GPS桥梁变形监测技术研究
2015-06-23
1变形监测
所谓的变形监测是指利用相关测量仪器及方法将矿山岩层与地表运动、大坝、边坡、地表沉降、大地形变等以数据或图像的形式记录下来，作为分析其安全性的基本资料，为预测和预报变形的发展趋势及速度做出科学的合理解释。按照变形监测的范围可以将其分为三类：工程建筑和局部性变形研究、区域性变形研究、全球性变形研究。但无论是哪种类型的变形监测，其检测原理及方法都是类似的，监测内容也基本上可以分为以下几类：一是地面沉降，为了准确的对地面沉降做出准确的预测及及时的防护措施，需要对地面变形做周期性观测，切实掌握地面回升与沉降的基本规律；二是土工建筑物，这类变形监测主要依据不同的构造物做出不同的变形监测内容；三是工业与民用建筑物，这类变形监测主要包含垂直位移、水平位移、动态变形监测、建筑物自身倾斜裂缝监测以及建筑物基础的均匀沉陷等。变形监测的主要意义为研究变形的规律，做变形分析及预测、验证结构设计，反馈施工质量及评估建筑物的安全状态。
目前变形监测的方法和技术主要包含四大类：一是地面摄影测量技术，此类技术有着其局限性，由于摄影器材的分辨率降低，造成了监测的范围小、精度低，不过随着数字摄影技术的蓬勃发展，加上实时摄影技术的逐渐成熟，地面摄影测量技术又迎来了新的发展机遇；二是专门的测量方法，诸如倾斜测量、准直测量、静力水准测量等非土木工程变形监测传统测量范畴之内的测量方法；三是大地测量，这是最为常用的传统方法，其主要通过水准、测边、测角等相关技术来完成变形量的测定，大地测量的准确度高，且业已形成了较为完善的理论及方法，但是其自身也存在着许多缺陷，例如测量效率低，机械化、现代化程度低，在大型的工程的测量中，工作量大，难度大；四是变形监测新技术，新技术的推广与应用一直是监测水平提高的直接动力，近年来诸如计算机层析成像技术、激光扫描、InSAR技术等均成了变形监测的新兴技术，虽有些技术还不够成熟，但确大大提高了监测的精确度及降低了监测的难度。
2桥梁变形监测
桥梁的健康监测已经成为预防桥梁结构失稳的重要方法，特别是在桥梁运营过程中的变形监测，具有非常大重要意义。桥梁监测的主要内容包括以下几个方面：
（1）桥塔变形监测，这其中的主要观测内容有塔柱体整体倾观测、斜塔柱体伸缩量观测、塔柱体扰度观测、塔柱顶部的水平位移观测等。
（2）桥梁平面位移监测，车辆荷载、风荷载等外界因素会造成桥梁基础的位移，所以桥面位移的监测内容为与桥轴线方向垂直的水平位移。
（3）桥梁墩台的变形监测，主要内容包括墩台的垂直位移监测以及墩台的水平位移监测。
（4）桥面挠度的监测，桥面在外界荷载的作用下会发生直接影响桥面通行安全及桥梁寿命的沿着桥轴线方向的垂直位移，即挠度。
桥梁变形监测的方法较多，在挠度观测中有摄影测量方法、全站仪观测发、水准测量方法、悬垂法、专用挠度仪观测法及GPS测量法等；水平位移的监测方法包括导线法、测角法、基准线法、交会法及GPS测量法；垂直位移的监测方法包括精密水准测量法、静力水准测量法、三角高程测量法及GPS测量法等。
从上面的介绍中可以看出，GPS测量在桥梁变形监测的各个方面都可以进行，同步性高，精度高，方便可靠等有点决定了GPS技术在桥梁变形监测中的发展前景明朗。
3 基于桥梁监测的 GPS变形监测技术
GPS的全称为Global Positioning System，即全球定位系统，该系统包含用户接受设备、地面监控部分及空间部分等三大部分组成。用户接受设备即GPS信号接收器，通过一些列的信号捕获、数据获取、数据处理等步骤计算出设备所在地理位置的时间、速度、高度及经纬度等信息；地面控制系统是由监测站、地面天线、主控制站组成 ；空间部分由3颗备用卫星及21颗工作卫星组成，均匀的分布在6个轨道面上，距地表2.02万千米的上空。
GPS定位测量的原理是基于GPS卫星发射的数据码（D码）、测距码（C/A码、P码）和载波信号下计算的。伪距测量原理的基本原理是基于空间后方交会，假定某一时刻t，某点P至三颗卫星的空间距离分别为（），卫星的空间坐标为（√(〖__^〗^〖__^〗
式中：为接收机钟差改正；为卫星钟差改正为对流层延迟改正为电离层延迟改正。
载波相位测量原理是基于GPS卫星的L频带的载波和载波的两种高频信号而进行定位的，假设卫星在时刻的相位为 __D_Dd______，所发生的相位变化量为，则载波相位测量原理的基本表达式为：
式中：为整数周， __D_Dd____
GPS技术在桥梁变形监测中的测量方法主要有两种，一种是决定定位法，另外一种是相对定位法。GPS静态相对定位法是相位观测量及载波相位观测量的线性组合技术，假设两台接收机和，它们分别在、时刻，分别对卫星m、n进行了同步观测，于是得到了以下的相位角：
GPS PTK模式以载波相位为基础，在基准站架设GPS接收机用于接受卫星信号，与此同时传递观测值、坐标于移动站，移动站架设在测量点上，用于接受基准站信息和卫星信号，同时利用分差技术进行信息处理，从而实现实时定位，并给出待测点的坐标。
