GNSS在橋梁健康監測中的應用研究

汪洋+胡繼明

【摘 要】GNSS（全球衛星導航定位系統）定位精度高、速度快、自動化程度高，廣泛應用于國民經濟的各個部門。本文從GNSS在橋梁健康監測中的應用優勢著手，與傳統的橋梁變形監測方法進行對比，通用對應用工程案例的分析，指出該系統在橋梁健康監測方面的應用前景廣闊，需更進一步加強這方面的研究。

【關鍵詞】GNSS；差分；健康監測；變形監測

1.GNSS工作原理

GNSS（Global Navigation Satellite System）即全球衛星導航定位系統，最早由美國從上世紀七十年代初開始研制，到上世紀九十年代在美國軍方全面應用。全球很多國家都開始意識到該系統的重要性，因此在交通運輸﹑空間技術﹑地學研究﹑軍事等諸多領域展開了獨立和聯合研究。

GNSS的定位原理如下圖1所示，地面設置兩個基站，基站接受通訊衛星的定位訊號，通過差分法進行2個或更多個測站之間的相對定位計算，假定A點的坐標確定，則B點的坐標也可確定。

2. GNSS的應用概況

GNSS自本世紀初引入國內后開始投入民用，因測量精度高，測試速度快，在大地測量、石油勘探、工程監測等方面得到了迅速推廣，極大地推動了這些行業的技術進步。

現有成熟的GNSS在建設工程應用上的精密定位基本上都是以毫米級精度（在數公里的短邊上）。目前國內工程測量中使用的常規GNSS設備，平差后控制點的平面位置精度為1～2mm，高程精度為2～3mm。在大地測量中的精度可以控制在10mm以內。

GNSS除了硬件設備精度外，還須有較強的軟件支撐，目前國內比較有名的如HCmonitor系統等，利用卡爾曼濾波的載波相位三差解的解算模式，可以實現對原始數據的實時處理，并自動生成相應的圖形和表格數據。

3.GNSS在橋梁健康監測中的應用優勢

橋梁是交通工程中的一個重要組成部分，隨著國民經濟的發展，許多大型橋梁開始向大跨度和輕盈性方向發展，追求美觀的同時，橋梁結構的變形越來越大，而作為橋梁正常運營的重要指標，結構位移的大小在橋梁設計和運維中日益受到重視，稱為監測的一個關鍵數據。

結構健康監測（Structure Health Monitoring）可以有效反映橋梁結構的工作狀況，提供橋梁的健康狀況及預警，而通常橋梁健康監測必須依賴相應的監測系統，該系統由前端的傳感器和采集儀加上后端的數據存儲和分析設備構成，主要對橋梁在日常使用狀態下的應力、位移和加速度進行采集分析，從而得出對橋梁健康狀態的評價[1]。

其中位移（變形）的監測是重點，然而， 現在采用的常規方法存在諸多限制和不便。如最常用的位移計就存在以下缺點：

（1）測點的同步性不好；

（2）大變形比較難以測量；

（3）傳感器數據精度易受天氣影響；

（4）測站的可維護性較差。

相比之下，利用全球衛星定位系統（GNSS）進行變形監測具有顯著的優勢，其優點可概括如下：

（1）不受氣候的影響，可實現全天候、不間斷的三維高精度測量；

（2）量程大，可維護性好；

（3）觀測距離幾乎不受限制；

（4）延遲短、實時性強，且各測點可實現同步測量。

從國內外的有關研究和應用可以看出GNSS是一個非常有效的橋梁監測技術，尤其是在變形監測方面，當然因為橋梁監測的復雜性，單純使用GNSS不能完全滿足整體結構監測的需要，因此與其他傳感器聯合使用，采用通用性更強的信號接收系統，并把GNSS的數據分析納入整體的結構損傷分析中是GNSS在橋梁健康監測應用的主導方向。

4.GNSS在橋梁健康監測系統中的應用實例

現有的基于GNSS的變形監測體系，不僅精度高，而且能監測瞬時變化，實現連續觀測與數據的自動處理，并且能實現數據的分類輸出和圖形化輸出，直觀性更強，結合后臺的專家系統，還可以及時發現存在的問題和風險，對橋梁結構的健康狀態做出判斷，從而確保橋梁的安全。另一方面也為數字城市和智慧城市建設提供基礎數據[2]。

目前，隨著GNSS技術的不斷成熟，采用GNSS技術與其他技術相結合的橋梁健康監測系統已經被廣泛的應用于世界各地。不僅在英國Humber橋、日本明石海峽大橋、廣州虎門大橋等特大型橋梁上使用，而且在諸如寧波福明路鐵路跨線橋等中小跨徑橋梁上開始使用。盡管監測原理相同，但兩類不同橋梁在監測方案的規劃及傳感器的布置上還是有一些差異[3]。

4.1英國Humber橋的GNSS監測系統[4]

英國的Humber懸索橋全長2220米，主跨1410米，南跨530米，北跨280米（圖2）。監測系統由英國諾丁漢大學設計，使用了2臺雙頻GNSS接收機，配合了相關的加速度傳感器和力傳感器，在監測位移的同時監測橋面加速度和懸索的索力。該系統以2Hz頻率采樣，分別測量了中跨1/2、邊跨1/2和支撐塔頂的位移。長期監測的結果顯示橋面垂直位移最大為40cm，大多數時間位移量為15cm左右，橋面橫向位移最大為14cm，塔頂縱向位移1～2cm，橫向0.5～1cm。

為了驗證監測結果的準確性，英國Bmnel大學進行了現場試驗。本次試驗動用5輛貨車，進行了若干動、靜載試驗。結果表明，GNSS測量的三維位移結果與該橋的有限元模型的計算結果相當吻合。

4.2寧波福明路鐵路跨線橋的GNSS監測系統

寧波市福明路鐵路跨線橋是寧波鐵路東站的一座跨線斜拉橋，是寧波首座陸地斜拉橋，該橋為一聯雙塔雙索面斜拉橋。大橋主塔為兩個A型塔，高74米，橋長420米，寬34.5米，雙向六車道設計。其中，主橋上跨鐵路寧波東站23股鐵道線，其中16股有高壓接觸網和3個站臺，如圖3所示。

大橋從設計之初即考慮了長期健康監測系統，主要監控兩個塔頂和主要跨中的水平及縱向位移，此外還監測橋面的加速度和斜拉索索力。GNSS監控系統共設置了4個測站，其中主橋塔頂布設2個，主橋梁部2個（分別為主跨1/2處、1/4處）。

該橋自2013年1月1日通車以來運行良好，監測顯示橋梁的最大位移均未超過設計要求，GNSS的連續工作性能得到了驗證。

5.總結

從國內外的有關研究和應用可以看出GNSS是一個非常有效的橋梁監測技術，GNSS與其它傳感器結合用于橋梁健康監測已形成了趨勢。目前大部分的橋梁監測系統已經做到數據自動傳輸、自動解算處理、準實時測量結果和測量結果圖形演示。

GNSS技術在不斷改善，我們可以預計GNSS變形監測系統將不斷改進，尤其是中小跨徑橋梁在該技術的幫助下也能得到很好的監測，為保障人民的生命財產提供了有力的支撐。隨著我國工程建設標準的不斷提高，我們可以期待GNSS技術在現代智慧城市的建設中將發揮出無可比擬的作用。

參考文獻：

[1]安慶，吳樹森， 張婷婷.橋梁GNSS監測點的布設與信號測試分析探討.[J].科技資訊， 2016，14（20）：49-50.

[2]袁萬城， 崔飛， 張啟偉. 橋梁健康監測與狀態評估的研究現狀與發展.[J].同濟大學學報， 1999， 27（2）：4.

[3] 崔飛，袁萬城，史家鈞.傳感器優化布設在橋梁健康監測中的應用.[J].同濟大學學報，1999，27（ 2）：165-169.

[4] Myroll F， Dibiagio E. Instrumentation for monitoring the Skarnsunder Cable-stayed Bridge. In： Jon Krokeborg ， ed. Proceedings of the Third Symposium on Strait Crossing. Rotterdam： Balkema， 1994.207～ 215.

注：寧波市智團創業計劃項目（鄞科【2016】68號） 。endprint