余成江 龍勇
摘要:在分析大跨度橋梁變形原因和目前監(jiān)測(cè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了綜合利用RTK—GPS的空間定位和授時(shí)功能對(duì)大型橋梁整體性變形監(jiān)測(cè)的思想、方法和步驟。并結(jié)合一大橋荷栽條件下的整體性變形監(jiān)測(cè)實(shí)例，闡述了最小二乘曲線擬合和多項(xiàng)式插值在橋梁整體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多個(gè)時(shí)刻進(jìn)行了插值運(yùn)算并以圖表形式展現(xiàn)大型橋梁的整體性變形監(jiān)測(cè)。實(shí)踐證明文中提出的方法是可行而有效的。
關(guān)鍵詞:大型橋梁;整體變形;RTK—GPS;擬合;插值
0論文引言
目前，用于大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的儀器主要有經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光儀等。
(1)全站儀自動(dòng)掃描法需要對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)掃描，由于在寬闊的江面上，大風(fēng)、大霧天氣時(shí)常出現(xiàn)，即使在晴天，水汽蒸發(fā)產(chǎn)生的水霧也相當(dāng)濃厚。當(dāng)視距超過2 km時(shí)，使用常規(guī)的經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡很難照準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)，同時(shí)還存在各測(cè)點(diǎn)不同步、大變形時(shí)不可測(cè)、實(shí)時(shí)性較差等缺陷。
(2)位移傳感器是一種接觸型傳感器，測(cè)量時(shí)必須與測(cè)點(diǎn)接觸，對(duì)難接近的點(diǎn)無法測(cè)量，對(duì)大型結(jié)構(gòu)的測(cè)量有困難。
(3)加速度傳感器監(jiān)測(cè)必須經(jīng)過兩次積分才能獲得位移，且精度不高；由于零點(diǎn)漂移，測(cè)前必須調(diào)零，無法長時(shí)間連續(xù)測(cè)量；對(duì)于低頻位移測(cè)試不理想，而大跨懸索橋振動(dòng)頻率較低。激光法精度較高，但橋梁晃動(dòng)大時(shí)無法捕捉光點(diǎn)而無法測(cè)量。
以上傳統(tǒng)方法對(duì)大橋進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量都存在一定困難或缺陷，必須尋求新的方法。同時(shí)，現(xiàn)行的各種變形分析方法只是針對(duì)單點(diǎn)或單個(gè)時(shí)間序列進(jìn)行，沒有利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間相互聯(lián)系的信息，而多點(diǎn)分析又存在較大難度。橋梁在考慮變形的情況下可視為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，是由相互聯(lián)系的部分或要素組成的有機(jī)整體，系統(tǒng)的整體性要求在分析監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)應(yīng)有整體的觀念，從整體把握各個(gè)部分、各個(gè)點(diǎn)的變形。因此，空間多點(diǎn)的整體變形分析與變形預(yù)報(bào)應(yīng)運(yùn)而生，是目前研究的重點(diǎn)方法之一。
1 GPS整體變形監(jiān)測(cè)方法
1.1 GPS大型橋梁變形監(jiān)測(cè)特點(diǎn)
GPS的基本功能包括定位、導(dǎo)航和授時(shí)。傳統(tǒng)(單點(diǎn))GPS變形監(jiān)測(cè)僅利用了GPS的空間定位功能。近年來由于GPS硬件和軟件的發(fā)展，定位精度明顯提高，儀器價(jià)格逐年降低，采用GPS RTK(Real Time Kinematic)對(duì)大型橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)成為可能。尤為重要的是在變形監(jiān)測(cè)時(shí)，最為關(guān)心的是變形監(jiān)測(cè)中所求得的同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同觀測(cè)時(shí)刻坐標(biāo)的差值，而不是監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的坐標(biāo)。監(jiān)測(cè)中所含共同的系統(tǒng)誤差雖會(huì)影響各觀測(cè)時(shí)刻的坐標(biāo)值，卻不影響所求的變形值。GPS變形監(jiān)測(cè)中，接收機(jī)天線的對(duì)中誤差、整平誤差、定向誤差、量取天線高的誤差等并不影響變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果，只要天線在監(jiān)測(cè)過程中能保持固定不動(dòng)即可。同樣，變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的起始坐標(biāo)的誤差、數(shù)據(jù)處理中的誤差、衛(wèi)星信號(hào)大氣層傳播誤差(電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑誤差等)中的公共部分的影響也可得到消除或減弱。GPS用于工程和局部性變形監(jiān)測(cè)的精度可達(dá)亞毫米級(jí)，從而為大型建筑物(大壩、橋梁等)等高精度變形監(jiān)測(cè)提供了一種新的手段。正如Loves(1995)所言，隨著GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)能力的進(jìn)一步提高，這一技術(shù)可望被采納為結(jié)構(gòu)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
智能科學(xué)技術(shù)GPS監(jiān)測(cè)大型橋梁變形特點(diǎn)如下。
(1)GPS可實(shí)現(xiàn)全天候定位，能在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
(2)GPS測(cè)定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)、捕捉衛(wèi)星信號(hào)、到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測(cè)三維坐標(biāo)可直接存入存儲(chǔ)器進(jìn)行大橋安全性分析。
(3)采用GPS RTK技術(shù)同時(shí)獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息和統(tǒng)一的時(shí)間信息，便于實(shí)現(xiàn)大型橋梁的整體變形觀測(cè)。
(4)GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可達(dá)10～20 Hz速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10 mm。高程為20 mm，變形監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到亞毫米級(jí)。
1.2 GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即RTK技術(shù)。GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測(cè)站和通信系統(tǒng)組成�；鶞�(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信號(hào)經(jīng)過電臺(tái)實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息。利用GPS RTK技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁整體形變時(shí)，必須在橋梁附近適當(dāng)位置設(shè)置S基準(zhǔn)站，在各形變觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置流動(dòng)站。基準(zhǔn)站與流動(dòng)站間通過數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行同步聯(lián)絡(luò)，獲得流動(dòng)站每一時(shí)刻的三維空間坐標(biāo)信息，根據(jù)不同時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)變化，獲得形變觀測(cè)點(diǎn)的三維變形量，此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)接收機(jī)的GPS差分信號(hào)結(jié)果進(jìn)行分析、處理。
1.3整體變形信息的獲取思路
橋梁變形監(jiān)測(cè)是通過連續(xù)觀測(cè)獲得觀測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，比較坐標(biāo)值的變化來獲得橋梁的變形。橋梁的整體變形則是通過獲得監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)刻各變形特征點(diǎn)變形來體現(xiàn)的。在實(shí)際變形監(jiān)測(cè)中，是在分析橋梁各個(gè)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取一定特征點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，并以各觀測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)變化來表達(dá)橋梁的變形情況。
橋梁整體變形監(jiān)測(cè)利用的是GPS的定位和授時(shí)兩項(xiàng)功能，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)及其時(shí)間信息，并利用統(tǒng)一的時(shí)間參考系實(shí)現(xiàn)橋梁整體變形監(jiān)測(cè)。首先利用GPS RTK獲得橋梁的所有觀測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)間段內(nèi)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)；然后采用最小二乘曲線擬合方法，對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的任一坐標(biāo)向量值建立觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的位移與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系——時(shí)程曲線；然后，根據(jù)需要對(duì)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)任意時(shí)刻各曲線進(jìn)行插值運(yùn)算，獲得任意時(shí)刻各觀測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)；進(jìn)而獲得各觀測(cè)點(diǎn)在任意時(shí)刻(觀測(cè)期內(nèi))的變形數(shù)據(jù)。
2 技術(shù)試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)橋梁與觀測(cè)點(diǎn)的布置
選擇一大橋作整體變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，該橋全長近200 m，箱梁雙孔結(jié)構(gòu)，單孔空間跨度為90 m。該橋常有滿載貨物的大型卡車通過，橋梁伴隨車輛通過而在不同點(diǎn)上發(fā)生不同方向和振幅的振動(dòng)。測(cè)試選用的可達(dá)10～20 Hz速率輸出、定位精度平面為10 mm、高程為20 mm的GPS RTK。監(jiān)測(cè)和分析橋梁在車輛重載作用下高程的變化特征；采用較小采樣間隔，對(duì)橋梁的變形進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。
選擇橋梁主橋1／3(A點(diǎn))、2／3(B點(diǎn))處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)橋梁進(jìn)行基于RTK GPS技術(shù)的整體性變形監(jiān)測(cè)。
2.2 獨(dú)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線
在MATLAB語言中用polyfit函數(shù)來進(jìn)行6階多項(xiàng)式最小二乘曲線擬合，擬合由線如圖1所示。同理可得到第二個(gè)點(diǎn)的擬合曲線。