GPS在桥梁结构健康监测系统中的应用

智能 风 GPS 在桥梁结构健康检测功能中的使用 孙孝婷 (江苏扬子大桥股份，江苏泰州 2 14500) 嗤 商 要】 桥粱在外力作用下会发生诸如扭曲、捩度、技能变形等彤变，而这种形变与桥粱的承载能力和健康状况有着密切的关系。采用GPS 技 术进行桥梁线型的检测，其工作效能大大高于同精度的几何水准测量，现已在包含江阴大桥在内的许多桥梁监控中得到了广泛应 用。通过与风力钗、索力、加速度传感器等的数据互相验证，希望对相关性模型和各类系 数进行校正。 建词】 桥梁健康监澍； GPS线彤监测；结构健康评估；卖时监测 桥梁的应力与桥梁的承载能力有紧密的关系， 桥梁支座测量是桥 梁检测的重要组成部份，是桥梁安全隆砰价的一项重要指标。江阴大桥 桥形监测原先采用光学水平测量，由于其测量中点与点之间受通视条 件、距离和高差的限制，所以其测量的精度、速率和工作效率都不能满 足要求。 江阴大桥 GPS 系统是整个桥梁健康检测功能中相对独立的一个子 系统，用以实时监测江阴大桥主梁和主塔的形变。GPS 软件完成数据 的采集、存贮、转化、显示和统计，实现功能坐标转换，还有桥梁检测 形变数据的实时动态显示、储存、 统计分析和报警。

并希望实现三维动 态表明结构整体的变型现象。 1 G P S 系统工作原理 G PS 的意思是：借助导航雷达进行测时测距，因而构成世界定位 系统。GPS 系统是由美国联邦于 20 世纪80 年代末建威 的，它由分布 在 6 个轨道面内的24 颗行星 (含3 颗备用卫星) 组成。由于该系 ． 有全天候、自动定位，世界覆盖，定位精度较高，定位速度快等一季j 4 优点，所以迅速被全球邻国广泛采用。GPS 定位分为单点绝对定位、 差分相对定位两大类。 单点绝对定位指单用一台GPS 定位仪独立确定测点三维坐标的方 法，由于月球钟差，定位仪钟差还有电离层和对流层的折射误差的影 响，测量精度只能接近数十米。 实时动态测量又称载波相位差分 【 RTK) 技术，由于它的测量精 度高，时间短 (只需同时观测 1 秒或几秒钟) ，但是在迅速动态测量中 得到广泛的使用。 2 G PS 监测方案与检测点布置 2． 1监测方案 对于大跨结构的线形 (横向、纵向、横向的技能) 监测，当前常见 的方式是光 电测距 (EDM ) 和 GPS 两种方式。 光电测距原理主要是指采用全站仪对反射棱镜连续扫描 ， 形成光 载波通信系统， i 量每个棱镜与全站仪的相对角度和距离，再经过 系统计算，确认梁的外表和移动现象 (江阴大桥原结构检测功能就采用 该方式)。

因此系统测量的频度受到测点的人数限制，所以测试精度受环境 气象因素的影响巨大 (如雾、雨、雪等晴天) 尤其是对于像江阴大桥这 样的大跨度桥梁，其测量的精度难以确保。 采用 GPS 技术进行屋架线形的检测可以避免以上问题。因为月球 通信点与点之间不受通视条件、距离和高差的限制，从目 前的仪器和软 件外观看，GPS 采用实时差分进行动态测量的定位精度可达毫米级， 经过功能内置和二次开发， 完全可以用来小型工程结构的微量测量。江 阴大桥 GPS 系统是整个桥梁健康检测功能中相对独立的一身高模块， 用以实时监测江阴大桥主梁和主塔的形变。 22监测点的布置 江阴大桥的总体技能由全球定位系统 (GPS) 监测，1 个 GPS 基 准站和8 个流动站构成，通过星型光纤网连接。系统采用有 9 台徕卡 GX 130 型RT KG PS 接收机。 仪器采样频率 20Hz，位置延迟小于30ms。这种外观指标已经可 以满足公路形变频谱分析的才能。 GPS 监测结果通过网线通讯网及时传输到设在大桥监控中心的 142 面 丽 GPS 数据处理工作站， 借助于信号处理、数据统计及评价功能等分析 软件，可以对G PS 坐标数据进行切换， 形成G PS 测点的动态坐标， 并 构建公路的动态变形图形。

全球定位系统 (GPS) 的详细布局如图所示。其中GPS 基； 隹 站设 在监控中心大厦顶楼， 8 个流动站分别设在南北塔塔顶 (各 1 个)、主 梁跨中、1／ 4 跨和 3／ 4 跨等关键截面处 (每截面各 2 个，按照桥轴线对 称布设) 。 全球定位系统 (GPS) 的采样频率可在 1— 20 Hz范围内选择。 j 【 珀f～ ～ ． ． ．． 抽 ∞ 二 一一一书= ： — · 三二￡一一一 - - J 图 1 ’ ～。“ ～一 ‘ ’ ．曼 一 一 —壁 一 ． — 受i 主三 二 二 ： = 二 二二 = 三 三二班二 — —一 一 一 一 - 一 H 全球定位系统 ( G PS)的布局 3 G P S 监测数据的优点与传输 3． 1 GPS监测数据 的优点 1) 由于 GPS 观测值是通过对月球及基； 隹站传来的差分信号进行 RTK 差分定位，但是各观溺 直 结果是相对独立的。

2) G PS 定位速度快、精度高。可以超过每秒 1O到2O次的定位 解算结果，实现实时检测。 3) 受外界影响较小，可以在恶劣天气下实现不问断观测，其精度 取决于 GPS 本身的精度。 4) 自动化程度高，可以 在无人值守的现象下，配合数据备份功能 和系统插件自 动进行数据接受和前期的分析。 3-2 GPS 数据 的传输 GPS 信息传输功能采用了高效率和高稳定性的光纤局域网。由于 光纤不受电 磁波干扰， 在雷雨大风、温度等恶劣环境下能提供高可靠性 的数据传输。 光纤网络在北塔内部有一台HUB， 利用多模光缆双绞线与服务器 和外站联系。 主 要设 备包括 一 台 Digital Vnswtich 900 LL 网 络转换 器和 一 台 D EC CLUBONE 900 供电单元，安装在一个支架外层内，配有一台 UPS ， 都安置在北塔内。 采用网关 供电的Digital DE FLM— AA 光纤收发机来实现从 AUI转 换到宽带。线速率切换容量为 1． 2Gb／ s，包含 1 2 组 1 O base FL 1 mb／ s enthernet光纤端口，所以，前期视状况可以很方便的对结构检测功能 进行扩充。

4 G P S 信息的处理 从 GPS 定点测量仪输出的座标数据，以1 0次， 秒的采样速度通过 光纤网络传i 息处理和分析系 统。信息处理和分析功能安装于江阴 大桥监控中心，由数据检测和数据分析两台工作站组成，GPS 功能软 件由这两台工作站分担。 其工作主界面如图2、图3 所示。其中数据检测工作站运行 Spi— der软件，进行 GPS 系统设置以及数据的采集、存贮：数据分析工作 站运行G PS 后处理插件，主要实现G PS 坐标和桥梁坐标的数据转化 以及桥梁检测形变数据的显示、储存和统计系统。 圈2 (S PS 数 据的采集 图 3 GPS数 据的前期 处理 4． 1 数据检测工作站功能 1) 查询并表明各个外站的工作、 供电、温度控制状态：2) 允许用户选择外站和通道，连续获、显示和存储取原始数据： 3) 根据预先设定的阀值监视各个通道数据， 并作出决策； 4) 生成日 报表和异常状况报表。用作信息和影像处理。 Spider软件 GPS Spiderv2． 软件是集成的单参考站或台站网中央控制和操作 软件包，可用来先进的长距离高精度网络RTK监测、中央数据分发、数据存取管理，并支持数据装载和服务的软 件。

该插件可实现基准站和监测站 GPS 接收机的开启和关闭、实时相 位差分解算、实时显示监测站 W GS84 三维差分信息与记录基准站和 监测站GPS 接收机的原始测量数据等系统。 42数据分析工作站功能 分析工作站上安装有 Matlab软件 ，用来对检测数据进行深入分 析。分析工作站可以获取任意外站、通道的数据，并可以 转换成多种格 式储存，禁止远程授权用户以FTP方式下载数据。 主要系统如下 ： 1) 通讯系统，可以访问任意外站、宽带应变测试功能、GPS 测试 系统， 获取实时或存档数据。 2) 显示所得到的数据，并转换成 Matlab格式进行储存。 3) 进行统计分析 (差值、变量、大势消除、柱状图)、整流、 FFT、互功率谱分析。 4) 针对某个通道连续处理并表明指定带宽信号的差值、变量、直 方图gps 工作原理在桥梁， 若指定的是某阶模态频率为中心的窄带信号， 则所表明的就是该 阶模态信号的时间经历。 (Spider NET)、建筑物 建 筑 科 学 4_ 2'1 BM 软件 后处 理 B M 显示插件可实现将天地84 坐标转换为桥梁坐标、实时 显示检测点位的变化曲线、点位变化历史曲线、建 , -YN测结果、 超限报警系统和直观动态显示各测点的三维坐标曲线等系统。

4_ 2_ 2 监测数据处理 监测数据 的数据处理包括 ． 1) 数据的预处理，主要对检测数据进行简单统计运算，譬如给定 时间段内的最大最小值、均值等： 2) 数据的二次处理，对检测数据进行读入、编辑、判断计算和绘 图，包括数据的幅域显示、数据的波形显示、数据的波形显示还有频率 计数等。 5 GPS 系统的效果 GPS 系统为桥梁健康监测系统的一个重要子系统gps 工作原理在桥梁， 其主要功效为 通过测量桥梁的桥身和桥塔的瞬间技能，计算出截面中线相应的导量位 移， 再通过与其他的传感器的数据综合，来评估桥梁各主要部件的截面 状况。根据采集的数据及与检测数据的验证可反演出大桥的结构工作状 态和健康状况，从而识别出肯定的结构损坏的程度及其部位， 从而给出 大桥的安全可靠性评估。 1) 报告公路整体结构的技能从而反映其工作环境和承重的改变， 能多方面验证各部件的截面和技能相互关系，因而为评估大桥的承载能 力、运营状况及耐久能力提供更有力的依据： 此外还会通过检测应力或 位移的改变判断结构是否有破损。 2) 进一步分析运算主要部件的实际内力分布，例如主跨径缆、纵 向主梁等。 3) 验证不寻常荷载记录， 例如台风、海啸、超重交通荷载或被车 船碰撞事故等。

4) 基于实测的GPS 测点座标和风力数据，采用线性回归方法建 立横向位移与风力的相关性模型。验证桥梁的实际风场}割生等土建假设 和参数的有效 5) 基于实测的风数据，判断桥址的风场特性，包含平均风 脉动风属性等。从而对风场特性分析及设计验证。 6) 基于实测的弯矩位移和温度，采用 关性模型，并验证主梁的热膨胀系数等。 7) 基于实测的 GPS 测点座标和加速度数据 ， 采用峰值法识别模 态频率， 并与咸桥试验时的实测模态频率进行比较。 6结论 近年来，随着大跨度桥梁设计的轻柔化以及结构方式与系统的日 趋复杂化，小型桥梁结构安全健康检测已 成为工程界和学术界关 注的板块 。 本文以江阴大桥为对象，通过对 GPS 信号的实时分析与，江苏- Z r-~ ／ L ，高级工程师， 本科，鸥轿， 从事桥梁结构损坏加固 研究。 生 和 生 回归方式构建二者的相 143

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-118634-1.html