基于GPS的大跨度橋梁安全監控系統設計分析

楊志華

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江哈爾濱 150080）

基于GPS的大跨度橋梁安全監控系統設計分析

楊志華

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江哈爾濱 150080）

詳細分析了GPS應用于大跨度橋梁安全監控系統的可靠性，并舉例證明了該系統在記錄橋梁受到車輛、地震以及臺風等因素影響時所獲取的各項數據的精準性。

GPS；大跨度橋梁；安全監控系統；實時

1 大跨度橋梁的傳統測量方式與GPS安全監控系統檢測比較

1.1激光干涉儀

激光干涉儀是先在監測點上安裝反射裝置，觀察監測點到基準點時間和距離變化的關系值，然后經過數據分析得出位移變化相應的振幅以及主頻率。這種方法在大橋不受強烈的外界因素的影響下具有精準度高的特點，但是一旦大橋受到強烈的外界干擾產生震動、搖晃時就很難找到目標，得出準確數據。所以激光干涉儀只適合短期檢測。

1.2全站儀自動掃描法

該儀器由微處理機、光電測距儀和電子經緯儀組成，能同時測距、測角并計算出高程和坐標，安裝一次就能自動完成全部測量工作。近期還產生了一種直接反射型全站儀，該儀器對于那些其它儀器難以企及的測量點非常適用。但是無論如何改進，該儀器都達不到實時測量的效果，而且激光掃描受環境的影響極大，機器本身壽命也較短。

1.3加速度積分傳感器

加速度積分傳感器監測法通過對結構變形的振動測試來達到監測的目的，然后經過對位移位置變化值的2次積分獲得最后的測量值。該方法需要對大量的數據進行分析才能得到監測結果，時間長，數據精度低。

1.4GPS安全監控系統

GPS安全監控系統是一種新的監測技術，通過測定接收機與衛星的距離達到定位的目的。即在監測站和基準站分別安置一臺接收機，GPS對這兩個站點獲得的數據進行差分處理，這樣就得到了監測站的三維坐標，監控中心再通過數據處理軟件對接收到的檢測結果進行統一分析，得出的最終數據就是大橋在某一位置上的變形、位移等的參數。該系統操作方便，不受任何環境因素的干擾，所得參數的精準度能達毫米級，全天候數據傳送，且設備穩定耐用。

2 GPS安全監控系統的應用

2.1XX大橋GPS安全監控系統的應用

（1）該系統的應用目的

XX大橋是跨徑超千米的大型懸索橋，建立GPS安全監控系統是為了對橋梁的三維動態進行實時監測，直觀的了解地震、臺風、車輛等荷載作用下橋梁的線性變化，判斷其運營結構的安全性。在對橋梁進行智能化監測的基礎上，實現數據的采集、分析的自動性。該橋在建造時還根據參數的設定，建立了多級報警系統，達到了橋梁結構危險性評價的動態分析。

（2）GPS安全監控系統的形成

GPS安全監控系統是整個大橋結構監測的一個子系統，由6各監測站和2個基準站通過光纖網絡連接而成，然后經過三維動態、數據的采集和處理等軟件實現橋梁變形的實時監測。XX大橋的監測站主要分為橋面站和塔頂站，橋面站分別位于的主梁的1/10、1/5和2/3斷面的兩側，橫梁的中間位置就是塔頂站。基準站建立的目的是為監測站提供準確的位置和橋梁變形的位置參數，所以基準站要建立在一個穩定的位置。因此該大橋基準站的天線就架在大橋的中心大樓，還能定期通過觀察大樓的沉降及時修正基準站的參數。

（3）數據分析

大跨度橋梁都是以鋼為主要架構，橋梁的豎向變形主要是由車輛荷載和溫度荷載引起的，風荷載等造成的則是主梁的橫向變形。XX大橋在設計階段充分考慮了這些因素，對于結構豎向變形的測量，設計了黃、橙、紅三級預警線。其中紅色預警線是最不利荷載下的結構高程值，黃、橙預警以0.95分出置信水平的下限和上限值。對于風荷載的處理，該大橋在設計之初經過多次抗風能力和風洞實驗，最后根據實際測量所得出的風速數據和主梁GPS坐標數據建立出風速與橫向位移的線性模型（線性回歸法），然后就模型進行橋梁在運營期間的安全系數評價。另外，該模型也能夠預測XX大橋在極限風速下的準靜態橫向位移，進而知道該橋在某些極端事件下的反應。

3 GPS對大跨度橋梁安全監控系統的意義

3.1GPS實時監控系統能夠保證橋梁的安全性

隨著經濟發展和運輸的需要，大跨度橋梁應運而生。但是跨度越大，高度越高，安全系數越低，尤其是在特殊氣候或者是車輛超重等的影響下，跨度過大的橋梁就會有位移，甚至擺動的危險，例如金門橋在1951年橋梁豎向振幅達到3.3 m，就是因為受旋風連續4個小時的影響。另外還有橋梁受高風速的影響側移3 m和4.7 m的例子。因此，為了保證橋梁運營的安全性，運用GPS監控系統能及時對橋梁的震動、位移等進行實時監測和觀察，發現病害所在，并通知橋梁相關管理人員進行維護修整或停用，以避免不必要的事故發生。

3.2GPS可以為橋梁的設計和改進提供有效的依據

大跨度橋梁受外在因素影響大，要想提前判斷出橋梁的結構設計是否合理耐用，就必須利用先進的技術手段得出大橋在受到不同外在因素影響時所產生的數據，進而繪制出線性模型，以備參考。但是目前對某些惡劣的氣候條件的判斷只限于理論說明和模型實驗，實際情況下橋梁的變化并沒有充分的研究，所以要提高大跨度橋梁的耐用性，減少事故的發生，就必須對大橋進行GPS實時監控系統，這樣才能積累出實際有效的數據，為以后大跨度橋梁的設計和改進提供有效的依據。

綜上所述，GPS安全監控系統實現了大跨度橋梁實時、長期的監測，可以在不受任何干擾的情況下獲取大橋在不同荷載作用下的數據，并通過對各種數據的相關性分析，幫助人們更好的維護大橋的結構，進而延長大橋的使用壽命，減少不必要的經濟損失。

［1］ 黃聲享，楊保岑，張鴻，梅文勝.蘇通大橋施工期幾何監測系統的建立與應用研究［J］.測繪學報，2009，（1）：66-72.

［2］ 樊葉華，陳雄飛.GPS在江陰大橋結構健康監測中的應用［J］.中國交通信息產業，2009，（5）：111-113.

［3］ 鄢真，嚴麗平.基于GPS的嵌入式橋梁實時數據采集系統的探究［J］.山西建筑，2009，（32）：365-366.

［4］ 孫占衛.大跨徑橋梁GPS位移監測系統設計概述［J］.交通世界（運輸.車輛），2011，（9）：108-109.

［5］ 尹仕健，曹映泓，張海明.湛江海灣大橋健康監測系統及其設計［J］.中外公路，2006，（5）：102-105.

［6］ 朱彥，承宇，張宇峰，陳雄飛，等.基于GPS技術的大跨橋梁實時動態監測系統［J］.現代交通技術，2010，（3）：48-51.

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1008-3383（2016）09-0105-01

2015-11-15