桥梁结构健康监测应用GPS-RTK技术的方案设计

房闫林 路华丽

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津 300304； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

1 概述

对桥梁结构的实时健康监测是对桥梁结构状态评估的基础。目前很多研究都是对桥梁结构的某些重要力学性能进行检测，结果只能反映桥梁某个局部的受损状况，很难对整体健康状况掌握，并且时效性差，不能及时发现问题并进行危险预警。健康检测的一个重要内容是，基于工程测量原理，对桥梁进行实时的变形监测。当桥梁结构发生安全范围内的变形可以认为其处于正常状态。反之，如果变形超出安全要求的限度，变形会对桥梁结构的安全造成一定影响。因此，国内外的学者广泛关注结构的变形监测方向的研究[1]。传统的桥梁变形监测仪器主要采用加速度计、激光仪、全站仪、精密水准仪等[2,3]，鉴于GPS-RTK技术的实时性，本文拟尝试GPS-RTK技术的应用方案设计。

2 研究现状

将GPS技术运用到桥梁结构动态变形的监测工作中，在国内外还处于发展阶段，在应用过程中取得了一定的研究成果，并且储备了应用案例。Moschas和Stiros[4]将GPS传感器安装于一座主跨度为40 m的钢桥进行实时监测，GPS监测出振动频率为4.28 Hz和振幅仅为6 mm的结构发生的振动位移。Larocca等[5]将两个GPS接收机应用于巴西一座曲线钢筋混凝土桥梁的监测，以很好地反映桥梁结构的健康状况，并采用连续小波变换对差分数据进行滤波处理，实验证明可以检测到桥梁结构非常小的动态振动。伊廷华等[6]将20 Hz的数据采样的GPS传感器安装于大连的北大桥用于结构的振动监测，GPS传感器能够识别出的振动的频率，能够吻合于有限元模拟分析和加速度计测量的结果。王蔓[7]以泰州长江大桥为工程背景，分析了桥梁结构健康监测系统的GPS-RTK数据，基于均值控制图法对大桥状态预警评估进行了研究，并分析了环境温度对主梁位移的影响规律。将GPS技术运用于桥梁结构动态变形监测的研究中，已经逐步地成为桥梁结构健康监测领域的热点研究方向，但是在桥梁结构动态变形监测领域尚待完善和进一步发展，需要进一步提高GPS技术的动态解算所需要的稳定性和精度，进一步降低GPS接收机受环境噪声的影响，进一步完善桥梁状态特征提取方法和GPS多激励源信号的分解。

3 方案设计

3.1 监测对象

本次桥梁健康监测实验方案设计的监测对象是坐落于天津市中心城区的富民桥，该桥四周是综合开发与规划的海河两岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主桥是独柱单塔的自锚式悬索桥，悬索为空间索面，主跨的主缆索锚固于主梁的两侧，边跨的主缆索锚固于地锚。主跨主缆使用在立面和平面均为抛物线的三维空间线形，边跨主缆使用不加竖向吊索形式的两根并排一组的缆索。全桥总长340.3 m，主跨157.081 m，辅跨86.4 m。河东侧引桥是三跨连续梁(19+20+19.6) m，由普通钢筋混凝土构成，河西侧引桥38.219 m，是单跨带悬臂的钢筋混凝土的框架结构。跨河的主桥桥面的标准宽度为38.6 m，一侧横向布置包括：0.8 m的吊索锚固区+0.5 m的防撞护栏+3.75 m的非机动车道+(3.75 m+2×3.5 m)的机动车道+0.5 m的路缘带+0.5 m的防撞护栏+5.0 m的主塔区，另一侧沿着主塔区成对称布置。其全貌图如图1所示。

3.2 仪器设备方案

本次实验方案设计中的仪器设备方案为使用2套GPS-RTK系统、2组加速度计(包含横向、纵向和竖向)、1台动态信号采集系统、3台计算机和发电机等设备，其中动态信号采集系统的硬件连接图如图2所示。本文采用WKD3827动态信号采集仪对动态加速度信号进行采集，此采集仪适合测点分布相对分散的工程测试场合，可直接连接拾振器的电压输出型传感器，仪器每个通道采用独立24bits模数转换器(ADC)，具有较高的信噪比，保证每个通道同步采集。加速度计采集数据的目的是与GPS-RTK的监测效果进行相互检验和验证。GPS-RTK接收机是中海达公司的海星达H32接收机，经过内部升级将采样频率由1 Hz调至20 Hz，其RTK的定位精度，平面为：±(10 mm+1 ppm)，高程为：±(20 mm+1 ppm)。

3.3 测点选择和仪器安装方案

在运营正常条件下对桥梁结构进行动态变形监测，测点选择和布置都需要有很高的安全性要求，必须遵循如下注意事项：

1)选定的测点位置必须要保证动态变形监测的技术要求，同时要保证现场监测人员和测试设备的安全；

2)必须确保监测设备的稳定性，以防止由于监测设备失稳而导致过大的测量误差，甚至有可能出现错误的监测信息。

根据富民桥的结构特点和实验目的，只对桥梁主跨进行监测。该桥主跨长度为157.081 m，并不是很大，因此，方案设计在主跨1/4和1/2位置处设置2个监测点，如图1所示。将监测设备装置固定在人行道栏杆外侧。每个监测点布置1个GPS-RTK接收机和1组加速度传感器。

GPS-RTK接收机和加速度传感器联合监测设备装置方案设计如图3所示，在对中杆的顶端安装RTK接收机，在对中杆中部位置处的拧式螺栓中间卡入一块钢板，并可以调节其高度，将螺栓拧紧，加速度计放置在钢板上。

监测实验中，将对中杆固定在桥面栏杆上，用气泡水平仪检测钢板的水平度，见图4。基准站如图5所示。加速度计传感器安置方式如图6所示，分别测试桥梁纵向、横向和竖向的加速度数据。1号和2号测点移动站如图7，图8所示。

3.4 GPS-RTK稳定性试验方案设计

为检验所用仪器的精度和稳定性，在桥梁结构监测开始之前，对所用仪器进行稳定性试验，方案如下：

1)采用3台GPS接收机在开阔的空地上进行试验，一台作为基准站，两台作为移动站，分别为1号移动站和2号移动站，以相互验证；

2)进行连续3 h的数据采集，其原始数据如图9，图10所示。从图9，图10中可以看出，两台仪器的竖向精度均在20 mm以内，说明了仪器的精度可靠性和稳定性。

4 结语

通过以上方案设计，对桥梁结构的实时健康监测可以采用GPS-RTK技术进行数据采集。这种监测方案可以灵活调整采样频率，并且能满足可靠性和稳定性。加速度计和GPS-RTK两种仪器同时采集数据，为后续数据分析结果进行相互比对提供了科学保障。总之，这个设计方案为后续的桥梁健康监测数据采集和健康分析奠定了良好基础。