橋梁結構健康監測應用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測是對橋梁結構狀態評估的基礎。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，不能及時發現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測。當橋梁結構發生安全范圍內的變形可以認為其處于正常狀態。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測方向的研究[1]。傳統的橋梁變形監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 研究現狀

將GPS技術運用到橋梁結構動態變形的監測工作中，在國內外還處于發展階段，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的鋼橋進行實時監測，GPS監測出振動頻率為4.28 Hz和振幅僅為6 mm的結構發生的振動位移。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測，以很好地反映橋梁結構的健康狀況，并采用連續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測系統的GPS-RTK數據，基于均值控制圖法對大橋狀態預警評估進行了研究，并分析了環境溫度對主梁位移的影響規律。將GPS技術運用于橋梁結構動態變形監測的研究中，已經逐步地成為橋梁結構健康監測領域的熱點研究方向，但是在橋梁結構動態變形監測領域尚待完善和進一步發展，需要進一步提高GPS技術的動態解算所需要的穩定性和精度，進一步降低GPS接收機受環境噪聲的影響，進一步完善橋梁狀態特征提取方法和GPS多激勵源信號的分解。

3 方案設計

3.1 監測對象

本次橋梁健康監測實驗方案設計的監測對象是坐落于天津市中心城區的富民橋，該橋四周是綜合開發與規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+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，另一側沿著主塔區成對稱布置。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、2組加速度計(包含橫向、縱向和豎向)、1臺動態信號采集系統、3臺計算機和發電機等設備，其中動態信號采集系統的硬件連接圖如圖2所示。本文采用WKD3827動態信號采集儀對動態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變形監測，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變形監測的技術要求，同時要保證現場監測人員和測試設備的安全；

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

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個監測點，如圖1所示。將監測設備裝置固定在人行道欄桿外側。每個監測點布置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合監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，并可以調節其高度，將螺栓擰緊，加速度計放置在鋼板上。

監測實驗中，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。基準站如圖5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穩定性試驗方案設計

為檢驗所用儀器的精度和穩定性，在橋梁結構監測開始之前，對所用儀器進行穩定性試驗，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定性。

4 結語

通過以上方案設計，對橋梁結構的實時健康監測可以采用GPS-RTK技術進行數據采集。這種監測方案可以靈活調整采樣頻率，并且能滿足可靠性和穩定性。加速度計和GPS-RTK兩種儀器同時采集數據，為后續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的橋梁健康監測數據采集和健康分析奠定了良好基礎。