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人造卫星定位系统在桥梁结构(1)

2016-02-23 01:16 摘要：香港特别行政区政府路政署最近采用人造卫星定位技术，应用于桥梁结构健康监测系统，借以增强和改进青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的结构健康监测工作，这人造卫星定位系统（Global Podtioning System or GPS）主要用作量度三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔瞬间位移，和推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状况。GPS监测系统是一套实时监测系统，它包括：GPS测量仪，接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS电脑系统及显示器等。本文主要介绍路政署于奇马管制区内所安装的GPS监测系统，并论述有关GPS信息在桥梁结构健康监测中的应用，如风力效应监测、温度效应监测、交通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等。
关键词：人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评估 悬吊体系桥梁 一、引言大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。普遍大桥的结构设计是基于导量位移。任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线，都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港的三座悬吊体系桥梁，均设有桥梁结构健康监测系统，简称"桥监系统"。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化，继而进行结构评估。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内，可是现存的"桥监系统"还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统（Global Positioning System or GPS）的实时位移测量精度有显著的提升（垂直面误差约20mm，而水平面差误约10mm），因此香港特别行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线，提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中，亦曾考虑其他测量技术方案，如运用红外光线和激光科技，可是这些技术均需要一定视野清晰度，故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。二、 GPS监测范围和目的[1,2]在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。包括在桥身两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移，及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速度。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量，未能准确地运算桥身整体的摆动幅度，这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢，加速仪不能准确测量；另一方面，在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时，虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位移，但由于这系统是利用液压原理运作，鉴于液体的惯性限制，系统只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息，未能录取瞬间的振幅，错过了一些较大的瞬间振幅，因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度，最后决定在"桥监系统"中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统，直接量度桥梁的独立三维实时位移，增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时GPS系统安装工程已接近完成阶段、数据收集会在竣工后立即开始。这GPS监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移，以及推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状态。三、GPS监测系统简介[3]1．GPS监测系统概要GPS监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤纲络传输数据而进行运作。这四个系统分别是：（l）GPS测量系统；（2）信息收集系统；（3）信息处理和分析系统；（4）系统运作和控制系统。其硬件包括：GPS测量仪（其中包括GPS天线和GPS接收器），接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS电脑系统，显示屏幕等。GPS接收器备有24个卫星跟踪通道，以双频（LI及L2）同步跟踪测量12颗GPS卫星的伪距与全波长的载波相位；GPS监测系统以划一的高速度采样率，利用27组的GPS测量仪同步进行定点位移测量，以每秒10次的点位更新率提供独立三维RTK实时的点位解算结果，高精度点位输出的时间延迟小于0.05秒，令到GPS信号的同步接收、RTK厘米级点位数据输出，光纤网络传输、数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在2秒内完成，提供实时位移监测。另方面，GPS监测系统可以在无人值守的情况下进行24小时作业，配合可调校的数据备份系统，将贮存的GPS位移数据与其他现存的桥梁监测数据加以整合，再作多样化的结构分析和评估；利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料，及选定时段的桥梁整体位移变化资料，来改进桥梁结构健康检测和评估工作。