某橋梁GNSS變形監測系統的設計

汪洋+徐景景

【摘 要】GNSS（全球衛星導航定位系統）目前已廣泛應用于橋梁健康監測中的變形監測，對橋梁的安全運營起到了重要作用，本文通過對一座橋梁的變形監測系統設計，在軟硬件的總體規劃布置及輔助支持方面探討了系統設計中需要注意的方面，為進一步加強這方面的研究提供有益的幫助。

【關鍵詞】GNSS；變形監測；系統設計

1.GNSS工作原理及應用

GNSS即全球衛星導航定位系統（Global Navigation Satellite System）。是由27至32顆衛星組成的通訊網絡，分布在6個軌道面上，配合地面上的信號接收及發射裝置，可對地球上任意位置進行瞬時的定位。

該系統具有定位速度快﹑精度高﹑全天候﹑費用較低等優點，近年來在全球的各個領域都得到了極大的應用。目前在我國該系統的應用也是十分迅速全面，據統計近年來我國引進的測量型GNSS接收機的數量已超過數千臺。GNSS在大型土木工程上的應用開始于上世紀90年代，應用之初由于定位精度的原因主要還是在水利水電工程居多[1]，隨著其精密定位上升到毫米級精度（在數公里的短邊上），為更為嚴格的工程測量及變形監測提供了條件。尤其是在大型工程結構的健康監測方面得到極大的應用[2]。

2.GNSS在橋梁變形監測中的應用

隨著國民經濟的發展，工程結構的安全問題越來越受到重視，橋梁作為交通工程中的樞紐，其安全性就顯得尤為重要，為保證橋梁的營運安裝，為在役橋梁裝備安全監測系統成為現在橋梁工程應用的一個研究熱點。利用GNSS系統進行變形監測，不僅量程大，同步性較好，而且對于氣候的抗干擾能力更強。

因此，隨著GNSS技術的不斷成熟，應用GNSS技術進行變形監測的橋梁工程也越來越多。例如：英國Humber橋、日本明石海峽大橋、虎門大橋、青馬大橋、東海大橋、潤揚大橋等等。

3.某橋梁GNSS變形監測系統的設計

本文所涉橋梁為一聯雙塔雙索面斜拉橋，是一座陸地跨線橋。大橋主塔為兩個A型塔，高85米，橋長502米，寬36.5米，雙向六車道設計。

該橋梁設計之初即考慮了布設健康監測系統，其中實時變形監測采用GNSS系統，該系統利用先進的GNSS技術，通過專業的監測軟件及結合計算機技術、現代通訊技術、橋梁結構計算分析等長期實時在線反映監測點的三維變形，并與其他如應力、加速度監測結合，使橋梁運營管理者可以實時監測并掌控大橋的安全使用狀態，為橋梁的健康監測和狀態評估管理提供科學的手段和方法。[3]

3.1系統設計目的和依據

由于橋梁在運營期間會受到氣候、氧化、腐蝕或老化等多種因素的影響，包括在荷載長期作用或偶發事故的作用也會產生損傷和剛度退變，這些變化都會反應在日常變形的變化中，因此本系統的設計目的是采用GNSS技術實時監測大橋的空間位移，借此研究橋梁的變形情況，尤其是和受力及氣候變化相關的變形情況，這樣可為橋梁的結構健康與安全狀況分析提供可靠數據支持。本監測系統作為橋梁長期運營的需要，在設計之初既要考慮系統的完備性和可行性，也要遵循堅固耐久和經濟適用的原則。

GNSS監測系統設計和建造有一套成熟且操作性較強的相關國家規范和標準支撐，本套系統設計中所引用的部分技術規范參見表1。

3.2 系統設計的總體框架

3.3系統設計方案

3.3.1基準點布設。

該橋GNSS實時變形監測系統的參考站選址由設計方根據實際情況指定，參考站數量為一個。具體位置經實地信號測定后確認，但是參考站位置條件必須滿足下面條件：

（1）場地穩固，最好有穩定基巖或打樁；

（2）接收器接收范圍內障礙物的高度與監測設備之間的角度不宜超過15°；

（3）遠離干擾，如大功率無線電發射源和高壓輸電線等，與干擾源之間的距離不得小于50m；

（4）盡量采用無線數據傳輸方式，如沒有條件，則網絡連接應方便；

（5）觀測標志應避免較大振動，遠離機械、車輛等振動源。

3.3.2監測點布設。

根據大橋的情況，在主橋塔頂布設2個GNSS監測站，分別為北塔塔頂1個，南塔塔頂1個；主橋梁部2個GNSS監測站，分別為主跨1/2處、1/4處。監測點采用立柱式安置方案

3.3.3系統軟件設計。

根據該橋健康監測系統實時變形監測要求，GNSS軟件部分共分三個模塊：

（1）數據采集模塊：具備數據采集、傳輸和本地存儲的功能；

（2）數據處理模塊：完成本地數據接收、控制、異地數據處理、顯示、評估等工作；

（3）數據存儲模塊：完成數據存儲和管理工作。

3.3.4輔助支持系統設計。[4]

3.3.4.1雷電防護系統

直擊雷防護

本GNSS監測系統，基準站和橋面監測點需要架設獨立避雷針，南北塔可以利用大橋現有直接雷防護系統。安裝避雷針要求避雷針與天線橫向距離不小于3m，避雷針高度按照“滾球法”確定，粗略計算可以按照45度角考慮。同時做好接地網。

電涌防護

監測站內設備必須加裝電力線電涌防護設備，通信線（數據線）電涌防護設備、射頻線電涌防護設備

3.3.4.2外場機柜

根據本系統的布設以及便于保護、安裝、維護等原則，大橋監測站設置四個在橋梁結合處箱梁里機柜。機柜位置的擺放，既要考慮GNSS天線電纜長度不宜過長，避免GNSS信號過度損耗。同時又要將機柜放置在基準站觀測墩附近以保證信號的穩定性。外場機柜的設計要滿足以下要求：

（1）材料必須采用不銹鋼；

（2）機柜分為上下兩層，中間用隔板隔開，目的是要把強電和弱電隔開；

（3）機柜要預留通線孔。

3.3.4.3綜合布線

考慮系統的耐久性及可靠性，電纜及各連接線布設應滿足以下要求：

（1）GNSS天線電纜室外部分必須穿PVC管或蛇皮管到達GNSS天線；

（2）電纜從天線接下后，埋入地表下入室；

（3）不允許有小于90°扭折

（4）塔頂監測點電纜沿走線槽布設，但必須間隔3米有一個捆扎；

（5）各接插口要插緊，同時用扎帶或絕緣膠帶固定。

4.結論

GNSS系統因其精度高，實時性強，信號穩定等優勢在橋梁變形監測中得到了廣泛的推廣應用，本文根據目前常用的GNSS設備以一個實際工程為背景，構建了一個GNSS的變形監測系統，該系統經實際模擬實測，完全能滿足工程變形監測的需要，可供類似工程參考。

參考文獻

[1]史曉萍. GNSS實時監測系統在變形監測中的應用. [J]. 山西建筑，2017，43（9）：196-197

[2]余加勇. 基于GNSS和RTS技術的橋梁結構健康監測. [J].測繪學報，2015，44（10）：1177-1180

[3]陳聰，顧鐵，劉江.GNSS動態變形監測系統的設計與初步實現.[J].四川地震，2016（2）：31-33

[4]張慶斌. GNSS技術在變形監測中的應用. [J]. 科技創新與應用.2016（22）：292-294

注：寧波市智團創業計劃項目（鄞科【2016】68號）。endprint