GPS橋梁變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究
2015-06-23
1變形監(jiān)測(cè)
所謂的變形監(jiān)測(cè)是指利用相關(guān)測(cè)量?jī)x器及方法將礦山巖層與地表運(yùn)動(dòng)、大壩、邊坡、地表沉降、大地形變等以數(shù)據(jù)或圖像的形式記錄下來(lái)，作為分析其安全性的基本資料，為預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)變形的發(fā)展趨勢(shì)及速度做出科學(xué)的合理解釋。按照變形監(jiān)測(cè)的范圍可以將其分為三類：工程建筑和局部性變形研究、區(qū)域性變形研究、全球性變形研究。但無(wú)論是哪種類型的變形監(jiān)測(cè)，其檢測(cè)原理及方法都是類似的，監(jiān)測(cè)內(nèi)容也基本上可以分為以下幾類：一是地面沉降，為了準(zhǔn)確的對(duì)地面沉降做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)及及時(shí)的防護(hù)措施，需要對(duì)地面變形做周期性觀測(cè)，切實(shí)掌握地面回升與沉降的基本規(guī)律；二是土工建筑物，這類變形監(jiān)測(cè)主要依據(jù)不同的構(gòu)造物做出不同的變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容；三是工業(yè)與民用建筑物，這類變形監(jiān)測(cè)主要包含垂直位移、水平位移、動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)、建筑物自身傾斜裂縫監(jiān)測(cè)以及建筑物基礎(chǔ)的均勻沉陷等。變形監(jiān)測(cè)的主要意義為研究變形的規(guī)律，做變形分析及預(yù)測(cè)、驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，反饋施工質(zhì)量及評(píng)估建筑物的安全狀態(tài)。
目前變形監(jiān)測(cè)的方法和技術(shù)主要包含四大類：一是地面攝影測(cè)量技術(shù)，此類技術(shù)有著其局限性，由于攝影器材的分辨率降低，造成了監(jiān)測(cè)的范圍小、精度低，不過(guò)隨著數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加上實(shí)時(shí)攝影技術(shù)的逐漸成熟，地面攝影測(cè)量技術(shù)又迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇；二是專門(mén)的測(cè)量方法，諸如傾斜測(cè)量、準(zhǔn)直測(cè)量、靜力水準(zhǔn)測(cè)量等非土木工程變形監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)測(cè)量范疇之內(nèi)的測(cè)量方法；三是大地測(cè)量，這是最為常用的傳統(tǒng)方法，其主要通過(guò)水準(zhǔn)、測(cè)邊、測(cè)角等相關(guān)技術(shù)來(lái)完成變形量的測(cè)定，大地測(cè)量的準(zhǔn)確度高，且業(yè)已形成了較為完善的理論及方法，但是其自身也存在著許多缺陷，例如測(cè)量效率低，機(jī)械化、現(xiàn)代化程度低，在大型的工程的測(cè)量中，工作量大，難度大；四是變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)，新技術(shù)的推廣與應(yīng)用一直是監(jiān)測(cè)水平提高的直接動(dòng)力，近年來(lái)諸如計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)、激光掃描、InSAR技術(shù)等均成了變形監(jiān)測(cè)的新興技術(shù)，雖有些技術(shù)還不夠成熟，但確大大提高了監(jiān)測(cè)的精確度及降低了監(jiān)測(cè)的難度。
2橋梁變形監(jiān)測(cè)
橋梁的健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為預(yù)防橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要方法，特別是在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的變形監(jiān)測(cè)，具有非常大重要意義。橋梁監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
?。?）橋塔變形監(jiān)測(cè)，這其中的主要觀測(cè)內(nèi)容有塔柱體整體傾觀測(cè)、斜塔柱體伸縮量觀測(cè)、塔柱體擾度觀測(cè)、塔柱頂部的水平位移觀測(cè)等。
?。?）橋梁平面位移監(jiān)測(cè)，車(chē)輛荷載、風(fēng)荷載等外界因素會(huì)造成橋梁基礎(chǔ)的位移，所以橋面位移的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為與橋軸線方向垂直的水平位移。
?。?）橋梁墩臺(tái)的變形監(jiān)測(cè)，主要內(nèi)容包括墩臺(tái)的垂直位移監(jiān)測(cè)以及墩臺(tái)的水平位移監(jiān)測(cè)。
?。?）橋面撓度的監(jiān)測(cè)，橋面在外界荷載的作用下會(huì)發(fā)生直接影響橋面通行安全及橋梁壽命的沿著橋軸線方向的垂直位移，即撓度。
橋梁變形監(jiān)測(cè)的方法較多，在撓度觀測(cè)中有攝影測(cè)量方法、全站儀觀測(cè)發(fā)、水準(zhǔn)測(cè)量方法、懸垂法、專用撓度儀觀測(cè)法及GPS測(cè)量法等；水平位移的監(jiān)測(cè)方法包括導(dǎo)線法、測(cè)角法、基準(zhǔn)線法、交會(huì)法及GPS測(cè)量法；垂直位移的監(jiān)測(cè)方法包括精密水準(zhǔn)測(cè)量法、靜力水準(zhǔn)測(cè)量法、三角高程測(cè)量法及GPS測(cè)量法等。
從上面的介紹中可以看出，GPS測(cè)量在橋梁變形監(jiān)測(cè)的各個(gè)方面都可以進(jìn)行，同步性高，精度高，方便可靠等有點(diǎn)決定了GPS技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景明朗。
3 基于橋梁監(jiān)測(cè)的 GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)
GPS的全稱為Global Positioning System，即全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含用戶接受設(shè)備、地面監(jiān)控部分及空間部分等三大部分組成。用戶接受設(shè)備即GPS信號(hào)接收器，通過(guò)一些列的信號(hào)捕獲、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等步驟計(jì)算出設(shè)備所在地理位置的時(shí)間、速度、高度及經(jīng)緯度等信息；地面控制系統(tǒng)是由監(jiān)測(cè)站、地面天線、主控制站組成 ；空間部分由3顆備用衛(wèi)星及21顆工作衛(wèi)星組成，均勻的分布在6個(gè)軌道面上，距地表2.02萬(wàn)千米的上空。
GPS定位測(cè)量的原理是基于GPS衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)碼（D碼）、測(cè)距碼（C/A碼、P碼）和載波信號(hào)下計(jì)算的。偽距測(cè)量原理的基本原理是基于空間后方交會(huì)，假定某一時(shí)刻t，某點(diǎn)P至三顆衛(wèi)星的空間距離分別為（），衛(wèi)星的空間坐標(biāo)為（√(〖__^〗^〖__^〗
式中：為接收機(jī)鐘差改正；為衛(wèi)星鐘差改正為對(duì)流層延遲改正為電離層延遲改正。
載波相位測(cè)量原理是基于GPS衛(wèi)星的L頻帶的載波和載波的兩種高頻信號(hào)而進(jìn)行定位的，假設(shè)衛(wèi)星在時(shí)刻的相位為 __D_Dd______，所發(fā)生的相位變化量為，則載波相位測(cè)量原理的基本表達(dá)式為：
式中：為整數(shù)周， __D_Dd____
GPS技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的測(cè)量方法主要有兩種，一種是決定定位法，另外一種是相對(duì)定位法。GPS靜態(tài)相對(duì)定位法是相位觀測(cè)量及載波相位觀測(cè)量的線性組合技術(shù)，假設(shè)兩臺(tái)接收機(jī)和，它們分別在、時(shí)刻，分別對(duì)衛(wèi)星m、n進(jìn)行了同步觀測(cè)，于是得到了以下的相位角：
GPS PTK模式以載波相位為基礎(chǔ)，在基準(zhǔn)站架設(shè)GPS接收機(jī)用于接受衛(wèi)星信號(hào)，與此同時(shí)傳遞觀測(cè)值、坐標(biāo)于移動(dòng)站，移動(dòng)站架設(shè)在測(cè)量點(diǎn)上，用于接受基準(zhǔn)站信息和衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)利用分差技術(shù)進(jìn)行信息處理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，并給出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。
