苏通大桥形变的GPS动态监测

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摘 要

针对目前大桥监测的现状及各种监测方法的优缺点，该文结合苏通大桥运营情况，研究了GPS动态监测的原理、系统组成、坐标转换及监测注意事项，并对其进行了GPS动态监测试验。采集了桥面沿轴线方向、横向及竖向位移数据，对大桥在温度、风荷、车载等因素影响下的运营期大桥响应情况进行了分析。表明大桥轴线方向位移与温度正相关，1/4跨处相关系数为0.859；竖向位移与温度负相关，1/4跨处相关系数—0.817。并对数据进行了频谱分析，分析结果表明频谱没有明显变化；大桥各方向振幅在安全范围内，表明运营期的大桥十分健康；同时也表明GPS动态系统监测结果是可靠的。

引用格式

吴杰，胡夏闽，苗恒亚.苏通大桥形变的GPS动态监测[J]．测绘科学，2016，41（11）：171-174.

正文

随着经济的发展，我国已经修建了多座跨河、跨海特大型桥梁。桥梁在外力作用下都会发生振动，一般情况下这些振动对安全来说是可以容忍的。随着交通需求的发展和建设技术的提升，桥梁长度不断增加，造型日益新颖；同时，通行车辆数量、载重和速度也较以前有较大变化，这些都使得桥梁动力响应增大，造成桥梁振动加剧。桥梁的自振特性（自振频率、振型及阴尼系数等）是反映桥梁自身特性和工作状态的重要参数。大跨桥梁在长时间的运营过程中，由于受到材料的老化、氧化腐蚀等因素影响，而且长期处于静载和动载的作用下，其强度和刚度会逐步下降，各种静态和动态变形量也会增加。这不仅会改变结构内部应力分配，影响桥梁的安全，也会缩短桥梁的使用寿命。因此，必须对运营期的桥梁进行监测，对可能发生的灾害进行预测，发现结构损伤、评估其是否安全，从而及时对结构进行维护，已成为现代大跨桥梁工程的必然要求。

当前，大型桥梁动态几何位移监测常用的仪器有全球定位系统、测量机器人、加速度传感器等。加速度传感器高频部分监测效果好，但低频部分监测效果差，可能无法识别低频动力效应部分；由于位移需要两次积分，位移精度一般不高。测量机器人技术布设测点灵活，测点数量不受限制，缺点是监测频率低，一般小于1Hz，精度受天气影响大，且无法实现各测点同步观测。GPS差分技术监测频率达到10Hz以上，测量精度高，对目标高率和低频部分监测效果均较好；特别是多天线技术，极大降低了监测的费用，是目前大桥动态监测的主要手段。

目前，很多重大工程如香港青马大桥、广东虎门大桥、新加坡共和国广场大厦等均已成功布置了GPS监测系统进行长期实时监测。本文结合苏通大桥运营情况研究了GPS动态监测系统构成、数据处理方法及过程，并进行了试验和健康分析。

1.大跨桥梁GPS监测系统

GPS监测系统由基准站、监测点、数据传输系统、监控中心等部分组成。用GPS监测桥梁自振频率时，GPS采样频率与桥梁最高自振频度必须满足Nyquist采样定理。 为了使采样信息更准确，一般实际采样率为待采频率的4～5倍。大桥自振频率一般为2 Hz以下，所以采样频率一般高于10Hz为好，实际观测时一般采用高精度双频接收机。

基准站用来接收视场内的所有卫星，并通过数据传输系统把差分信息传输给监测点。监测点同时接收基准站的差分信息和同步观测卫星信息，以10HZ以上频率采集监测点的三维坐标，并实时载波相位差分处理，同时发送给监控中心。为了提高精度，应尽可能缩小基准站和监测点之间距离。监控中心接收各监测点的监测数据，通过相关软件进一步处理后，得到监测点的实时位移，并通过图、表等方式实时显示。得到授权的用户可以通过网络终端实时查看。GPS监测系统具有实时、高精度、高频率、自动化等特点。

GPS实时动态监测的关键是双差整周模糊度的求解，一般采用整周模糊度动态解算法OTF（on the fly ambiguity resolution），该法在流动站近似坐标和协方差的基础上确定整周模糊度的搜索空间，在此空间内计算所有的可能模糊度解，再通过比较最小方差选择最大优解和次优解，最后确定整周模糊度。该法能在数秒内确定模糊度，对于失锁后能更很快再次锁定卫星，而不必象过去为了使卫星在天空的分布发生较大变化以减小误差方程线性相关性而需要长时间等待。其精度和几何精度因子(dilution of precision,DOP)值有关，PDOP值越小解算精度越高，速度也越快。

其过程是将一台或多台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于监测点上，基准站和流动站同时接收天空相同GPS同时发射的信号。载波动态相对定位基准站传送数据方法主要有两种：一是参考站向移动站发送原始观测数据，在移动站进行卫星双差处理并求解移动站三维坐标，该方法对数据链要求较高，移动站计算量大；另一种方法是基准站向移动站发送测相信距修正值，移动站利用修正值修正测相伪距观测量，从而得到流动站准确的实时位置，这种方法对数据链要求不高，移动站计算量小，相对简单。

由于GPS用的是WGS-84坐标，监测成果一般要进行坐标转换。转换过程：把GPS和桥梁控制网联测，求得转换参数，把监测点的GPS坐标转换成桥梁施工坐标系坐标；再把转换后的桥梁施工坐标中的平面坐标x、y转换为监测假定坐标系。假定坐标系以桥轴线为x轴，y为桥的横向，为平面坐标系。桥梁施工坐标系到桥梁假定坐标系之间的转换为平面转换，高程通过平面拟合得到。

对于大跨斜拉桥和悬索桥，塔柱摆动监测点一般布设在塔顶，每个塔柱2个测点。桥面线形、挠度和摆动观测点一般布置在主梁跨径的8/L、4/L和2/L处，与锚固着力点对应，两侧对称布置。数据传输采用具有高稳定性和高效率的光纤较好；对于监测到的海量数据采用数据库技术进行管理，并建立备份、更新和恢复制度；使用相关软件对数据进行实时处理，主要包括风对桥面和索塔的影响、温度对桥面竖向位移和索塔轴线形状的影响，车辆对大桥竖向位移影响，频谱分析及健康评估等。对不同监测结果采用不同的可视化显示方法，包括二维结果显示和三维结果显示，对于三维显示可按一定比例放大位移以使效果可见；并建立预警和报警制度。

2.试验结果及分析

苏通大桥位于南通市和常熟市之间，主要由北岸接线工程、跨江大桥工程和南岸接线工程三部分组成。大桥于2003年6月开工，2008年6月30日建成正式通车；为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，全长8 146 m，斜拉桥主孔跨度1 088 m，主塔高306 m，斜拉索长580 m。苏通大桥创造和打破了世界纪录协会多项世界纪录。大桥位于长江下游，受台风影向明显，且季节和日温差大，恶劣环境影响明显。因此，对运营期的大桥进行实时几何监测，能够了解大桥几何形变的空间分布和随时间的变化情况，和大桥物理监测量一起作为大桥健康状况评估的依据。

试验中采用3台Trimble 5700双频GPS接收机，其中，一台接收机作为基准点，要求观测环境好，视野开阔，周围无遮挡；另两台作为监测点分别设置在1/2和1/4跨处桥面护栏上。数据采集时间在2014年1月27日，取T 11：00：00—T 12：00：00之间的监测数据，监测时平均风速3～4级，温度在10.3℃～11.5℃。按动态观测模式连续观测，3个测站同步观测约1 h，卫星高度角限值设置为13°，采样频率为10Hz。

3.结束语

GPS单频动态定位可测量大桥在异常天气(台风、暴雨)、交通荷载或温度效应下的变形。系统可实现多点同步观测，受外界影响小，易于管理。试验结果表明，GPS的动态定位精度较高，能够很好的描述出运动物体的运动轨迹。由分析可知，苏通大桥温度变化与轴线方向伸缩成正相关，与高程方向位移成负相关；车辆、风力等随机荷载激发大桥按自身固有频率振动，各频率成份的能量大小与激励荷载的频率有关系。大桥振动幅度和频率正常，大桥处于健康运营中。