某桥梁GNSS变形监测系统的设计

汪洋+徐景景

【摘 要】GNSS（全球卫星导航定位系统）目前已广泛应用于桥梁健康监测中的变形监测，对桥梁的安全运营起到了重要作用，本文通过对一座桥梁的变形监测系统设计，在软硬件的总体规划布置及辅助支持方面探讨了系统设计中需要注意的方面，为进一步加强这方面的研究提供有益的帮助。

【关键词】GNSS；变形监测；系统设计

1.GNSS工作原理及应用

GNSS即全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System）。是由27至32颗卫星组成的通讯网络，分布在6个轨道面上，配合地面上的信号接收及发射装置，可对地球上任意位置进行瞬时的定位。

该系统具有定位速度快﹑精度高﹑全天候﹑费用较低等优点，近年来在全球的各个领域都得到了极大的应用。目前在我国该系统的应用也是十分迅速全面，据统计近年来我国引进的测量型GNSS接收机的数量已超过数千台。GNSS在大型土木工程上的应用开始于上世纪90年代，应用之初由于定位精度的原因主要还是在水利水电工程居多[1]，随着其精密定位上升到毫米级精度（在数公里的短边上），为更为严格的工程测量及变形监测提供了条件。尤其是在大型工程结构的健康监测方面得到极大的应用[2]。

2.GNSS在桥梁变形监测中的应用

随着国民经济的发展，工程结构的安全问题越来越受到重视，桥梁作为交通工程中的枢纽，其安全性就显得尤为重要，为保证桥梁的营运安装，为在役桥梁装备安全监测系统成为现在桥梁工程应用的一个研究热点。利用GNSS系统进行变形监测，不仅量程大，同步性较好，而且对于气候的抗干扰能力更强。

因此，随着GNSS技术的不断成熟，应用GNSS技术进行变形监测的桥梁工程也越来越多。例如：英国Humber桥、日本明石海峡大桥、虎门大桥、青马大桥、东海大桥、润扬大桥等等。

3.某桥梁GNSS变形监测系统的设计

本文所涉桥梁为一联双塔双索面斜拉桥，是一座陆地跨线桥。大桥主塔为两个A型塔，高85米，桥长502米，宽36.5米，双向六车道设计。

该桥梁设计之初即考虑了布设健康监测系统，其中实时变形监测采用GNSS系统，该系统利用先进的GNSS技术，通过专业的监测软件及结合计算机技术、现代通讯技术、桥梁结构计算分析等长期实时在线反映监测点的三维变形，并与其他如应力、加速度监测结合，使桥梁运营管理者可以实时监测并掌控大桥的安全使用状态，为桥梁的健康监测和状态评估管理提供科学的手段和方法。[3]

3.1系统设计目的和依据

由于桥梁在运营期间会受到气候、氧化、腐蚀或老化等多种因素的影响，包括在荷载长期作用或偶发事故的作用也会产生损伤和刚度退变，这些变化都会反应在日常变形的变化中，因此本系统的设计目的是采用GNSS技术实时监测大桥的空间位移，借此研究桥梁的变形情况，尤其是和受力及气候变化相关的变形情况，这样可为桥梁的结构健康与安全状况分析提供可靠数据支持。本监测系统作为桥梁长期运营的需要，在设计之初既要考虑系统的完备性和可行性，也要遵循坚固耐久和经济适用的原则。

GNSS监测系统设计和建造有一套成熟且操作性较强的相关国家规范和标准支撑，本套系统设计中所引用的部分技术规范参见表1。

3.2 系統设计的总体框架

3.3系统设计方案

3.3.1基准点布设。

该桥GNSS实时变形监测系统的参考站选址由设计方根据实际情况指定，参考站数量为一个。具体位置经实地信号测定后确认，但是参考站位置条件必须满足下面条件：

（1）场地稳固，最好有稳定基岩或打桩；

（2）接收器接收范围内障碍物的高度与监测设备之间的角度不宜超过15°；

（3）远离干扰，如大功率无线电发射源和高压输电线等，与干扰源之间的距离不得小于50m；

（4）尽量采用无线数据传输方式，如没有条件，则网络连接应方便；

（5）观测标志应避免较大振动，远离机械、车辆等振动源。

3.3.2监测点布设。

根据大桥的情况，在主桥塔顶布设2个GNSS监测站，分别为北塔塔顶1个，南塔塔顶1个；主桥梁部2个GNSS监测站，分别为主跨1/2处、1/4处。监测点采用立柱式安置方案

3.3.3系统软件设计。

根据该桥健康监测系统实时变形监测要求，GNSS软件部分共分三个模块：

（1）数据采集模块：具备数据采集、传输和本地存储的功能；

（2）数据处理模块：完成本地数据接收、控制、异地数据处理、显示、评估等工作；

（3）数据存储模块：完成数据存储和管理工作。

3.3.4辅助支持系统设计。[4]

3.3.4.1雷电防护系统

直击雷防护

本GNSS监测系统，基准站和桥面监测点需要架设独立避雷针，南北塔可以利用大桥现有直接雷防护系统。安装避雷针要求避雷针与天线横向距离不小于3m，避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算可以按照45度角考虑。同时做好接地网。

电涌防护

监测站内设备必须加装电力线电涌防护设备，通信线（数据线）电涌防护设备、射频线电涌防护设备

3.3.4.2外场机柜

根据本系统的布设以及便于保护、安装、维护等原则，大桥监测站设置四个在桥梁结合处箱梁里机柜。机柜位置的摆放，既要考虑GNSS天线电缆长度不宜过长，避免GNSS信号过度损耗。同时又要将机柜放置在基准站观测墩附近以保证信号的稳定性。外场机柜的设计要满足以下要求：

（1）材料必须采用不锈钢；

（2）机柜分为上下两层，中间用隔板隔开，目的是要把强电和弱电隔开；

（3）机柜要预留通线孔。

3.3.4.3综合布线

考虑系统的耐久性及可靠性，电缆及各连接线布设应满足以下要求：

（1）GNSS天线电缆室外部分必须穿PVC管或蛇皮管到达GNSS天线；

（2）电缆从天线接下后，埋入地表下入室；

（3）不允许有小于90°扭折

（4）塔顶监测点电缆沿走线槽布设，但必须间隔3米有一个捆扎；

（5）各接插口要插紧，同时用扎带或绝缘胶带固定。

4.结论

GNSS系统因其精度高，实时性强，信号稳定等优势在桥梁变形监测中得到了广泛的推广应用，本文根据目前常用的GNSS设备以一个实际工程为背景，构建了一个GNSS的变形监测系统，该系统经实际模拟实测，完全能满足工程变形监测的需要，可供类似工程参考。

参考文献

[1]史晓萍. GNSS实时监测系统在变形监测中的应用. [J]. 山西建筑，2017，43（9）：196-197

[2]余加勇. 基于GNSS和RTS技术的桥梁结构健康监测. [J].测绘学报，2015，44（10）：1177-1180

[3]陈聪，顾铁，刘江.GNSS动态变形监测系统的设计与初步实现.[J].四川地震，2016（2）：31-33

[4]张庆斌. GNSS技术在变形监测中的应用. [J]. 科技创新与应用.2016（22）：292-294

注：宁波市智团创业计划项目（鄞科【2016】68号）。endprint