大跨徑橋梁運營期GPS/BDS動態形變監測及分析

劉志強，岳東杰，鄭德華

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

現代大型橋梁如斜拉橋、懸索橋，具有跨越能力強、技術先進、經濟實用等特點，在跨江河(海)及高山峽谷等交通工程中被廣泛采用。隨著大跨徑橋梁跨越寬度的日益增大，其損傷識別和安全監測問題較常規橋梁要更加突出。尤其當橋梁使用一定年限后，長期累積的結構疲勞和損傷將可能影響橋梁運營的基本安全。

橋梁在運營期間受到交通荷載、溫度及風力變化、結構性能退化、地震等因素影響，產生的動態變形大致可以分為兩類：因基礎沉降、索力松弛及橋梁斷裂等造成的永久變形和狀態可恢復的短期變形[1-2]。針對大跨徑橋梁外部變形監測，傳統大地測量方法通常采用精密水準儀和全站儀等儀器，對于結構較為穩定的連續剛構、橋墩與索塔基礎等的監測具有優勢，一般能以毫米級的精度探測出構件在一定周期內的變形情況。但對于主橋橋面和索塔等，受環境因素變化影響，會產生明顯的持續動態三維變形。傳統方法觀測周期長、工作量大，受監測頻次所限無法跟蹤監測點位的連續變化情況。另外，各監測點也無法嚴格同步觀測，從監測結果中難以分離因時間不同步、環境因素變化的影響。攝影測量及地面三維激光掃描測量技術用于橋梁變形監測具有非接觸、面測量的優勢，但存在測量精度隨著距離增加而迅速下降的不足[3-5]。合成孔徑雷達干涉測量技術用于變形監測可達毫米級水平，但其時間分辨率較低，應用在橋梁連續短期動態監測中仍存在困難[6-7]。

目前，國內外的很多大跨徑橋梁健康監測與診斷系統，一般在橋梁關鍵部位布設GNSS監測點，利用實時動態定位(RTK)技術實現全年連續三維位移監測[8-12]。眾所周知，RTK定位的平面精度一般為1～2 cm、高程精度為3～5 cm。RTK模式在實時反映橋梁大尺度變形狀態(如突發密集荷載、臺風、地震等)方面具有顯著優勢。對處于常規運營狀態的橋梁而言，其短期動態變形幅值一般較小，且變化相對緩慢。在環境因素相差不大的情況下，同一監測點同時段的位置重復較差可能僅為數毫米。無論是監測橋梁短期動態變形及其可恢復性，還是面向橋梁整體結構長期趨勢性變化的永久變形分析，RTK監測數據結果的定位誤差因素干擾均過大。盡管可以采用一定的數據處理手段對RTK定位結果進行濾波，但這是否會損失重要和危險的形變信號，值得進一步探討[13-16]。

對于處于常規運營期的大跨徑橋梁而言，除隨機環境因素激發下產生的微小振動外，橋梁的動態變形一般為是接近蠕動的緩慢動態變形。但這種動態蠕變與大壩、滑坡體等的變形又有明顯不同，其周期較短，一般約為24 h。本文針對目前GNSS-RTK監測系統并不能完全滿足高精度變形監測的缺陷，嘗試采用基于GPS/BDS觀測數據的連續準靜態模式監測大跨徑橋梁動態變形，并對蘇通大橋主橋外部變形監測試驗進行結果分析。

1 監測點布設與監測基準

1.1 蘇通大橋概況

蘇通大橋位于江蘇省東南部，是國家高速網絡的重要樞紐和跨長江通道，也是世界上首座主跨徑突破千米的斜拉橋。大橋全長8.146 km，由引橋、主橋和輔橋3部分組成；其中主橋為七跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主孔跨徑為1088 m。蘇通大橋自2008年建成通車以來，迄今為止已運營9年。近年來，交通流量、行車密度及重型車輛數大幅度增長。

1.2 監測點布設

根據蘇通大橋結構特點，在主橋關鍵部位布設監測點12個，分別位于主橋南端(S1、S2)、主跨南1/4跨(P1、P2)、主跨跨中(M1、M2)、主跨北1/4跨(Q1、Q2)、北端(N1、N2)、南索塔(NT)、北索塔(BT)。同一監測斷面，上、下游監測點對稱布設。監測采用雙基準站策略，選取蘇通大橋平面控制網點ST02作為主基準站，ST06作為輔基準站，兩基準站距各監測點均不超過3.5 km?；鶞收?0°以上高度角周圍無明顯遮擋及遠離電磁波干擾源，地質條件較為穩定。具體監測點布設位置及點位分布如圖1所示。

圖1

1.3 監測基準

采用與蘇通大橋測區附近多個IGS站點聯測的方法，獲取基準點在ITRF2008框架下的坐標?？紤]到監測結果在不同坐標系中的表達，為方便后期坐標轉換，將蘇通大橋基準平面控制網點(ST01—ST06共6個)一起納入解算。GPS網三維平差約束基準取SHAO、BJFS、TWTF在ITRF2008框架下2 014.739歷元(2014-09-28)的坐標。所聯測IGS站點分布如圖2所示。

圖2 監測基準聯測IGS站點分布

2 監測數據處理與坐標轉換

2.1 GPS/BDS觀測數據預處理

將所有接收機原始數據需轉換成RINEX格式，并保留2.11和3.02兩種格式版本；對RINEX觀測文件頭進行編輯，包括天線ARP位置、測站近似位置、首歷元觀測時間等信息。監測點數據由1 s基礎采樣率歸化為10 s、30 s等，并按每15 min或10 min一組分時段存儲處理3種方案的基礎觀測數據，即GPS單系統、BDS單系統和GPS/BDS組合系統。以上均通過基于Matlab的自編程序實現自動化處理。除此之外還可進行衛星可見性及PDOP值計算、信噪比信息提取、多路徑效應評估及周跳探測等。

2.2 數據解算與坐標轉換

GNSS解算結果的坐標是基于ITRF參考框架的，而對橋梁特性的分析主要基于橋梁橫向、縱向及豎向。為分析各GNSS監測點的平面位置變化，建立蘇通大橋橋軸坐標系：其中X軸為橋縱軸方向、Y軸橋橫軸方向。對于各GNSS監測點的豎向位移變化，直接采用WGS-84橢球下的大地高。在解算出各GNSS監測點的ITRF2008坐標后，通過坐標轉換統一轉化為橋軸平面坐標和大地高，即(X,Y,H)。

采用自編GNSS數據處理軟件GeoPNT對各時段基準站與各監測點所構成的GPS/BDS基線進行處理，僅取基線固定解，并剔除不合格基線。根據聯測IGS站得到的基準點坐標，結合基線解算結果，得到各監測點的ITRF2008下的坐標。由ITRF2008坐標轉換為蘇通大橋橋軸坐標的過程如下：

(1) 采用北京1954(BJ54)橢球參數，將各監測點的ITRF2008框架下的空間直角坐標(X,Y,Z)ITRF2008轉換為BJ54橢球下的大地坐標(B,L,H)BJ54

(1)

(2) 以BJ54橢球為基準，選定測區中央子午線，將得到的(B,L,H)BJ54投影為平面格網坐標(x,y)GRID；將該格網坐標進行平移、旋轉及尺度縮放可轉換為與蘇通大橋平面控制網采用的STB平面坐標(x,y)STB

(2)

轉換采用的公共點為ST02、ST03、ST04、ST05，驗證點為ST01、ST06。采用4個平面控制點作為公共點，由上述方法得到平面格網坐標與STB平面坐標間的轉換參數，其平面坐標轉換殘差及驗證點殘差為毫米級。

(3) 按照步驟(2)中求得的轉換參數，可以將各GNSS監測點的坐標轉為STB平面坐標。STB平面坐標系與大橋橋軸坐標系僅存在方位旋轉關系，二者間的旋轉角β通過監測點P1與Q1原STB平面坐標反算坐標方位角得到。于是，各GNSS監測點的坐標STB平面坐標(x,y)STB可通過下式轉為橋軸坐標(X,Y)橋軸。

(3)

(4) 采用WGS-84橢球參數，按式(1)可以將各監測點的ITRF2008框架下的空間直角坐標(X,Y,Z)ITRF2008轉換為大地高H，用于分析各監測點的縱向位移變化。

3 監測結果與動態變形分析

3.1 主橋關鍵部位動態變形監測結果分析

按圖1所示的監測點位，筆者于2014年9月28日8:00—9月29日8:00進行了第一次GNSS動態變形監測試驗。外業觀測衛星截止高度角設定為15°，采樣間隔歸化為10 s。當日氣溫變化為23℃～28℃，白天日照充足，全天平均風速7.3 m/s。將主橋各監測點外業數據每15 min作為一個單元時段進行連續解算。設計如下3種方案：①GPS單系統；②BDS單系統；③GPS/BDS組合系統。為保證監測成果的可靠性，取基準站ST02、ST06推求的監測點ITRF2008坐標平均值，然后按上文所述方法轉化為橋軸坐標。以各監測點9月28日8:00—9:00解算結果的均值作為初始值，解算結果扣除該基準值后，可得到3種模式下主橋監測點動態變形結果如圖3所示。限于篇幅，圖3中僅給出了主橋南端、北端、跨中及1/4跨各一側點位的解算結果。

從圖3中GPS和GPS/BDS組合兩種模式的解算結果可以看出：①主橋南端和北端監測點沿橋軸縱向位移變化較大，隨著溫度上升引起的纜索、鋼箱梁受熱膨脹，于15:00—16:00左右變形達到最大幅值，約為10 cm。由于主橋兩端點均有橋墩支撐，沿橋軸橫向位移變化除個別時段外，大多在±1 cm范圍內，而豎向位移稍大，約在±2 cm范圍內變化。主橋兩端監測點位在次日8:00的解算結果均在初始位置附近，表明其三維動態變形均具有良好的可恢復性。②受纜索約束，主跨跨中和1/4跨監測點沿橋軸縱向位移均較小，波動范圍約為±2 cm。沿橋軸橫向位移變化24 h最大幅值可達10 cm；注意到其位移極值出現在19:00左右，且在次日8:00未恢復至初始值附近?？梢姡瑴囟茸兓⑽粗鲗в绊懫錂M向位移，可能受上下游兩側持續風力及交通荷載影響更大。對于豎向位移，跨中監測點位移波動要明顯大于1/4跨點位，為±5 cm。

圖3 3種模式下蘇通大橋主橋監測點動態變形結果(2014年)

由圖3可知，GPS/BDS組合系統與GPS單系統的監測結果表現出良好的一致性，而BDS單系統解算結果僅在部分時段較為一致，且有效解時段數明顯偏少。圖4給出了3種方案單天有效解時段數量的對比圖?？梢钥闯?，GPS/BDS組合系統與GPS單系統有效時段數相當，除南、北索塔之外均在93%以上，而BDS單系統最大僅為83%(北端N2)，最小僅為12%(南索塔NT)。

圖4 3種模式下單天有效解時段數量比較

圖5給出了南塔監測點遮蔽條件下的可視衛星軌跡和信噪比圖。從衛星軌跡來看，當前GPS衛星數及其幾何分布都明顯優于BDS。BDS可見衛星數雖然在多數時段可達到7顆以上，但其中有5顆為GEO衛星，其在天空中的幾何位置相對固定。BDS衛星幾何分布的變化將主要由IGSO、MEO衛星主導，由此會引起相鄰歷元間衛星幾何分布的相似性。這一定程度上會引起基線解算法方程的病態，從而影響整周模糊度的固定及基線解的可用性與精度。從信噪比來看，由于南索塔(NT)、北索塔(BT)監測點的南北向兩側混凝土壁高出GNSS天線約30 cm，衛星信號接收受到一定影響。圖5中NT監測點衛星高度角約40°以下的GPS和BDS衛星信噪比值明顯衰減。

圖5 南索塔(NT)遮蔽條件下可視衛星軌跡及信噪比

綜合圖3—圖5來看，對于BDS單系統，受目前BDS在軌衛星數偏小的條件限制，與前兩種方案相比，各點位可用于有效解算的時段數明顯偏少。尤其當衛星信號遮蔽較為嚴重時(如NT、BT)，BDS單系統仍無法單獨進行位移變形的有效監測。在此情況下，GPS/BDS組合系統用于變形監測的優勢較明顯。在監測點位置衛星信號接收相對較好的情況下，GPS/BDS組合系統與GPS單系統解算結果是相當的。

3.2 不同年度監測結果比較

為進一步分析GNSS連續準靜態監測數據處理模式用于橋梁結構長期趨勢性變化分析的可行性，于2016年9月26日8:00—9月26日8:00進行了第2次監測試驗。當日氣溫變化為24℃～30℃，較2014年平均氣溫約高2℃，天氣條件與第1次試驗無其他明顯差異。另外，兩次試驗橋梁均處于正常運營狀態，無突發交通擁堵、臺風等特殊狀況影響。外業觀測衛星高度角、采樣率等與2014年設置完全相同，但按每10 min一個時段進行連續解算。為全面反映主橋各點位在兩年間的周日動態變形情況，在此進一步給出與圖3位置不同的3個監測點位GPS/BDS組合模式下不同年度監測結果對比，如圖6所示。需要說明的是，2016年與2014年監測結果采用相同基準，即以2014年9月28日8:00—9:00解算結果均值作為初始值。

圖6 GPS/BDS組合模式下不同年度監測結果比較

從不同年度間監測結果來看，連續準靜態監測單元時段取10～15 min均能獲得較高精度的監測結果。從圖6可以看出，下游南端監測點不同年度間平面和豎向位移表現出較好的一致性。在23:00—11:00溫度變化相對平穩時段，兩年間縱向、橫向及豎向位置互差均值分別為6.0、3.0和3.2 mm，而11:00—19:00時段兩年間位置互差稍大，以上主要與兩次試驗的溫度差異有關。受兩側纜索約束，主跨跨中和1/4跨監測點位縱向位移較主橋端點變化幅值要小得多，兩年間位置互差24 h均值分別為12.2、21.5 mm；考慮2016年平均氣溫較2014年高出2℃左右，若剔除溫度差異影響，兩年間變化趨勢線可以認為是基本一致的。橫向位移互差則相對大得多；正如上文分析所述，纜索約束位置點的橫向位移并不受溫度因素主導，可能受交通荷載及風力變化影響更大。圖4跨中和1/4跨橫向位移結果顯示，在夜間23:00—凌晨5:00時段，兩年間監測點橫向位移結果互差均值分別為15.2、12.7 mm，而該時段車輛交通荷載較少、溫度變化趨于平穩；最大互差出現在10:30—11:30、18:30—19:00和5:30—6:00前后，其最大互差可達5～7 cm。主跨跨中和1/4跨兩年間各時段豎向位移變化區間未發現明顯偏差，兩期位置差均值分別為18.9、9.1 mm。

4 結 語

本文以運營期的蘇通大橋為例，驗證了基于GPS/BDS的連續準靜態模式用于大跨徑橋梁動態變形監測的有效性。與現有RTK監測模式相比，該模式顧及常規運營狀態下大跨徑橋梁結構緩慢蠕動變形的典型特征，監測精度可達毫米級；其自動化數據處理模塊可嵌入已有橋梁健康監測系統，作為RTK系統的有效補充。在獲得長期連續準靜態監測結果時間序列后，可進一步結合溫度、風速、交通荷載等觀測資料，建立橋梁關鍵部位位移與環境因素數學相關模型，研判其動態變形區間及其發展趨勢，為構件疲勞損傷檢測預警及橋梁健康狀態評估提供數據支持。