GPS橋梁變形監(jiān)測(cè)模擬與分析
2015-06-23
0 引言
根據(jù)我國(guó)的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》）（JT073-96）中的有關(guān)規(guī)定和要求，針對(duì)現(xiàn)代橋梁塔柱高、跨度大和主跨度為柔性梁的特點(diǎn)，橋梁的監(jiān)測(cè)不僅要觀測(cè)橋梁內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及其變化，還要測(cè)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(cè)，對(duì)于主跨橋面等變形量較大的部位通常采用GPS-RTK進(jìn)行觀測(cè)，而對(duì)于大跨度橋梁的塔柱及基礎(chǔ)等變形量較小的部位，通常采用全站儀，測(cè)量機(jī)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(shù)在測(cè)量中被廣泛地用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、地籍測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)中，在這些應(yīng)用中，其主要用于建立不同等級(jí)、不同用途的控制網(wǎng)。較之常規(guī)測(cè)量技術(shù)，它具有全天候、觀測(cè)時(shí)間短、選點(diǎn)靈活、測(cè)量精度高、觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程的自動(dòng)化等特點(diǎn)。本文通過(guò)模擬GPS靜態(tài)定位技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁的變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，給出結(jié)論，對(duì)實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。
1、 實(shí)驗(yàn)情況
本實(shí)驗(yàn)在某樓頂進(jìn)行，監(jiān)測(cè)網(wǎng)共有9個(gè)點(diǎn)組成，其中8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均采用強(qiáng)制歸心的觀測(cè)墩，分別編號(hào)GP1，GP2，……GP8，一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，為標(biāo)準(zhǔn)埋石點(diǎn)，編號(hào)GPA，其在北京54坐標(biāo)系下坐標(biāo)已知，如圖1所示是點(diǎn)位的分布示意圖。實(shí)驗(yàn)中，采用9臺(tái)Leica 1230的GPS雙頻接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，天線類型均為L(zhǎng)eica ax 1202，數(shù)據(jù)采樣率15秒，衛(wèi)星高度角度，實(shí)驗(yàn)在一天中進(jìn)行，從上午9：30到下午16：20，天氣晴，偏北風(fēng)三級(jí)。
由于該實(shí)驗(yàn)在某樓頂進(jìn)行，周?chē)鸁o(wú)障礙物阻擋，視野開(kāi)闊，符合橋梁周?chē)奶卣鳎涣硗?，雖然橋梁長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)位分布來(lái)看，有4個(gè)點(diǎn)位于橋梁中心線上，另外有4個(gè)點(diǎn)位于橋梁的兩側(cè)，點(diǎn)位分布均勻，符合實(shí)際橋梁監(jiān)測(cè)中點(diǎn)位的分布，因此實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的通用性，結(jié)論具有普遍意義。
2、 數(shù)據(jù)處理
實(shí)驗(yàn)中，在將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并轉(zhuǎn)換成RENIX格式后，我們采用TGO軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。首先新建項(xiàng)目，建立并選擇對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，輸入編輯點(diǎn)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(jìn)而首先在WGS-84框架下對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行無(wú)約束平差，通過(guò)后則選擇當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)，加入基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行網(wǎng)的約束平差并輸出結(jié)果。TGO解算靜態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)流程。
8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始朝南方向均有輕微變化（1~2mm），這可能是由于北風(fēng)引起的GPS天線位置稍許變化；但從12時(shí)至15時(shí)一直往北方向移動(dòng)（達(dá)4~5mm），至16時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，這可能是由于日照的原因。由于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為水泥鑄觀測(cè)墩，南面為太陽(yáng)照射一面，其受熱膨脹較北面大，從而導(dǎo)致各點(diǎn)不同程度的往北方向移動(dòng)。
在東方向Y方向上，從圖4可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先往西方向輕微變化（2mm左右），從下午14時(shí)以后點(diǎn)位逐漸往東方向移動(dòng)，但兩個(gè)方向上的變化值均不大。這同樣是因?yàn)槿照盏脑?，上午偏東方向日照較強(qiáng)，點(diǎn)位朝西移動(dòng)，而約14時(shí)以后太陽(yáng)在西面日照較強(qiáng)，導(dǎo)致點(diǎn)位重新往東方向移動(dòng)，但兩個(gè)方向上變化值均不大。
另外，從最后一個(gè)時(shí)段TGO的平差報(bào)告中我們可以看出，點(diǎn)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(shù)的平面觀測(cè)精度可以達(dá)到毫米級(jí)，而高程精度達(dá)到厘米級(jí)。由于橋梁變形往往達(dá)幾公分甚至幾十公分的變形量，GPS靜態(tài)定位技術(shù)完全可以用于橋梁等其他建筑工程的高精度變形監(jiān)測(cè)。
在實(shí)驗(yàn)中，由于預(yù)知各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形會(huì)在毫米級(jí)的較小范圍內(nèi)變動(dòng)，為了更好的看清各點(diǎn)的形變趨勢(shì)，我們僅僅將數(shù)據(jù)分了六個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)。這對(duì)于往往需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到變形量的工程來(lái)講，時(shí)間無(wú)疑太長(zhǎng)。事實(shí)上我們可以將這個(gè)時(shí)段縮短到一定時(shí)長(zhǎng)以滿足監(jiān)測(cè)需要，并采用一定的方法來(lái)提高觀測(cè)結(jié)果的精度及可靠性。如對(duì)于長(zhǎng)距離的大跨度橋梁，由于橋梁呈線型，有可能導(dǎo)致網(wǎng)形幾何強(qiáng)度變差，我們可以采用偽衛(wèi)星技術(shù)加以改善。我們可以根據(jù)變形監(jiān)測(cè)的特征來(lái)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(shí)時(shí)可靠的變形值。
4、結(jié)論
從模擬的實(shí)驗(yàn)我們可以看出，采用類似于建立等級(jí)控制網(wǎng)的靜態(tài)定位方法進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測(cè)精度高結(jié)果可靠，完全可以用于橋梁或其他建筑工程的變形監(jiān)測(cè)。隨著GPS觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化技術(shù)及多天線陣列技術(shù)的發(fā)展，GPS靜態(tài)定位技術(shù)不僅可以實(shí)時(shí)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(guó)民生產(chǎn)服務(wù)。
