比較

1.1激光干涉儀

激光干涉儀是先在監(jiān)測點上安裝反射裝置，觀察監(jiān)測點到基準(zhǔn)點時間和距離變化的關(guān)系值，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出位移變化相應(yīng)的振幅以及主頻率。這種方法在大橋不受強烈的外界因素的影響下具有精準(zhǔn)度高的特點，但是一旦大橋受到強烈的外界干擾產(chǎn)生震動、搖晃時就很難找到目標(biāo)，得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。所以激光干涉儀只適合短期檢測。

1.2全站儀自動掃描法

該儀器由微處理機、光電測距儀和電子經(jīng)緯儀組成，能同時測距、測角并計算出高程和坐標(biāo)，安裝一次就能自動完成全部測量工作。近期還產(chǎn)生了一種直接反射型全站儀，該儀器對于那些其它儀器難以企及的測量點非常適用。但是無論如何改進(jìn)，該儀器都達(dá)不到實時測量的效果，而且激光掃描受環(huán)境的影響極大，機器本身壽命也較短。

1.3加速度積分傳感器

加速度積分傳感器監(jiān)測法通過對結(jié)構(gòu)變形的振動測試來達(dá)到監(jiān)測的目的，然后經(jīng)過對位移位置變化值的2次積分獲得最后的測量值。該方法需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析才能得到監(jiān)測結(jié)果，時間長，數(shù)據(jù)精度低。

1.4GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)

GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)是一種新的監(jiān)測技術(shù)，通過測定接收機與衛(wèi)星的距離達(dá)到定位的目的。即在監(jiān)測站和基準(zhǔn)站分別安置一臺接收機，GPS對這兩個站點獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，這樣就得到了監(jiān)測站的三維坐標(biāo)，監(jiān)控中心再通過數(shù)據(jù)處理軟件對接收到的檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析，得出的最終數(shù)據(jù)就是大橋在某一位置上的變形、位移等的參數(shù)。該系統(tǒng)操作方便，不受任何環(huán)境因素的干擾，所得參數(shù)的精準(zhǔn)度能達(dá)毫米級，全天候數(shù)據(jù)傳送，且設(shè)備穩(wěn)定耐用。

2 GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1XX大橋GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）該系統(tǒng)的應(yīng)用目的

XX大橋是跨徑超千米的大型懸索橋，建立GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)是為了對橋梁的三維動態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，直觀的了解地震、臺風(fēng)、車輛等荷載作用下橋梁的線性變化，判斷其運營結(jié)構(gòu)的安全性。在對橋梁進(jìn)行智能化監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析的自動性。該橋在建造時還根據(jù)參數(shù)的設(shè)定，建立了多級報警系統(tǒng)，達(dá)到了橋梁結(jié)構(gòu)危險性評價的動態(tài)分析。

（2）GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)的形成

GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)是整個大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測的一個子系統(tǒng)，由6各監(jiān)測站和2個基準(zhǔn)站通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接而成，然后經(jīng)過三維動態(tài)、數(shù)據(jù)的采集和處理等軟件實現(xiàn)橋梁變形的實時監(jiān)測。XX大橋的監(jiān)測站主要分為橋面站和塔頂站，橋面站分別位于的主梁的1/10、1/5和2/3斷面的兩側(cè)，橫梁的中間位置就是塔頂站?；鶞?zhǔn)站建立的目的是為監(jiān)測站提供準(zhǔn)確的位置和橋梁變形的位置參數(shù)，所以基準(zhǔn)站要建立在一個穩(wěn)定的位置。因此該大橋基準(zhǔn)站的天線就架在大橋的中心大樓，還能定期通過觀察大樓的沉降及時修正基準(zhǔn)站的參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)分析

大跨度橋梁都是以鋼為主要架構(gòu)，橋梁的豎向變形主要是由車輛荷載和溫度荷載引起的，風(fēng)荷載等造成的則是主梁的橫向變形。XX大橋在設(shè)計階段充分考慮了這些因素，對于結(jié)構(gòu)豎向變形的測量，設(shè)計了黃、橙、紅三級預(yù)警線。其中紅色預(yù)警線是最不利荷載下的結(jié)構(gòu)高程值，黃、橙預(yù)警以0.95分出置信水平的下限和上限值。對于風(fēng)荷載的處理，該大橋在設(shè)計之初經(jīng)過多次抗風(fēng)能力和風(fēng)洞實驗，最后根據(jù)實際測量所得出的風(fēng)速數(shù)據(jù)和主梁GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立出風(fēng)速與橫向位移的線性模型（線性回歸法），然后就模型進(jìn)行橋梁在運營期間的安全系數(shù)評價。另外，該模型也能夠預(yù)測XX大橋在極限風(fēng)速下的準(zhǔn)靜態(tài)橫向位移，進(jìn)而知道該橋在某些極端事件下的反應(yīng)。

3 GPS對大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)的意義

3.1GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠保證橋梁的安全性

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和運輸?shù)男枰?，大跨度橋梁?yīng)運而生。但是跨度越大，高度越高，安全系數(shù)越低，尤其是在特殊氣候或者是車輛超重等的影響下，跨度過大的橋梁就會有位移，甚至擺動的危險，例如金門橋在1951年橋梁豎向振幅達(dá)到3.3 m，就是因為受旋風(fēng)連續(xù)4個小時的影響。另外還有橋梁受高風(fēng)速的影響側(cè)移3 m和4.7 m的例子。因此，為了保證橋梁運營的安全性，運用GPS監(jiān)控系統(tǒng)能及時對橋梁的震動、位移等進(jìn)行實時監(jiān)測和觀察，發(fā)現(xiàn)病害所在，并通知橋梁相關(guān)管理人員進(jìn)行維護(hù)修整或停用，以避免不必要的事故發(fā)生。

3.2GPS可以為橋梁的設(shè)計和改進(jìn)提供有效的依據(jù)

大跨度橋梁受外在因素影響大，要想提前判斷出橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理耐用，就必須利用先進(jìn)的技術(shù)手段得出大橋在受到不同外在因素影響時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制出線性模型，以備參考。但是目前對某些惡劣的氣候條件的判斷只限于理論說明和模型實驗，實際情況下橋梁的變化并沒有充分的研究，所以要提高大跨度橋梁的耐用性，減少事故的發(fā)生，就必須對大橋進(jìn)行GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)，這樣才能積累出實際有效的數(shù)據(jù)，為以后大跨度橋梁的設(shè)計和改進(jìn)提供有效的依據(jù)。

綜上所述，GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了大跨度橋梁實時、長期的監(jiān)測，可以在不受任何干擾的情況下獲取大橋在不同荷載作用下的數(shù)據(jù)，并通過對各種數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，幫助人們更好的維護(hù)大橋的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而延長大橋的使用壽命，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

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1008-3383（2016）09-0105-01

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