橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)的方案設(shè)計(jì)

房閆林 路華麗

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300304； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 概述

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)。目前很多研究都是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的某些重要力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果只能反映橋梁某個(gè)局部的受損狀況，很難對(duì)整體健康狀況掌握，并且時(shí)效性差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警。健康檢測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容是，基于工程測(cè)量原理，對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測(cè)。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生安全范圍內(nèi)的變形可以認(rèn)為其處于正常狀態(tài)。反之，如果變形超出安全要求的限度，變形會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全造成一定影響。因此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者廣泛關(guān)注結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)方向的研究[1]。傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測(cè)儀器主要采用加速度計(jì)、激光儀、全站儀、精密水準(zhǔn)儀等[2,3]，鑒于GPS-RTK技術(shù)的實(shí)時(shí)性，本文擬嘗試GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)。

2 研究現(xiàn)狀

將GPS技術(shù)運(yùn)用到橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形的監(jiān)測(cè)工作中，在國(guó)內(nèi)外還處于發(fā)展階段，在應(yīng)用過(guò)程中取得了一定的研究成果，并且儲(chǔ)備了應(yīng)用案例。Moschas和Stiros[4]將GPS傳感器安裝于一座主跨度為40 m的鋼橋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，GPS監(jiān)測(cè)出振動(dòng)頻率為4.28 Hz和振幅僅為6 mm的結(jié)構(gòu)發(fā)生的振動(dòng)位移。Larocca等[5]將兩個(gè)GPS接收機(jī)應(yīng)用于巴西一座曲線(xiàn)鋼筋混凝土橋梁的監(jiān)測(cè)，以很好地反映橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，并采用連續(xù)小波變換對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，實(shí)驗(yàn)證明可以檢測(cè)到橋梁結(jié)構(gòu)非常小的動(dòng)態(tài)振動(dòng)。伊廷華等[6]將20 Hz的數(shù)據(jù)采樣的GPS傳感器安裝于大連的北大橋用于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，GPS傳感器能夠識(shí)別出的振動(dòng)的頻率，能夠吻合于有限元模擬分析和加速度計(jì)測(cè)量的結(jié)果。王蔓[7]以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃治隽藰蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的GPS-RTK數(shù)據(jù)，基于均值控制圖法對(duì)大橋狀態(tài)預(yù)警評(píng)估進(jìn)行了研究，并分析了環(huán)境溫度對(duì)主梁位移的影響規(guī)律。將GPS技術(shù)運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的研究中，已經(jīng)逐步地成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，但是在橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域尚待完善和進(jìn)一步發(fā)展，需要進(jìn)一步提高GPS技術(shù)的動(dòng)態(tài)解算所需要的穩(wěn)定性和精度，進(jìn)一步降低GPS接收機(jī)受環(huán)境噪聲的影響，進(jìn)一步完善橋梁狀態(tài)特征提取方法和GPS多激勵(lì)源信號(hào)的分解。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

本次橋梁健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)對(duì)象是坐落于天津市中心城區(qū)的富民橋，該橋四周是綜合開(kāi)發(fā)與規(guī)劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨(dú)柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側(cè)，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線(xiàn)的三維空間線(xiàn)形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長(zhǎng)340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河?xùn)|側(cè)引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6) m，由普通鋼筋混凝土構(gòu)成，河西側(cè)引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)。跨河的主橋橋面的標(biāo)準(zhǔn)寬度為38.6 m，一側(cè)橫向布置包括：0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護(hù)欄+3.75 m的非機(jī)動(dòng)車(chē)道+(3.75 m+2×3.5 m)的機(jī)動(dòng)車(chē)道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護(hù)欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側(cè)沿著主塔區(qū)成對(duì)稱(chēng)布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 儀器設(shè)備方案

本次實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中的儀器設(shè)備方案為使用2套GPS-RTK系統(tǒng)、2組加速度計(jì)(包含橫向、縱向和豎向)、1臺(tái)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)、3臺(tái)計(jì)算機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備，其中動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2所示。本文采用WKD3827動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀對(duì)動(dòng)態(tài)加速度信號(hào)進(jìn)行采集，此采集儀適合測(cè)點(diǎn)分布相對(duì)分散的工程測(cè)試場(chǎng)合，可直接連接拾振器的電壓輸出型傳感器，儀器每個(gè)通道采用獨(dú)立24bits模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有較高的信噪比，保證每個(gè)通道同步采集。加速度計(jì)采集數(shù)據(jù)的目的是與GPS-RTK的監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行相互檢驗(yàn)和驗(yàn)證。GPS-RTK接收機(jī)是中海達(dá)公司的海星達(dá)H32接收機(jī)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部升級(jí)將采樣頻率由1 Hz調(diào)至20 Hz，其RTK的定位精度，平面為：±(10 mm+1 ppm)，高程為：±(20 mm+1 ppm)。

3.3 測(cè)點(diǎn)選擇和儀器安裝方案

在運(yùn)營(yíng)正常條件下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)選擇和布置都需要有很高的安全性要求，必須遵循如下注意事項(xiàng)：

1)選定的測(cè)點(diǎn)位置必須要保證動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求，同時(shí)要保證現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員和測(cè)試設(shè)備的安全；

2)必須確保監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性，以防止由于監(jiān)測(cè)設(shè)備失穩(wěn)而導(dǎo)致過(guò)大的測(cè)量誤差，甚至有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)信息。

根據(jù)富民橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模粚?duì)橋梁主跨進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該橋主跨長(zhǎng)度為157.081 m，并不是很大，因此，方案設(shè)計(jì)在主跨1/4和1/2位置處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。將監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置固定在人行道欄桿外側(cè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)GPS-RTK接收機(jī)和1組加速度傳感器。

GPS-RTK接收機(jī)和加速度傳感器聯(lián)合監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置方案設(shè)計(jì)如圖3所示，在對(duì)中桿的頂端安裝RTK接收機(jī)，在對(duì)中桿中部位置處的擰式螺栓中間卡入一塊鋼板，并可以調(diào)節(jié)其高度，將螺栓擰緊，加速度計(jì)放置在鋼板上。

監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，將對(duì)中桿固定在橋面欄桿上，用氣泡水平儀檢測(cè)鋼板的水平度，見(jiàn)圖4。基準(zhǔn)站如圖5所示。加速度計(jì)傳感器安置方式如圖6所示，分別測(cè)試橋梁縱向、橫向和豎向的加速度數(shù)據(jù)。1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)站如圖7，圖8所示。

3.4 GPS-RTK穩(wěn)定性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)所用儀器的精度和穩(wěn)定性，在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)開(kāi)始之前，對(duì)所用儀器進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，方案如下：

1)采用3臺(tái)GPS接收機(jī)在開(kāi)闊的空地上進(jìn)行試驗(yàn)，一臺(tái)作為基準(zhǔn)站，兩臺(tái)作為移動(dòng)站，分別為1號(hào)移動(dòng)站和2號(hào)移動(dòng)站，以相互驗(yàn)證；

2)進(jìn)行連續(xù)3 h的數(shù)據(jù)采集，其原始數(shù)據(jù)如圖9，圖10所示。從圖9，圖10中可以看出，兩臺(tái)儀器的豎向精度均在20 mm以?xún)?nèi)，說(shuō)明了儀器的精度可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上方案設(shè)計(jì)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)可以采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種監(jiān)測(cè)方案可以靈活調(diào)整采樣頻率，并且能滿(mǎn)足可靠性和穩(wěn)定性。加速度計(jì)和GPS-RTK兩種儀器同時(shí)采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相互比對(duì)提供了科學(xué)保障。總之，這個(gè)設(shè)計(jì)方案為后續(xù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和健康分析奠定了良好基礎(chǔ)。