GPS橋梁變形監(jiān)測模擬與分析
2015-06-23
0 引言
根據(jù)我國的《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》）（JT073-96）中的有關規(guī)定和要求，針對現(xiàn)代橋梁塔柱高、跨度大和主跨度為柔性梁的特點，橋梁的監(jiān)測不僅要觀測橋梁內(nèi)部的應力、應變及其變化，還要測定橋梁自身幾何量的變化，從而更直觀明了的判斷其安全狀態(tài)[1]。橋梁的變形觀測，對于主跨橋面等變形量較大的部位通常采用GPS-RTK進行觀測，而對于大跨度橋梁的塔柱及基礎等變形量較小的部位，通常采用全站儀，測量機器人或和GPS-RTK搭配以及GPS靜態(tài)定位方法。
目前，GPS靜態(tài)定位技術在測量中被廣泛地用于大地測量、工程測量、地籍測量及變形監(jiān)測中，在這些應用中，其主要用于建立不同等級、不同用途的控制網(wǎng)。較之常規(guī)測量技術，它具有全天候、觀測時間短、選點靈活、測量精度高、觀測及數(shù)據(jù)處理過程的自動化等特點。本文通過模擬GPS靜態(tài)定位技術應用于現(xiàn)代橋梁的變形監(jiān)測實驗，給出結論，對實際工程具有指導意義。
1、 實驗情況
本實驗在某樓頂進行，監(jiān)測網(wǎng)共有9個點組成，其中8個監(jiān)測點，均采用強制歸心的觀測墩，分別編號GP1，GP2，……GP8，一個基準點，為標準埋石點，編號GPA，其在北京54坐標系下坐標已知，如圖1所示是點位的分布示意圖。實驗中，采用9臺Leica 1230的GPS雙頻接收機進行同步觀測，天線類型均為Leica ax 1202，數(shù)據(jù)采樣率15秒，衛(wèi)星高度角度，實驗在一天中進行，從上午9：30到下午16：20，天氣晴，偏北風三級。
由于該實驗在某樓頂進行，周圍無障礙物阻擋，視野開闊，符合橋梁周圍的特征；另外，雖然橋梁長度從幾百米到幾十公里不等，但仍屬于短基線；從圖中監(jiān)測點位分布來看，有4個點位于橋梁中心線上，另外有4個點位于橋梁的兩側(cè)，點位分布均勻，符合實際橋梁監(jiān)測中點位的分布，因此實驗具有較強的通用性，結論具有普遍意義。
2、 數(shù)據(jù)處理
實驗中，在將數(shù)據(jù)導出并轉(zhuǎn)換成RENIX格式后，我們采用TGO軟件進行數(shù)據(jù)的處理。首先新建項目，建立并選擇對應的坐標系統(tǒng)，導入數(shù)據(jù)，輸入編輯點名稱、天線高及天線類型等要素，編輯周跳TimeLine后處理GPS基線；進而首先在WGS-84框架下對監(jiān)測網(wǎng)進行無約束平差，通過后則選擇當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)，加入基準點坐標，進行網(wǎng)的約束平差并輸出結果。TGO解算靜態(tài)監(jiān)測網(wǎng)流程。
8個監(jiān)測點開始朝南方向均有輕微變化（1~2mm），這可能是由于北風引起的GPS天線位置稍許變化；但從12時至15時一直往北方向移動（達4~5mm），至16時達到穩(wěn)定，這可能是由于日照的原因。由于各監(jiān)測點均為水泥鑄觀測墩，南面為太陽照射一面，其受熱膨脹較北面大，從而導致各點不同程度的往北方向移動。
在東方向Y方向上，從圖4可以看出，各監(jiān)測點首先往西方向輕微變化（2mm左右），從下午14時以后點位逐漸往東方向移動，但兩個方向上的變化值均不大。這同樣是因為日照的原因，上午偏東方向日照較強，點位朝西移動，而約14時以后太陽在西面日照較強，導致點位重新往東方向移動，但兩個方向上變化值均不大。
另外，從最后一個時段TGO的平差報告中我們可以看出，點位的平面精度為0.003m，高程精度為0.014m，即GPS靜態(tài)定位技術的平面觀測精度可以達到毫米級，而高程精度達到厘米級。由于橋梁變形往往達幾公分甚至幾十公分的變形量，GPS靜態(tài)定位技術完全可以用于橋梁等其他建筑工程的高精度變形監(jiān)測。
在實驗中，由于預知各監(jiān)測點變形會在毫米級的較小范圍內(nèi)變動，為了更好的看清各點的形變趨勢，我們僅僅將數(shù)據(jù)分了六個時段，每個時段長達一個小時。這對于往往需要實時監(jiān)測得到變形量的工程來講，時間無疑太長。事實上我們可以將這個時段縮短到一定時長以滿足監(jiān)測需要，并采用一定的方法來提高觀測結果的精度及可靠性。如對于長距離的大跨度橋梁，由于橋梁呈線型，有可能導致網(wǎng)形幾何強度變差，我們可以采用偽衛(wèi)星技術加以改善。我們可以根據(jù)變形監(jiān)測的特征來探討整周模糊度的快速解算方法，如DC算法[7]等，從而快速確定整周模糊度，得到實時可靠的變形值。
4、結論
從模擬的實驗我們可以看出，采用類似于建立等級控制網(wǎng)的靜態(tài)定位方法進行橋梁變形監(jiān)測精度高結果可靠，完全可以用于橋梁或其他建筑工程的變形監(jiān)測。隨著GPS觀測和數(shù)據(jù)處理自動化技術及多天線陣列技術的發(fā)展，GPS靜態(tài)定位技術不僅可以實時的得到可靠的變形值，而且可以大幅的降低作業(yè)成本，從而更好的為國民生產(chǎn)服務。
