GPS桥梁变形监测模拟与分析
2015-06-23
0 引言
根据我国的《公路养护技术规范》）（JT073-96）中的有关规定和要求，针对现代桥梁塔柱高、跨度大和主跨度为柔性梁的特点，桥梁的监测不仅要观测桥梁内部的应力、应变及其变化，还要测定桥梁自身几何量的变化，从而更直观明了的判断其安全状态[1]。桥梁的变形观测，对于主跨桥面等变形量较大的部位通常采用GPS-RTK进行观测，而对于大跨度桥梁的塔柱及基础等变形量较小的部位，通常采用全站仪，测量机器人或和GPS-RTK搭配以及GPS静态定位方法。
目前，GPS静态定位技术在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量及变形监测中，在这些应用中，其主要用于建立不同等级、不同用途的控制网。较之常规测量技术，它具有全天候、观测时间短、选点灵活、测量精度高、观测及数据处理过程的自动化等特点。本文通过模拟GPS静态定位技术应用于现代桥梁的变形监测实验，给出结论，对实际工程具有指导意义。
1、 实验情况
本实验在某楼顶进行，监测网共有9个点组成，其中8个监测点，均采用强制归心的观测墩，分别编号GP1，GP2，……GP8，一个基准点，为标准埋石点，编号GPA，其在北京54坐标系下坐标已知，如图1所示是点位的分布示意图。实验中，采用9台Leica 1230的GPS双频接收机进行同步观测，天线类型均为Leica ax 1202，数据采样率15秒，卫星高度角度，实验在一天中进行，从上午9：30到下午16：20，天气晴，偏北风三级。
由于该实验在某楼顶进行，周围无障碍物阻挡，视野开阔，符合桥梁周围的特征；另外，虽然桥梁长度从几百米到几十公里不等，但仍属于短基线；从图中监测点位分布来看，有4个点位于桥梁中心线上，另外有4个点位于桥梁的两侧，点位分布均匀，符合实际桥梁监测中点位的分布，因此实验具有较强的通用性，结论具有普遍意义。
2、 数据处理
实验中，在将数据导出并转换成RENIX格式后，我们采用TGO软件进行数据的处理。首先新建项目，建立并选择对应的坐标系统，导入数据，输入编辑点名称、天线高及天线类型等要素，编辑周跳TimeLine后处理GPS基线；进而首先在WGS-84框架下对监测网进行无约束平差，通过后则选择当地坐标系统，加入基准点坐标，进行网的约束平差并输出结果。TGO解算静态监测网流程。
8个监测点开始朝南方向均有轻微变化（1~2mm），这可能是由于北风引起的GPS天线位置稍许变化；但从12时至15时一直往北方向移动（达4~5mm），至16时达到稳定，这可能是由于日照的原因。由于各监测点均为水泥铸观测墩，南面为太阳照射一面，其受热膨胀较北面大，从而导致各点不同程度的往北方向移动。
在东方向Y方向上，从图4可以看出，各监测点首先往西方向轻微变化（2mm左右），从下午14时以后点位逐渐往东方向移动，但两个方向上的变化值均不大。这同样是因为日照的原因，上午偏东方向日照较强，点位朝西移动，而约14时以后太阳在西面日照较强，导致点位重新往东方向移动，但两个方向上变化值均不大。
另外，从最后一个时段TGO的平差报告中我们可以看出，点位的平面精度为0.003m，高程精度为0.014m，即GPS静态定位技术的平面观测精度可以达到毫米级，而高程精度达到厘米级。由于桥梁变形往往达几公分甚至几十公分的变形量，GPS静态定位技术完全可以用于桥梁等其他建筑工程的高精度变形监测。
在实验中，由于预知各监测点变形会在毫米级的较小范围内变动，为了更好的看清各点的形变趋势，我们仅仅将数据分了六个时段，每个时段长达一个小时。这对于往往需要实时监测得到变形量的工程来讲，时间无疑太长。事实上我们可以将这个时段缩短到一定时长以满足监测需要，并采用一定的方法来提高观测结果的精度及可靠性。如对于长距离的大跨度桥梁，由于桥梁呈线型，有可能导致网形几何强度变差，我们可以采用伪卫星技术加以改善。我们可以根据变形监测的特征来探讨整周模糊度的快速解算方法，如DC算法[7]等，从而快速确定整周模糊度，得到实时可靠的变形值。
4、结论
从模拟的实验我们可以看出，采用类似于建立等级控制网的静态定位方法进行桥梁变形监测精度高结果可靠，完全可以用于桥梁或其他建筑工程的变形监测。随着GPS观测和数据处理自动化技术及多天线阵列技术的发展，GPS静态定位技术不仅可以实时的得到可靠的变形值，而且可以大幅的降低作业成本，从而更好的为国民生产服务。
