人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
2015-07-09
一、引言
大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營運狀態(tài)的一個重要標志。普遍大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于導(dǎo)量位移。任何索塔和主梁軸線偏高于設(shè)計軸線，都直接影響大橋的承載能力和構(gòu)件的內(nèi)力分布。目前香港的三座懸吊體系橋梁，均設(shè)有橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，簡稱"橋監(jiān)系統(tǒng)"。用以監(jiān)測大橋在營運期間的結(jié)構(gòu)健康變化，繼而進行結(jié)構(gòu)評估。雖然大橋主梁及索塔軸線監(jiān)測已包括在大橋每年一次的大地測量范圍內(nèi)，可是現(xiàn)存的"橋監(jiān)系統(tǒng)"還未能對大橋主梁和索塔軸線作實時的監(jiān)測。鑒于近年人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System or GPS）的實時位移測量精度有顯著的提升（垂直面誤差約20mm，而水平面差誤約10mm），因此香港特別行政區(qū)政府路政署引進GPS技術(shù)用作監(jiān)測大橋主梁及索塔軸線，提供全橋整體的度量位移。路政署在擬定橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測和評估項目的過程中，亦曾考慮其他測量技術(shù)方案，如運用紅外光線和激光科技，可是這些技術(shù)均需要一定視野清晰度，故在現(xiàn)階段仍未適合在惡劣天氣下操作。圖1顯示青馬管制區(qū)內(nèi)的青馬大橋、汲水門大橋和訂九大橋的地理位置。
二、 GPS監(jiān)測范圍和目的[1,2]
在上述三座懸吊體系橋梁上本已設(shè)置傳統(tǒng)的傳感器來測量橋身的位移狀況。包括在橋身兩端的位移儀用作量度橋身的縱向位移，及高精度加速儀用作量度橋身的垂直和橫向加速度。高頻率的加速數(shù)據(jù)經(jīng)過二次積分運算后只能提供局部振幅的導(dǎo)量，未能準確地運算橋身整體的擺動幅度，這是因為橋身整體的慣性偏移速度較緩慢，加速儀不能準確測量；另一方面，在監(jiān)測橋身固溫度變化而產(chǎn)生的相應(yīng)位移時，雖然另設(shè)有一組創(chuàng)新設(shè)計的水平儀系統(tǒng)來直接量度橋身的垂直位移，但由于這系統(tǒng)是利用液壓原理運作，鑒于液體的慣性限制，系統(tǒng)只能以每秒一數(shù)據(jù)的采樣率來提供位移信息，未能錄取瞬間的振幅，錯過了一些較大的瞬間振幅，因而數(shù)據(jù)難免有誤差。以往路政署曾考慮應(yīng)用GPS技術(shù)在懸吊體系橋梁監(jiān)測上。經(jīng)過近年在青馬大橋上安排的多次實地測試為驗證及改進精度，最后決定在"橋監(jiān)系統(tǒng)"中增設(shè)備有RTK實時動態(tài)測量功能的GPS監(jiān)測系統(tǒng)，直接量度橋梁的獨立三維實時位移，增強對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可靠度。現(xiàn)時GPS系統(tǒng)安裝工程已接近完成階段、數(shù)據(jù)收集會在竣工后立即開始。這GPS監(jiān)測系統(tǒng)主要用作度量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬時位移，以及推算其相應(yīng)的導(dǎo)量（截面中線）位移及各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。
三、GPS監(jiān)測系統(tǒng)簡介[3]
1．GPS監(jiān)測系統(tǒng)概要
GPS監(jiān)測系統(tǒng)是一套實時監(jiān)測系統(tǒng)（見圖2至8），主要由四組系統(tǒng)組成，通過固定光纖綱絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)而進行運作。這四個系統(tǒng)分別是：（l）GPS測量系統(tǒng)；（2）信息收集系統(tǒng)；（3）信息處理和分析系統(tǒng)；（4）系統(tǒng)運作和控制系統(tǒng)。其硬件包括：GPS測量儀（其中包括GPS天線和GPS接收器），接駁站，信息收集總控制站，光纖網(wǎng)絡(luò)，GPS電腦系統(tǒng)，顯示屏幕等。
GPS接收器備有24個衛(wèi)星跟蹤通道，以雙頻（LI及L2）同步跟蹤測量12顆GPS衛(wèi)星的偽距與全波長的載波相位；GPS監(jiān)測系統(tǒng)以劃一的高速度采樣率，利用27組的GPS測量儀同步進行定點位移測量，以每秒10次的點位更新率提供獨立三維RTK實時的點位解算結(jié)果，高精度點位輸出的時間延遲小于0.05秒，令到GPS信號的同步接收、RTK厘米級點位數(shù)據(jù)輸出，光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)及圖像處理及橋梁位移圖像屏幕顯示之過程都在2秒內(nèi)完成，提供實時位移監(jiān)測。另方面，GPS監(jiān)測系統(tǒng)可以在無人值守的情況下進行24小時作業(yè)，配合可調(diào)校的數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，將貯存的GPS位移數(shù)據(jù)與其他現(xiàn)存的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)加以整合，再作多樣化的結(jié)構(gòu)分析和評估；利用大橋主梁及索塔軸線的整體變化周期和幅度資料，及選定時段的橋梁整體位移變化資料，來改進橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測和評估工作。
2．GPS定點測量
GPS測量儀的定點測量位置主要安裝在橋身的兩旁和橋塔的頂端，在三座橋上總共有27個定點測量位置（見圖3）。GPS測量儀的選位配合現(xiàn)存位于跨中的加速儀。在青馬大橋橋面上共裝有四對GPS測量儀，主懸索纜有一對。另外在汲水門大橋橋面及訂九大橋橋面上分別裝有一對及兩對GPS測量儀。除了提供每秒10個的定點實時測量，GPS監(jiān)測系統(tǒng)更能運算橋身主軸線的三維瞬間位移，和橋身扭轉(zhuǎn)振動的時程數(shù)據(jù)（見圖9至11）。同樣，從塔頂?shù)狞c位解算結(jié)果，GPS監(jiān)測系統(tǒng)能運算出汀九大橋單腳塔頂?shù)奈灰?，和另外兩座橋之雙腳塔頂?shù)膫€別位移（見圖12至14）。經(jīng)數(shù)據(jù)及圖像處理后，信息屏幕可顯示全橋?qū)崟r擺動的活動圖像（見圖15至20）?，F(xiàn)時路政署采用GPS接收器的定位延遲誤差為0.03秒，突破早期GPS定位數(shù)據(jù)與實際點位不能完全一致的難題，這技術(shù)可應(yīng)用于速度不均的運動狀態(tài)，
足夠應(yīng)付高速度實時位移監(jiān)測的基本要求。
GPS接收器采用抗電磁干擾金屬外殼密閉封裝，并加上振動隔離裝置（見圖8），進一步減除振動操作環(huán)境對GPS設(shè)備的影響，加強其抗震性能。在橋上的GPS定點測量位置均采用精密微帶天線（見圖8），為減低對人造衛(wèi)星信號接收的障礙，所有天線的安裝高度須維持水平15度以上的無屏障朝天范圍，及避免頻繁的雙層和高身車輛在使用慢線行車道時形成的障礙。位于貯物大樓房頂?shù)幕鶞收緞t采用扼流圈環(huán)狀天線（見圖6），進一步減少多路徑效應(yīng)對定位測量的影響，確保不斷發(fā)送至定點測量站的差分改正信息準確無誤?；旧螱PS測量儀在出廠后毋須定期校對，從而減省養(yǎng)護工作。
3．GPS信息傳輸系統(tǒng)
GPS監(jiān)測系統(tǒng)是一組不停運作的實時監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)懸吊體系橋梁遇上惡劣天氣和運作環(huán)境時，GPS監(jiān)測系統(tǒng)所得的數(shù)據(jù)更為寶貴，故此對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性都有較高要求。GPS信息傳輸系統(tǒng)采用了高效率和高穩(wěn)定性的光纖網(wǎng)絡(luò)（見圖3）。由于光纖不受電磁波干擾，在惡劣作業(yè)環(huán)境下，如雷暴、高壓電流的電磁場影響、強風(fēng)等，光纖通訊網(wǎng)絡(luò)仍能維持高水平的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)素和速度，先進的光纖收發(fā)儀器更能偵測光纖網(wǎng)絡(luò)信息的中斷并發(fā)出警號，讓維修人員即時知道通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題的位置，確保系統(tǒng)工作效率。信息收集總控制站設(shè)于青衣行政大樓，在每座橋上均設(shè)有一組網(wǎng)絡(luò)接駁站，用以匯集各處GPS定位測量站的數(shù)據(jù)傳輸分支網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)接總控制站與接駁站的光纖網(wǎng)絡(luò)使用單模光纖，最長距離約3km；而聯(lián)接定位測量站與接駁站的分支光纖網(wǎng)絡(luò)則使用多模光纖，最長距離約l.3km。每組GPS測量儀需要三條非同步串列傳輸管道（Async Serial Channel）操作，這三條管道分別用作資料收集、差分改正信息傳送及遙距監(jiān)控，而每條管道傳輸速度達 19 200Baud。光纖傳輸速度能力高，一條多模光纖已能取代多條傳統(tǒng)的銅蕊資料傳輸電線。GPS信號從多模光纖傳送至網(wǎng)絡(luò)接駁站后，即被匯集成更高頻信號，由更高質(zhì)素的單模光纖傳輸至信息收集總控制站，使原本需要百余條鋼資料傳輸電線的傳統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)簡化為每座橋只需一條單模光纖的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，大大改進了網(wǎng)絡(luò)的操作效率和養(yǎng)護維修工作。
4．GPS信息處理的運作
從27個GPS定點測量儀輸出的GPS大地坐標經(jīng)緯數(shù)據(jù)，分別以每秒10個的采樣率透過光纖網(wǎng)絡(luò)信息收集系統(tǒng)同步傳送至信息處理和分析系統(tǒng)。信息處理和分析系統(tǒng)安裝于青衣行政大樓的橋梁監(jiān)察室內(nèi)，由兩臺電腦工作站組成（見圖4）：（1）第一臺為運作工作站（GPS-OWS），用作信息和圖像處理，以活動圖像實時顯示初步的橋身和塔頂三軸向位移動態(tài)，及運算橋身扭轉(zhuǎn)振動的幅度（見圖15及18），同時以時程數(shù)據(jù)形式顯示各定點的度量位移（見圖16，17，19及20），GPS一OWS亦負責(zé)系統(tǒng)運作和控制，用作監(jiān)察GPS測量儀和光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的運作狀況，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題或位移數(shù)超出預(yù)設(shè)極值時，這系統(tǒng)會發(fā)出警號和紅色燈號，提醒系統(tǒng)管理員。（2）第二臺為分析工作站（GPS-AWS），將經(jīng)過初步處理和分析的信息進行結(jié)構(gòu)分析和評估，并用作進階圖像處理和執(zhí)行圖輸入蹦出工作。這兩組電腦工作站均與現(xiàn)存的"橋監(jiān)系統(tǒng)’充腦系統(tǒng)聯(lián)系在一起，供數(shù)據(jù)整臺之用。表1及表2列出了這兩臺工作站的主要硬件和操作軟件，在需要的情況下，GPS-AWS操作系統(tǒng)作為后備工作站以維持正常運作。
四、橋架結(jié)構(gòu)侵康檢測和評估的應(yīng)用[1,2]
GPS監(jiān)測系統(tǒng)為"橋監(jiān)系統(tǒng)"中的一個新增設(shè)施，其主要作用為直接測量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬間度量位移，并推算其截面中線相應(yīng)的導(dǎo)量位移，繼而再配合其他結(jié)構(gòu)分析軟件來評估各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀況。目前"橋監(jiān)系統(tǒng)"對大橋結(jié)構(gòu)的評估有三大方面，分別為承載能力、營運狀態(tài)和耐久能力。承載能力是有關(guān)大橋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強度、穩(wěn)定性能等，其評估目的是要找出大橋結(jié)構(gòu)的實際安全儲備，以避免橋梁發(fā)生災(zāi)難性的損毀。營運狀態(tài)則與大橋結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件在日常荷載下的變形。裂縫、振動等有關(guān)，其評估結(jié)果有助于安排合適的定期養(yǎng)護維修，而這類評估亦較為重要。耐久能力的評估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對材料物理特性的影響。
GPS監(jiān)測系統(tǒng)對大橋整體結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測，可更直接改進"橋監(jiān)系統(tǒng)"的一般檢測和評估工作，例如：（1）報告大橋整體結(jié)構(gòu)的位移從而反映其工作環(huán)境和荷載的變化；（2）進一步分析運算主要構(gòu)件的實際內(nèi)力分布，例如主懸索纜、縱向主梁等；（3）驗證不尋常荷載記錄，例如臺風(fēng)、地震、超重交通荷載或被車船撞擊事故等；（4）從而推算大橋主要構(gòu)件有否損壞或累積性的損壞；（5）推算大橋的承載能力及論證設(shè)計施工假設(shè)和參數(shù)的有效性；（6）為大橋營運和維修決策者提供大橋超載的警告信息。
五、橋梁整體性營運狀態(tài)監(jiān)測【1，2】
1．風(fēng)力效應(yīng)監(jiān)測
大橋設(shè)計中所進行的抗風(fēng)能力分析和風(fēng)洞測試，是基于一所離開大橋橋址較遠的氣象站所收集到的風(fēng)結(jié)構(gòu)資料。由于橋址和氣象站所處的位置有高度上的和地形上的差別，再加上懸吊體系橋梁對風(fēng)振有較大的反應(yīng)，因此測量大橋橋址的風(fēng)結(jié)構(gòu)和論證大橋的抗風(fēng)設(shè)計假設(shè)和參數(shù)的有效性，成為大橋抗風(fēng)振監(jiān)測的主要部分。配合"橋監(jiān)系統(tǒng)"的風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測，利用從GPS監(jiān)測系統(tǒng)得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可對大橋進行風(fēng)力效應(yīng)監(jiān)測及結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振驗算復(fù)核；測量特定風(fēng)速的持續(xù)周期，用以檢測橋梁的渦激共振的平均持續(xù)周期。另外，亦會與在橋身中同步測量的加速儀數(shù)據(jù)互相驗證，確定大橋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振的效應(yīng)。
2．溫度效應(yīng)監(jiān)測
由于溫度變化是與太陽輻射強度、材料熱能散發(fā)率、環(huán)境溫度及風(fēng)速風(fēng)向等因素有關(guān)，因此大橋的溫度參數(shù)的極值不能從個別因素去推論。監(jiān)測大橋環(huán)境溫度和橋梁結(jié)構(gòu)上溫度的分布狀況，可用作推算大橋的有效橋梁溫度和差別溫度的極值，此為大橋溫度荷載監(jiān)測的主要部分。GPS監(jiān)測系統(tǒng)長時間監(jiān)測大橋整體結(jié)構(gòu)的位移變化，可引證因環(huán)境溫度而引發(fā)的日夜和季節(jié)性的位移變化周期，例如主懸索纜的垂直位移。橋身的縱向、橫向及垂直位移，與相應(yīng)的塔頂?shù)臋M向及垂直位移等，再與"橋監(jiān)系統(tǒng)"的結(jié)構(gòu)有效溫度和差別溫度的極值互相驗證，增強大橋整體溫度荷載監(jiān)測的可靠性。
3．交通荷載效應(yīng)監(jiān)測
對一般大跨度橋梁而言，交通擠塞是交通（車輛）荷載的主要設(shè)計考慮因素，而大橋的交通荷載長度（Loaded Lengths）設(shè)計是基于：（1）每天交通擠塞形成的次數(shù)；（2）交通擠塞發(fā)生的位置，持續(xù)時間和車輛的分布模式；（3）交通擠塞時的交通流量等假設(shè)。測量和論證交通荷載設(shè)計假設(shè)和參數(shù)的有效性，是大橋交通荷載監(jiān)測的主要項目。從GPS監(jiān)測系統(tǒng)得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可與"橋監(jiān)系統(tǒng)"的交通荷載及分布狀況的監(jiān)測資料互相驗證，協(xié)助進一步制定橋梁結(jié)構(gòu)的各級應(yīng)力階段，并用作大橋主要構(gòu)件的疲勞估算。
4．鐵路荷載效應(yīng)監(jiān)測
對青馬大橋和汲水門大橋而言，鐵路機車的荷載亦成為另一主要的設(shè)計考慮因素。青馬大橋和汲水門大橋的鐵路路軌承臺是由縱向工字鋼梁承托的，鐵路機車荷載從縱向工字鋼梁傳到大橋橋身的加勁梁構(gòu)件，再分布到其內(nèi)的橫向框架上。由于"橋監(jiān)系統(tǒng)"中沒有傳感器能直接測量鐵路機車在大橋上所產(chǎn)生的荷載，因此，只能通過安裝在大橋中跨的縱向工字鋼梁上的應(yīng)變儀，進行鐵路荷載的監(jiān)測，繪制相應(yīng)的感應(yīng)線來推算單一機車車盤的荷載，再進一步推算整列車的荷載。同樣地，GPS監(jiān)測系統(tǒng)得出的橋身、塔頂住懸索纜的三軸向位移資料，可作進一步驗證結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移的相互關(guān)系系數(shù)。
5．大橋鋼索索力的監(jiān)測
大橋的鋼索索力狀態(tài)是衡量大橋是否處于正常運作狀態(tài)的一個重要標志。利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)的青馬大橋主懸索纜得出的三軸向位移資料，運用有關(guān)的素力公式去推算鋼索承受的拉力，定期監(jiān)測鋼索索力的狀況，并進一步分析橋身和主懸索纜的應(yīng)力分布相互關(guān)系。
6．大橋主要構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測
大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍上是基于導(dǎo)量位移，任何索塔和主梁軸線偏離于設(shè)計軸線，都會影向大橋的承載能力和構(gòu)件的內(nèi)力分布，結(jié)構(gòu)評估工作先從GPS監(jiān)測系統(tǒng)得出的橋身截面中線度量位移，將其輸入其模擬橋身等效剛度的魚骨結(jié)構(gòu)分析電腦模型，藉矩陣運算，得出全橋整體的內(nèi)力分布；再利用局部的結(jié)構(gòu)分析模型來模擬橋身的主要構(gòu)件，再推算出主要構(gòu)件的個別應(yīng)力狀況。在恒載和交通荷載作用下，大橋主梁與各構(gòu)件有著不同的內(nèi)力分布，通過"橋監(jiān)系統(tǒng)"對主要構(gòu)件部位進行的應(yīng)力監(jiān)測，整臺GPS位移數(shù)據(jù)對相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)力推算，不僅能多方面驗證各構(gòu)件的應(yīng)力和位移相互關(guān)系，從而為評估大橋的承載能力、營運狀態(tài)及耐久能力提供更有力的依據(jù)；此外還能通過監(jiān)測應(yīng)力或位移的變異來偵查大橋結(jié)構(gòu)有否損壞或潛在損壞的狀態(tài)。
六、結(jié)論
近年人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的實時位移測量精度有顯著的提升，將此測量技術(shù)應(yīng)用于直接量度橋梁整體的三維位移，直接監(jiān)測大橋主跨梁及索塔軸線的位移變化，配合結(jié)構(gòu)分析模型來模擬橋身主要構(gòu)件的內(nèi)力狀況，可增強橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和評估的可靠度，并偵查大橋結(jié)構(gòu)有否潛在損壞的危機，提高養(yǎng)護維修工作的效率和效果。
致謝
對路政署署長允許本文的發(fā)表和刊登，本文作者特向他致以謝意，并特此聲名，本文的任何見解和結(jié)論，只代表本文作者的個人意見而且。
