基于TRACK對橋梁健康狀況分析

于龍昊,丁克良,劉明亮,劉亞杰,羅麒杰

(北京建筑大學(xué),測繪與城市空間信息學(xué)院,北京 102616)

0 引 言

橋梁的健康狀況一直是國民關(guān)注的重點(diǎn),它不僅關(guān)乎國民的交通安全還與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分。大多數(shù)大跨度橋梁易受環(huán)境或地震的影響,進(jìn)而產(chǎn)生變形或振動(dòng),而大多數(shù)中小跨度橋梁因時(shí)間老化或車輛負(fù)重也會(huì)產(chǎn)生一定的變形或振動(dòng)。因此,對橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和分析就顯得至關(guān)重要[1]。

目前,國內(nèi)外研究橋梁健康監(jiān)測的最為普遍的方法就是GPS技術(shù)。GPS監(jiān)測憑借高精度、高采樣率、全天候、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)已在橋梁的動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面具有顯著的作用,且TRACK模塊的精度也達(dá)到了理想的效果[1-5,7]。隨著高頻GPS接收機(jī)的不斷涌現(xiàn)。利用高頻GPS監(jiān)測手段對橋梁瞬時(shí)形變的技術(shù)也有了很大的提高,對于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的算法研究和改進(jìn)也越來越深入。

本文利用GAMIT/GLOBK10.61中雙差動(dòng)態(tài)定位TRACK模塊對某橋梁24 h的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)單歷元數(shù)據(jù)后處理,分別得到了車輛高峰時(shí)段和夜間時(shí)段的橋梁高程振動(dòng)時(shí)間序列,又通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EMD)使橋梁振動(dòng)的時(shí)間序列降噪處理更直觀,并通過與GAMIT/GLOBK得到的高程數(shù)據(jù)對比差值,更明顯的橋梁振動(dòng)情況,對比分析了車輛對橋梁健康狀況的影響,進(jìn)一步驗(yàn)證了TRACK對橋梁狀況分析方法的可行性。

1 TRACK模塊

1.1 TRACK模塊簡介

TRACK是GAMIT中一個(gè)單歷元?jiǎng)討B(tài)定位模塊[6]。TRACK模塊憑借其單歷元?jiǎng)討B(tài)算法能夠廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測、地震監(jiān)測、道路信息采算可以得到測站每個(gè)歷元的三維坐標(biāo)和單位權(quán)中誤差,從而得到移動(dòng)站的運(yùn)動(dòng)軌跡。

TRACK 模塊有三種定位模式LC、和 L1、L2。當(dāng)基線長度大于 1 km時(shí),單頻的定位模式不能有效消除電離層延遲,LC組合可以基本消除電離層延遲誤差,TRACK一般選擇LC組合模式進(jìn)行解算。當(dāng)基線長度小于 1 km 時(shí),由于短基線兩端觀測環(huán)境相關(guān)性極強(qiáng),差分后電離層延遲、對流層延遲都會(huì)得到很大的削弱,在距離基準(zhǔn)站小于10 km 的情況下TRACK 的定位精度優(yōu)于1 cm,這種情況可以使用單頻的 L1 、L2 的定位模式[7]。

TRACK模塊可以輸出不同坐標(biāo)系下的單歷元坐標(biāo),本文實(shí)驗(yàn)案例使用GEOD輸出得到了大地坐標(biāo)系坐標(biāo),其它可輸出的坐標(biāo)系分別為X，Y，Z笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)、DHU 輸出得到的是相對于移動(dòng)站先驗(yàn)坐標(biāo)的N、E、U站心坐標(biāo)、N、E、U輸出得到坐標(biāo)系統(tǒng)考慮了地球曲率影響的N、E、U坐標(biāo)、DUMP用來輸出ionex 對于解算結(jié)果的影響。

1.2 TRACK定位原理

TRACK模塊的定位原理和載波相位后處理技術(shù)(PPK)類似,都是采用載波相位觀測值進(jìn)行差分相對定位,從而得到差分站在選定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。載波相位差分的重點(diǎn)是求解整周模糊度,整周模糊度確定后即可進(jìn)行定位,TRACK模塊首先輸入的文件為rinex格式的觀測數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)情況分配模糊度參數(shù);然后解算模糊度整數(shù)值,無論是長基線還是短基線都普遍使用雙頻P碼偽距觀測量和相位觀測量組合求解模糊度的“M-W”來計(jì)算寬巷模糊度[8-9]:

(1)

式中:φi為對應(yīng)的相位觀測量;fi為Li波段的載波頻率;Pi為對應(yīng)的偽距觀測量。

最后根據(jù)殘差平方和最小準(zhǔn)則選出正確的模糊度整數(shù)解,由整周模糊度值解算觀測點(diǎn)的精確坐標(biāo),進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 實(shí)測算例

2.1 GAMIT TRACK數(shù)據(jù)后處理

對某橋梁的健康情況進(jìn)行監(jiān)測,本文的實(shí)驗(yàn)方案分為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)處理案例和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)處理案例兩方面進(jìn)行分析,具體實(shí)驗(yàn)方案如下:

為了對橋梁進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)于2017年4月8日對該橋梁進(jìn)行監(jiān)測,測量儀器選取5臺(tái)天寶R8接收機(jī),分別在左橋和右橋橋墩處架設(shè)4臺(tái)接收機(jī),橋外架設(shè)1臺(tái)地面干涉合成孔徑雷達(dá),架設(shè)1臺(tái)接收機(jī)作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測時(shí)的基準(zhǔn)站,且基準(zhǔn)站與橋上接收機(jī)距離小于2 km,接收機(jī)與電瓶連接保證能夠連續(xù)觀測24 h,接收機(jī)的高度截止角為15°,數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz,位置采樣率為1 Hz,周圍空曠,并無樹木遮擋,圖1是橋梁上的GPS接收機(jī)實(shí)測圖。

1) 靜態(tài)數(shù)據(jù)處理：先利用GAMIT 軟件加入chan,suwn,urum,lhaz四個(gè)站解出的靜態(tài)基線,得到單天解的結(jié)果 h文件,再通過GLOBK計(jì)算出WY02,WY04,WY06,WY08的空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)后,通過GAMIT基線解算出的o文件得到均方根誤差為0.23,滿足精度要求,故本實(shí)驗(yàn)將得到的坐標(biāo)作為已知值。

2) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理：采用GAMIT軟件中的TRACK模塊對橋梁的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。TRACK模塊的輸入數(shù)據(jù)選取橋梁一側(cè)的4個(gè)GPS觀測點(diǎn)作為差分站以及橋梁外1個(gè)穩(wěn)定的GPS基準(zhǔn)站。為了研究橋梁在車輛通過時(shí)的振動(dòng)情況,使用TEQC軟件截取5個(gè)觀測點(diǎn)在車輛早高峰6:00-8:00時(shí)段的動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù),以及夜間凌晨1:00-3:00時(shí)段的動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)。并采用GAMIT TRACK模塊對5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行單歷元解算,TRACK模塊數(shù)據(jù)處理輸入文件如表1所示。

表1 TRACK模塊輸入文件

由于所處理數(shù)據(jù)為短基線觀測,因此在track.cmd中修改基線類型為short,修改坐標(biāo)系為GEOD大地坐標(biāo)系,修改采樣間隔為1 s,可以得到WY02,WY04,WY06,WY08點(diǎn)在每個(gè)歷元下的大地坐標(biāo)。

2.2 EMD去噪

由于GPS數(shù)據(jù)中疊加了多種因素的信號(hào),如車載、風(fēng)載、溫濕度等因素。因此要在GPS數(shù)據(jù)中提取“干凈”的數(shù)據(jù),降低“噪聲”的影響。針對動(dòng)態(tài)測量結(jié)果受到高頻噪聲的影響,本文采用matlab編寫的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)降噪程序?qū)PS橋梁上WY02,WY04,WY06,WY08的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪,通過對橋梁上四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)重構(gòu)得到更精確的橋梁縱向高程變化。

2.3 數(shù)據(jù)分析

為反映橋梁監(jiān)測點(diǎn)處的縱向變形變化趨勢,將經(jīng)過EMD去噪后的TRACK模塊得到的單歷元時(shí)間序列與 GAMIT/GLOBK解算得到的橋梁監(jiān)測點(diǎn)處大地高作差值,分別得到不同時(shí)段ΔH隨歷元變化的序列,并求得橋梁上監(jiān)測點(diǎn)的位移平均值,并進(jìn)行分析。車輛高峰時(shí)段橋梁監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)情況如圖2所示,夜間時(shí)段橋梁監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)情況如圖3所示。

圖2中該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果為車輛高峰(6:00-8:00)時(shí)段的橋梁四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的瞬時(shí)振動(dòng)情況,圖中橫坐標(biāo)為車輛高峰時(shí)期的歷元數(shù),縱坐標(biāo)位移表示TRACK計(jì)算得到的大地高與已知高程數(shù)據(jù)之間的差值,可見0時(shí)刻時(shí)位移量為負(fù)值,說明橋梁在車輛高峰時(shí)段有所下沉。此時(shí)段橋梁上WY02、WY04、WY06、WY08監(jiān)測點(diǎn)的下沉量平均值分別為-0.03 m,-0.062 m,-0.047 m,-0.113 m;且四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)位移走勢基本一致,降噪曲線也比原始數(shù)據(jù)曲線更加平滑。另外,在2600歷元左右處,橋梁的四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)基本同時(shí)出現(xiàn)了較大的位移波動(dòng),這可能是因?yàn)樵?600歷元左右,有大型車輛依次在這四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)旁通過的現(xiàn)象,造成了橋梁產(chǎn)生了瞬時(shí)形變量達(dá)到12 cm的明顯振感,結(jié)合地面干涉合成孔徑雷達(dá)對本橋梁的結(jié)果分析,該時(shí)刻地面干涉合成孔徑雷達(dá)接收到的信號(hào)也出現(xiàn)分米級(jí)振動(dòng)位移;除這一段時(shí)間外,橋梁的位移高程差大部分在1～2 cm,可見高峰時(shí)段車速緩慢,橋梁振動(dòng)幅度不明顯。

圖3所示中實(shí)驗(yàn)結(jié)果為夜間(1:00-3:00)時(shí)段的橋梁四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的瞬時(shí)振動(dòng)情況,從該圖可明顯看出,在夜間時(shí)段的0時(shí)刻,監(jiān)測點(diǎn)位位移量也都為負(fù)值,此時(shí)段橋梁上WY02、WY04、WY06、WY08監(jiān)測點(diǎn)的下沉量平均值分別為-0.023 m,-0.044 m,-0.016 m,-0.178 m,可見下沉位移量相比車輛高峰期的下沉量小;圖中監(jiān)測點(diǎn)位移波動(dòng)較為明顯,但WY02、WY04、WY06、WY08四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位移走勢也基本一致,橋梁的位移高程差大部分在3～4 cm,可見夜間時(shí)段車速較快,橋梁振動(dòng)幅度比車輛高峰時(shí)段明顯。

結(jié)合車輛高峰時(shí)段和夜間時(shí)段橋梁經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解降噪的振動(dòng)位移圖可以得出以下結(jié)論,在車輛高峰時(shí)段,橋梁產(chǎn)生下沉位移量隨車輛的增加而增大,其振動(dòng)幅度并不明顯;在夜間時(shí)段,橋梁產(chǎn)生下沉位移量也隨車輛的減少而減小,其振動(dòng)幅度反而明顯。

3 結(jié)束語

本文通過對橋梁實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)的數(shù)據(jù)后處理分析得出:

1) GAMIT/GLOBK軟件的TRACK模塊處理出的橋梁GPS單歷元數(shù)據(jù),能夠?qū)蛄旱乃矔r(shí)位移和瞬時(shí)形變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,進(jìn)而分析橋梁的穩(wěn)定程度。

2) 針對橋梁受環(huán)境和載荷的影響導(dǎo)致變形量 較大的情況,采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪,通過對橋梁振動(dòng)信號(hào)的重構(gòu)得到更精確的橋梁振動(dòng)細(xì)節(jié)和位移變化。

3) 結(jié)合車輛荷載得到橋梁的瞬時(shí)位移和變形可見,橋梁在車輛高峰時(shí),下沉位移量較大,振動(dòng)幅度較小;橋梁在夜間時(shí)段,瞬時(shí)形變量較小,振動(dòng)幅度較大。