楊志華

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江哈爾濱 150080）

基于GPS的大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)設計分析

楊志華

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江哈爾濱 150080）

詳細分析了GPS應用于大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，并舉例證明了該系統(tǒng)在記錄橋梁受到車輛、地震以及臺風等因素影響時所獲取的各項數(shù)據(jù)的精準性。

GPS；大跨度橋梁；安全監(jiān)控系統(tǒng)；實時

1 大跨度橋梁的傳統(tǒng)測量方式與GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)檢測比較

1.1激光干涉儀

激光干涉儀是先在監(jiān)測點上安裝反射裝置，觀察監(jiān)測點到基準點時間和距離變化的關系值，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出位移變化相應的振幅以及主頻率。這種方法在大橋不受強烈的外界因素的影響下具有精準度高的特點，但是一旦大橋受到強烈的外界干擾產(chǎn)生震動、搖晃時就很難找到目標，得出準確數(shù)據(jù)。所以激光干涉儀只適合短期檢測。

1.2全站儀自動掃描法

該儀器由微處理機、光電測距儀和電子經(jīng)緯儀組成，能同時測距、測角并計算出高程和坐標，安裝一次就能自動完成全部測量工作。近期還產(chǎn)生了一種直接反射型全站儀，該儀器對于那些其它儀器難以企及的測量點非常適用。但是無論如何改進，該儀器都達不到實時測量的效果，而且激光掃描受環(huán)境的影響極大，機器本身壽命也較短。

1.3加速度積分傳感器

加速度積分傳感器監(jiān)測法通過對結構變形的振動測試來達到監(jiān)測的目的，然后經(jīng)過對位移位置變化值的2次積分獲得最后的測量值。該方法需要對大量的數(shù)據(jù)進行分析才能得到監(jiān)測結果，時間長，數(shù)據(jù)精度低。

1.4GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)

GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)是一種新的監(jiān)測技術，通過測定接收機與衛(wèi)星的距離達到定位的目的。即在監(jiān)測站和基準站分別安置一臺接收機，GPS對這兩個站點獲得的數(shù)據(jù)進行差分處理，這樣就得到了監(jiān)測站的三維坐標，監(jiān)控中心再通過數(shù)據(jù)處理軟件對接收到的檢測結果進行統(tǒng)一分析，得出的最終數(shù)據(jù)就是大橋在某一位置上的變形、位移等的參數(shù)。該系統(tǒng)操作方便，不受任何環(huán)境因素的干擾，所得參數(shù)的精準度能達毫米級，全天候數(shù)據(jù)傳送，且設備穩(wěn)定耐用。

2 GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用

2.1XX大橋GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用

（1）該系統(tǒng)的應用目的

XX大橋是跨徑超千米的大型懸索橋，建立GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)是為了對橋梁的三維動態(tài)進行實時監(jiān)測，直觀的了解地震、臺風、車輛等荷載作用下橋梁的線性變化，判斷其運營結構的安全性。在對橋梁進行智能化監(jiān)測的基礎上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析的自動性。該橋在建造時還根據(jù)參數(shù)的設定，建立了多級報警系統(tǒng)，達到了橋梁結構危險性評價的動態(tài)分析。

（2）GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)的形成

GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)是整個大橋結構監(jiān)測的一個子系統(tǒng)，由6各監(jiān)測站和2個基準站通過光纖網(wǎng)絡連接而成，然后經(jīng)過三維動態(tài)、數(shù)據(jù)的采集和處理等軟件實現(xiàn)橋梁變形的實時監(jiān)測。XX大橋的監(jiān)測站主要分為橋面站和塔頂站，橋面站分別位于的主梁的1/10、1/5和2/3斷面的兩側，橫梁的中間位置就是塔頂站。基準站建立的目的是為監(jiān)測站提供準確的位置和橋梁變形的位置參數(shù)，所以基準站要建立在一個穩(wěn)定的位置。因此該大橋基準站的天線就架在大橋的中心大樓，還能定期通過觀察大樓的沉降及時修正基準站的參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)分析

大跨度橋梁都是以鋼為主要架構，橋梁的豎向變形主要是由車輛荷載和溫度荷載引起的，風荷載等造成的則是主梁的橫向變形。XX大橋在設計階段充分考慮了這些因素，對于結構豎向變形的測量，設計了黃、橙、紅三級預警線。其中紅色預警線是最不利荷載下的結構高程值，黃、橙預警以0.95分出置信水平的下限和上限值。對于風荷載的處理，該大橋在設計之初經(jīng)過多次抗風能力和風洞實驗，最后根據(jù)實際測量所得出的風速數(shù)據(jù)和主梁GPS坐標數(shù)據(jù)建立出風速與橫向位移的線性模型（線性回歸法），然后就模型進行橋梁在運營期間的安全系數(shù)評價。另外，該模型也能夠預測XX大橋在極限風速下的準靜態(tài)橫向位移，進而知道該橋在某些極端事件下的反應。

3 GPS對大跨度橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)的意義

3.1GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠保證橋梁的安全性

隨著經(jīng)濟發(fā)展和運輸?shù)男枰?，大跨度橋梁應運而生。但是跨度越大，高度越高，安全系數(shù)越低，尤其是在特殊氣候或者是車輛超重等的影響下，跨度過大的橋梁就會有位移，甚至擺動的危險，例如金門橋在1951年橋梁豎向振幅達到3.3 m，就是因為受旋風連續(xù)4個小時的影響。另外還有橋梁受高風速的影響側移3 m和4.7 m的例子。因此，為了保證橋梁運營的安全性，運用GPS監(jiān)控系統(tǒng)能及時對橋梁的震動、位移等進行實時監(jiān)測和觀察，發(fā)現(xiàn)病害所在，并通知橋梁相關管理人員進行維護修整或停用，以避免不必要的事故發(fā)生。

3.2GPS可以為橋梁的設計和改進提供有效的依據(jù)

大跨度橋梁受外在因素影響大，要想提前判斷出橋梁的結構設計是否合理耐用，就必須利用先進的技術手段得出大橋在受到不同外在因素影響時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進而繪制出線性模型，以備參考。但是目前對某些惡劣的氣候條件的判斷只限于理論說明和模型實驗，實際情況下橋梁的變化并沒有充分的研究，所以要提高大跨度橋梁的耐用性，減少事故的發(fā)生，就必須對大橋進行GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)，這樣才能積累出實際有效的數(shù)據(jù)，為以后大跨度橋梁的設計和改進提供有效的依據(jù)。

綜上所述，GPS安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了大跨度橋梁實時、長期的監(jiān)測，可以在不受任何干擾的情況下獲取大橋在不同荷載作用下的數(shù)據(jù)，并通過對各種數(shù)據(jù)的相關性分析，幫助人們更好的維護大橋的結構，進而延長大橋的使用壽命，減少不必要的經(jīng)濟損失。

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2015-11-15