基于GNSS系統(tǒng)的大跨度懸索橋空間變位研究

毛幸全

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100088）

1 概述

主橋的空間幾何變形，包括梁體的下?lián)稀⒖v向變形及橫向變形是識別大橋內(nèi)力狀態(tài)的重要參數(shù)。對于大跨度懸索橋來說，主梁的線性是反映當(dāng)前大橋內(nèi)力狀態(tài)的重要指標(biāo)，是進(jìn)行橋梁內(nèi)力狀態(tài)識別的重要輸出參數(shù)；同時，主梁撓度的變化也是反映行車舒適性和進(jìn)行橋梁適用性評價的直接指標(biāo)。

2 監(jiān)測點(diǎn)布置策略

對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測而言，盡可能多的傳感器有利于獲得更全面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，但由于工程結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)成本考慮等，在大跨度懸索橋的所有自由度上安置傳感器是不切實(shí)際的。所以本文研究傳感器的布置策略，通過優(yōu)化布設(shè)，盡可能利用少的傳感器來獲取可靠而全面的空間變位監(jiān)測信息。

本文通過對模態(tài)分析方法，結(jié)合工程師們的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置，首先選擇需要關(guān)注的振型，然后針對每一個目標(biāo)振型繪出各自的模態(tài)動能分布圖, 然后將傳感器布置在模態(tài)動能較大的位置。圖1 為計算得到的主梁位移包絡(luò)圖和模態(tài)振型圖。

圖1 懸索橋加勁梁位移包絡(luò)圖

從包絡(luò)圖中可以發(fā)現(xiàn)，主跨跨中和四分點(diǎn)為位移最大的位置，主跨八分點(diǎn)為位移較大的位置。（圖2）

從振弦計算結(jié)果分析，第六階振型（豎向第三階對稱振型）、第七階振型（豎向第四階反對稱振型）為主梁位移變化較大位置。

通過上述分析，本文設(shè)計監(jiān)測點(diǎn)為該懸索橋主梁八分點(diǎn)位置。

3 GNSS 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)大橋的環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文對空間位置狀態(tài)的監(jiān)測通過布設(shè)GNSS 測控網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

圖2 懸索橋加勁梁陣型圖

GNSS 的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖3 GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

根據(jù)第2 節(jié)內(nèi)容分析，主梁位置處選擇了八分點(diǎn)位置進(jìn)行監(jiān)測，同時在橋位附近固定基礎(chǔ)處選擇合適的地方建立1 個GNSS 基準(zhǔn)站。以此為基礎(chǔ)，將主橋各主要構(gòu)件上的靜、動態(tài)GNSS 測點(diǎn)納入其中，以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)整體空間狀態(tài)的監(jiān)測。

系統(tǒng)主要包括外場設(shè)備和內(nèi)部服務(wù)器兩大塊。外場設(shè)備包括：GNSS 基準(zhǔn)站與各GNSS 監(jiān)測站及其附屬的通訊系統(tǒng)；內(nèi)部服務(wù)器主要由三大部分組成：

（1）由局域網(wǎng)串聯(lián)的管理與控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程對GNSS 設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控及遠(yuǎn)程操作。

（2）解算系統(tǒng)，是整個GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)的核心，該模塊通過局域網(wǎng)絡(luò)接收各GNSS 信號，由搭載的高精度高頻動態(tài)算法對GNSS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終輸出各監(jiān)測點(diǎn)的高頻動態(tài)坐標(biāo)。

（3）轉(zhuǎn)發(fā)平臺，該模塊是連接解算系統(tǒng)與監(jiān)測平臺的紐帶，向監(jiān)測平臺以UDP 協(xié)議發(fā)送特定格式的位移數(shù)據(jù)。（圖3）

3.2 設(shè)備選型

基于GNSS 的橋梁變形監(jiān)測由基準(zhǔn)站、監(jiān)測站和監(jiān)控中心三部分組成，各部分之間使用通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在需要進(jìn)行監(jiān)測的大橋主跨部分布設(shè)衛(wèi)星接收設(shè)備，并在不容易發(fā)生沉降或變形的區(qū)域建立基準(zhǔn)站。衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過有線或無線傳輸?shù)奖O(jiān)測中心服務(wù)器，監(jiān)測中心進(jìn)行實(shí)時解算。

考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)精度，GNSS 監(jiān)測設(shè)備可采用連續(xù)運(yùn)行（衛(wèi)星定位服務(wù)）參考站（Continuously Operating Reference Stations，縮寫為CORS）專用設(shè)備。該設(shè)備基于連續(xù)實(shí)時監(jiān)測需求設(shè)計，全星座全頻段，支持?jǐn)U展北斗三代，支持動態(tài)RTK 解算技術(shù)。

由于大跨度懸索橋多為跨海、跨河（江）橋梁，均處于水面之上，監(jiān)測環(huán)境受外界干擾及反射多路徑較強(qiáng)，因此，監(jiān)測天線采用扼流圈天線。

4 系統(tǒng)控制網(wǎng)設(shè)計

4.1 設(shè)計原則和思路

4.1.1 控制網(wǎng)應(yīng)在原網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，宜保持網(wǎng)形不變，將基準(zhǔn)站及監(jiān)測站均納入網(wǎng)中同步觀測。測量的精度等級及基本精度指標(biāo)應(yīng)參考原網(wǎng)。

4.1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)與最新的橋梁控制網(wǎng)復(fù)測成果保持一致。

4.1.3 測量完成后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密平差，對測量成果以及基準(zhǔn)站穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評定。

4.1.4 為實(shí)現(xiàn)將坐標(biāo)最終轉(zhuǎn)換為橋軸坐標(biāo)系，需在橋軸線上布設(shè)兩臺GNSS 接收機(jī)參與聯(lián)測。

4.2 精度等級與網(wǎng)型設(shè)計

依據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》（ GB/T 18314-2009）進(jìn)行精度分級，如表1 所示。

表1 GNSS 精度規(guī)范要求

根據(jù)大橋工程具有橋梁長、跨度大、施工周期長、氣象條件變化多端和施工工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，GNSS 控制網(wǎng)形設(shè)計為以大地四邊形和中點(diǎn)多邊形為主、單三角形為輔的形式。

控制網(wǎng)點(diǎn)選擇還應(yīng)遵循如下原則：

（1）未損毀，可到達(dá)。

（2）盡量選擇交通便利點(diǎn)位。

（3）可利用周邊IGS 或者省CORS 站點(diǎn)。

5 空間變位監(jiān)測成果分析

在大橋荷載試驗(yàn)期間，依托建設(shè)完成的GNSS 空間變位監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時觀測大橋空間變位情況，及時出具數(shù)據(jù)分析與評估結(jié)果。

GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)為大橋三維空間變位，包括三個維度數(shù)據(jù)X、Y 和H，與大橋方位對應(yīng)關(guān)系如下：（1）X 為順橋向；（2）Y 為橫橋向；（3）H 為豎橋向，向上為正方向。

圖4 主跨1/4 處下游側(cè)空間變化曲線圖

綜合數(shù)據(jù)分析結(jié)果，GNSS 系統(tǒng)能觀測到明顯的加載卸載情況，與結(jié)構(gòu)實(shí)際變化結(jié)果一致，表明整個系統(tǒng)工作良好，采集的數(shù)據(jù)具有可靠性。

圖5 主跨跨中在運(yùn)營期一個季度內(nèi)豎向變化曲線圖

由上圖可知，在一個季度監(jiān)測期間內(nèi)，大橋空間變位值均未超過設(shè)計上下限值，處于安全運(yùn)行區(qū)間。

為了確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性，需要定期對GNSS 測控網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，按原測精度B 級進(jìn)行，起算點(diǎn)盡量與原測網(wǎng)保持一致，控制點(diǎn)的選擇盡量采用等級高的控制點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文針對大跨懸索橋梁的結(jié)構(gòu)空間位置變化，研究了基于GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和監(jiān)測點(diǎn)布置策略進(jìn)行了重點(diǎn)分析研究。所開發(fā)設(shè)計的GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)可精確識別大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)整體空間狀態(tài)變化，為懸索橋的安全運(yùn)營和管養(yǎng)提供了重要數(shù)據(jù)支撐。