橋梁結構健康監(jiān)測應用GPS-RTK技術的方案設計

房閆林 路華麗

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

1 概述

對橋梁結構的實時健康監(jiān)測是對橋梁結構狀態(tài)評估的基礎。目前很多研究都是對橋梁結構的某些重要力學性能進行檢測，結果只能反映橋梁某個局部的受損狀況，很難對整體健康狀況掌握，并且時效性差，不能及時發(fā)現(xiàn)問題并進行危險預警。健康檢測的一個重要內容是，基于工程測量原理，對橋梁進行實時的變形監(jiān)測。當橋梁結構發(fā)生安全范圍內的變形可以認為其處于正常狀態(tài)。反之，如果變形超出安全要求的限度，變形會對橋梁結構的安全造成一定影響。因此，國內外的學者廣泛關注結構的變形監(jiān)測方向的研究[1]。傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測儀器主要采用加速度計、激光儀、全站儀、精密水準儀等[2,3]，鑒于GPS-RTK技術的實時性，本文擬嘗試GPS-RTK技術的應用方案設計。

2 研究現(xiàn)狀

將GPS技術運用到橋梁結構動態(tài)變形的監(jiān)測工作中，在國內外還處于發(fā)展階段，在應用過程中取得了一定的研究成果，并且儲備了應用案例。Moschas和Stiros[4]將GPS傳感器安裝于一座主跨度為40 m的鋼橋進行實時監(jiān)測，GPS監(jiān)測出振動頻率為4.28 Hz和振幅僅為6 mm的結構發(fā)生的振動位移。Larocca等[5]將兩個GPS接收機應用于巴西一座曲線鋼筋混凝土橋梁的監(jiān)測，以很好地反映橋梁結構的健康狀況，并采用連續(xù)小波變換對差分數據進行濾波處理，實驗證明可以檢測到橋梁結構非常小的動態(tài)振動。伊廷華等[6]將20 Hz的數據采樣的GPS傳感器安裝于大連的北大橋用于結構的振動監(jiān)測，GPS傳感器能夠識別出的振動的頻率，能夠吻合于有限元模擬分析和加速度計測量的結果。王蔓[7]以泰州長江大橋為工程背景，分析了橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的GPS-RTK數據，基于均值控制圖法對大橋狀態(tài)預警評估進行了研究，并分析了環(huán)境溫度對主梁位移的影響規(guī)律。將GPS技術運用于橋梁結構動態(tài)變形監(jiān)測的研究中，已經逐步地成為橋梁結構健康監(jiān)測領域的熱點研究方向，但是在橋梁結構動態(tài)變形監(jiān)測領域尚待完善和進一步發(fā)展，需要進一步提高GPS技術的動態(tài)解算所需要的穩(wěn)定性和精度，進一步降低GPS接收機受環(huán)境噪聲的影響，進一步完善橋梁狀態(tài)特征提取方法和GPS多激勵源信號的分解。

3 方案設計

3.1 監(jiān)測對象

本次橋梁健康監(jiān)測實驗方案設計的監(jiān)測對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，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的三維空間線形，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340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河東側引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6) m，由普通鋼筋混凝土構成，河西側引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結構?？绾拥闹鳂驑蛎娴臉藴蕦挾葹?8.6 m，一側橫向布置包括：0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護欄+3.75 m的非機動車道+(3.75 m+2×3.5 m)的機動車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側沿著主塔區(qū)成對稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 儀器設備方案

本次實驗方案設計中的儀器設備方案為使用2套GPS-RTK系統(tǒng)、2組加速度計(包含橫向、縱向和豎向)、1臺動態(tài)信號采集系統(tǒng)、3臺計算機和發(fā)電機等設備，其中動態(tài)信號采集系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2所示。本文采用WKD3827動態(tài)信號采集儀對動態(tài)加速度信號進行采集，此采集儀適合測點分布相對分散的工程測試場合，可直接連接拾振器的電壓輸出型傳感器，儀器每個通道采用獨立24bits模數轉換器(ADC)，具有較高的信噪比，保證每個通道同步采集。加速度計采集數據的目的是與GPS-RTK的監(jiān)測效果進行相互檢驗和驗證。GPS-RTK接收機是中海達公司的海星達H32接收機，經過內部升級將采樣頻率由1 Hz調至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 測點選擇和儀器安裝方案

在運營正常條件下對橋梁結構進行動態(tài)變形監(jiān)測，測點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：

1)選定的測點位置必須要保證動態(tài)變形監(jiān)測的技術要求，同時要保證現(xiàn)場監(jiān)測人員和測試設備的安全；

2)必須確保監(jiān)測設備的穩(wěn)定性，以防止由于監(jiān)測設備失穩(wěn)而導致過大的測量誤差，甚至有可能出現(xiàn)錯誤的監(jiān)測信息。

根據富民橋的結構特點和實驗目的，只對橋梁主跨進行監(jiān)測。該橋主跨長度為157.081 m，并不是很大，因此，方案設計在主跨1/4和1/2位置處設置2個監(jiān)測點，如圖1所示。將監(jiān)測設備裝置固定在人行道欄桿外側。每個監(jiān)測點布置1個GPS-RTK接收機和1組加速度傳感器。

GPS-RTK接收機和加速度傳感器聯(lián)合監(jiān)測設備裝置方案設計如圖3所示，在對中桿的頂端安裝RTK接收機，在對中桿中部位置處的擰式螺栓中間卡入一塊鋼板，并可以調節(jié)其高度，將螺栓擰緊，加速度計放置在鋼板上。

監(jiān)測實驗中，將對中桿固定在橋面欄桿上，用氣泡水平儀檢測鋼板的水平度，見圖4?；鶞收救鐖D5所示。加速度計傳感器安置方式如圖6所示，分別測試橋梁縱向、橫向和豎向的加速度數據。1號和2號測點移動站如圖7，圖8所示。

3.4 GPS-RTK穩(wěn)定性試驗方案設計

為檢驗所用儀器的精度和穩(wěn)定性，在橋梁結構監(jiān)測開始之前，對所用儀器進行穩(wěn)定性試驗，方案如下：

1)采用3臺GPS接收機在開闊的空地上進行試驗，一臺作為基準站，兩臺作為移動站，分別為1號移動站和2號移動站，以相互驗證；

2)進行連續(xù)3 h的數據采集，其原始數據如圖9，圖10所示。從圖9，圖10中可以看出，兩臺儀器的豎向精度均在20 mm以內，說明了儀器的精度可靠性和穩(wěn)定性。

4 結語

通過以上方案設計，對橋梁結構的實時健康監(jiān)測可以采用GPS-RTK技術進行數據采集。這種監(jiān)測方案可以靈活調整采樣頻率，并且能滿足可靠性和穩(wěn)定性。加速度計和GPS-RTK兩種儀器同時采集數據，為后續(xù)數據分析結果進行相互比對提供了科學保障?？傊?，這個設計方案為后續(xù)的橋梁健康監(jiān)測數據采集和健康分析奠定了良好基礎。