GNSS在桥梁健康监测中的应用研究

汪洋+胡继明

【摘 要】GNSS（全球卫星导航定位系统）定位精度高、速度快、自动化程度高，广泛应用于国民经济的各个部门。本文从GNSS在桥梁健康监测中的应用优势着手，与传统的桥梁变形监测方法进行对比，通用对应用工程案例的分析，指出该系统在桥梁健康监测方面的应用前景广阔，需更进一步加强这方面的研究。

【关键词】GNSS；差分；健康监测；变形监测

1.GNSS工作原理

GNSS（Global Navigation Satellite System）即全球卫星导航定位系统，最早由美国从上世纪七十年代初开始研制，到上世纪九十年代在美国军方全面应用。全球很多国家都开始意识到该系统的重要性，因此在交通运输﹑空间技术﹑地学研究﹑军事等诸多领域展开了独立和联合研究。

GNSS的定位原理如下图1所示，地面设置两个基站，基站接受通讯卫星的定位讯号，通过差分法进行2个或更多个测站之间的相对定位计算，假定A点的坐标确定，则B点的坐标也可确定。

2. GNSS的应用概况

GNSS自本世纪初引入国内后开始投入民用，因测量精度高，测试速度快，在大地测量、石油勘探、工程监测等方面得到了迅速推广，极大地推动了这些行业的技术进步。

现有成熟的GNSS在建设工程应用上的精密定位基本上都是以毫米级精度（在数公里的短边上）。目前国内工程测量中使用的常规GNSS设备，平差后控制点的平面位置精度为1～2mm，高程精度为2～3mm。在大地测量中的精度可以控制在10mm以内。

GNSS除了硬件设备精度外，还须有较强的软件支撑，目前国内比较有名的如HCmonitor系统等，利用卡尔曼滤波的载波相位三差解的解算模式，可以实现对原始数据的实时处理，并自动生成相应的图形和表格数据。

3.GNSS在桥梁健康监测中的应用优势

桥梁是交通工程中的一个重要组成部分，随着国民经济的发展，许多大型桥梁开始向大跨度和轻盈性方向发展，追求美观的同时，桥梁结构的变形越来越大，而作为桥梁正常运营的重要指标，结构位移的大小在桥梁设计和运维中日益受到重视，称为监测的一个关键数据。

结构健康监测（Structure Health Monitoring）可以有效反映桥梁结构的工作状况，提供桥梁的健康状况及预警，而通常桥梁健康监测必须依赖相应的监测系统，该系统由前端的传感器和采集仪加上后端的数据存储和分析设备构成，主要对桥梁在日常使用状态下的应力、位移和加速度进行采集分析，从而得出对桥梁健康状态的评价[1]。

其中位移（变形）的监测是重点，然而， 现在采用的常规方法存在诸多限制和不便。如最常用的位移计就存在以下缺点：

（1）测点的同步性不好；

（2）大变形比较难以测量；

（3）传感器数据精度易受天气影响；

（4）测站的可维护性较差。

相比之下，利用全球卫星定位系统（GNSS）进行变形监测具有显著的优势，其优点可概括如下：

（1）不受气候的影响，可实现全天候、不间断的三维高精度测量；

（2）量程大，可维护性好；

（3）观测距离几乎不受限制；

（4）延迟短、实时性强，且各测点可实现同步测量。

从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的桥梁监测技术，尤其是在变形监测方面，当然因为桥梁监测的复杂性，单纯使用GNSS不能完全满足整体结构监测的需要，因此与其他传感器联合使用，采用通用性更强的信号接收系统，并把GNSS的数据分析纳入整体的结构损伤分析中是GNSS在桥梁健康监测应用的主导方向。

4.GNSS在桥梁健康监测系统中的应用实例

现有的基于GNSS的变形监测体系，不仅精度高，而且能监测瞬时变化，实现连续观测与数据的自动处理，并且能实现数据的分类输出和图形化输出，直观性更强，结合后台的专家系统，还可以及时发现存在的问题和风险，对桥梁结构的健康状态做出判断，从而确保桥梁的安全。另一方面也为数字城市和智慧城市建设提供基础数据[2]。

目前，隨着GNSS技术的不断成熟，采用GNSS技术与其他技术相结合的桥梁健康监测系统已经被广泛的应用于世界各地。不仅在英国Humber桥、日本明石海峡大桥、广州虎门大桥等特大型桥梁上使用，而且在诸如宁波福明路铁路跨线桥等中小跨径桥梁上开始使用。尽管监测原理相同，但两类不同桥梁在监测方案的规划及传感器的布置上还是有一些差异[3]。

4.1英国Humber桥的GNSS监测系统[4]

英国的Humber悬索桥全长2220米，主跨1410米，南跨530米，北跨280米（图2）。监测系统由英国诺丁汉大学设计，使用了2台双频GNSS接收机，配合了相关的加速度传感器和力传感器，在监测位移的同时监测桥面加速度和悬索的索力。该系统以2Hz频率采样，分别测量了中跨1/2、边跨1/2和支撑塔顶的位移。长期监测的结果显示桥面垂直位移最大为40cm，大多数时间位移量为15cm左右，桥面横向位移最大为14cm，塔顶纵向位移1～2cm，横向0.5～1cm。

为了验证监测结果的准确性，英国Bmnel大学进行了现场试验。本次试验动用5辆货车，进行了若干动、静载试验。结果表明，GNSS测量的三维位移结果与该桥的有限元模型的计算结果相当吻合。

4.2宁波福明路铁路跨线桥的GNSS监测系统

宁波市福明路铁路跨线桥是宁波铁路东站的一座跨线斜拉桥，是宁波首座陆地斜拉桥，该桥为一联双塔双索面斜拉桥。大桥主塔为两个A型塔，高74米，桥长420米，宽34.5米，双向六车道设计。其中，主桥上跨铁路宁波东站23股铁道线，其中16股有高压接触网和3个站台，如图3所示。

大桥从设计之初即考虑了长期健康监测系统，主要监控两个塔顶和主要跨中的水平及纵向位移，此外还监测桥面的加速度和斜拉索索力。GNSS监控系统共设置了4个测站，其中主桥塔顶布设2个，主桥梁部2个（分别为主跨1/2处、1/4处）。

该桥自2013年1月1日通车以来运行良好，监测显示桥梁的最大位移均未超过设计要求，GNSS的连续工作性能得到了验证。

5.总结

从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的桥梁监测技术，GNSS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。目前大部分的桥梁监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示。

GNSS技术在不断改善，我们可以预计GNSS变形监测系统将不断改进，尤其是中小跨径桥梁在该技术的帮助下也能得到很好的监测，为保障人民的生命财产提供了有力的支撑。随着我国工程建设标准的不断提高，我们可以期待GNSS技术在现代智慧城市的建设中将发挥出无可比拟的作用。

参考文献：

[1]安庆，吴树森， 张婷婷.桥梁GNSS监测点的布设与信号测试分析探讨.[J].科技资讯， 2016，14（20）：49-50.

[2]袁万城， 崔飞， 张启伟. 桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展.[J].同济大学学报， 1999， 27（2）：4.

[3] 崔飞，袁万城，史家钧.传感器优化布设在桥梁健康监测中的应用.[J].同济大学学报，1999，27（ 2）：165-169.

[4] Myroll F， Dibiagio E. Instrumentation for monitoring the Skarnsunder Cable-stayed Bridge. In： Jon Krokeborg ， ed. Proceedings of the Third Symposium on Strait Crossing. Rotterdam： Balkema， 1994.207～ 215.

注：宁波市智团创业计划项目（鄞科【2016】68号） 。endprint