GPS橋梁變形監(jiān)測模擬與分析

———GPS橋梁變形監(jiān)測模擬與分析依據(jù)我國的《大路養(yǎng)護技術規(guī)范》）（JT073-96）中的有關規(guī)定和要求，針對現(xiàn)代橋梁塔柱高、跨度大和主跨度為柔性梁的特點，橋梁的監(jiān)測不僅要觀測橋梁內部的應力、應變及其變化，還要測定橋梁自身幾何量的變化，從而更直觀明白的推斷其平安狀態(tài)[1]。橋梁的變形觀測，對于主跨橋面等變形量較大的部位通常采納GPS-RTK進行觀測，而對于大跨度橋梁的塔柱及基礎等變形量較小的部位，通常采納全站儀，測量機器人或和GPS-RTK搭配以及GPS靜態(tài)定位方法。

目前，GPS靜態(tài)定位技術在測量中被廣泛地用于大地測量、工程測量、地籍測量及變形監(jiān)測中，在這些應用中，其主要用于建立不同等級、不同用途的掌握網(wǎng)。較之常規(guī)測量技術，它具有全天候、觀測時間短、選點敏捷、測量精度高、觀測及數(shù)據(jù)處理過程的自動化等特點。本文通過模擬GPS靜態(tài)定位技術應用于現(xiàn)代橋梁的變形監(jiān)測試驗，給出結論，對實際工程具有指導意義。

1、試驗狀況

本試驗在某樓頂進行，監(jiān)測網(wǎng)共有9個點組成，其中8個監(jiān)測點，均采納強制歸心的觀測墩，分別編號GP1，GP2，……GP8，一個基準點，為標準埋石點，編號GPA，其在北京54坐標系下坐標已知，如圖1所示是點位的分布示意圖。試驗中，采納9臺Leica1230的GPS雙頻接收機進行同步觀測，天線類型均為Leicaax1202，數(shù)據(jù)采樣率15秒，衛(wèi)星高度角度，試驗在一天中進行，從上午9：30到下午16：20，天氣晴，偏北風三級。

由于該試驗在某樓頂進行，四周無障礙物阻擋，視野開闊，符合橋梁四周的特征；另外，雖然橋梁長度從幾百米到幾十公里不等，但仍屬于短基線；從圖中監(jiān)測點位分布來看，有4個點位于橋梁中心線上，另外有4個點位于橋梁的兩側，點位分布勻稱，符合實際橋梁監(jiān)測中點位的分布，因此試驗具有較強的通用性，結論具有普遍意義。

2、數(shù)據(jù)處理

試驗中，在將數(shù)據(jù)導出并轉換成RENIX格式后，我們采納TGO軟件進行數(shù)據(jù)的處理。首先新建項目，建立并選擇對應的坐標系統(tǒng)，導入數(shù)據(jù)，輸入編輯點名稱、天線高及天線類型等要素，編輯周跳TimeLine后處理GPS基線；進而首先在WGS-84框架下對監(jiān)測網(wǎng)進行無約束平差，通過后則選擇當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)，加入基準點坐標，進行網(wǎng)的約束平差并輸出結果。TGO解算靜態(tài)監(jiān)測網(wǎng)流程。

8個監(jiān)測點開頭朝南方向均有稍微變化（1~2mm），這可能是由于北風引起的GPS天線位置稍許變化；但從12時至15時始終往北方向移動（達4~5mm），至16時達到穩(wěn)定，這可能是由于日照的緣由。由于各監(jiān)測點均為水泥鑄觀測墩，南面為太陽照耀一面，其受熱膨脹較北面大，從而導致各點不同程度的往北方向移動。

在東方向Y方向上，從圖4可以看出，各監(jiān)測點首先往西方向稍微變化（2mm左右），從下午14時以后點位漸漸往東方向移動，但兩個方向上的變化值均不大。這同樣是由于日照的緣由，上午偏東方向日照較強，點位朝西移動，而約14時以后太陽在西面日照較強，導致點位重新往東方向移動，但兩個方向上變化值均不大。

另外，從最終一個時段TGO的平差報告中我們可以看出，點位的平面精度為0.003m，高程精度為0.014m，即GPS靜態(tài)定位技術的平面觀測精度可以達到毫米級，而高程精度達到厘米級。由于橋梁變形往往達幾公分甚至幾十公分的變形量，GPS靜態(tài)定位技術完全可以用于橋梁等其他建筑工程的高精度變形監(jiān)測。

在試驗中，由于預知各監(jiān)測點變形會在毫米級的較小范圍內變動，為了更好的看清各點的形變趨勢，我們僅僅將數(shù)據(jù)分了六個時段，每個時段長達一個小時。這對于往往需要實時監(jiān)測得到變形量的工程來講，時間無疑太長。事實上我們可以將這個時段縮短到肯定時長以滿意監(jiān)測需要，并采納肯定的方法來提高觀測結果的精度及牢靠性。如對于長距離的大跨度橋梁，由于橋梁呈線型，有可能導致網(wǎng)形幾何強度變差，我們可以采納偽衛(wèi)星技術加以改善。我們可以依據(jù)變形監(jiān)測的特征來探討整周模糊度的快速解算方法，如DC算法[7]等，從而快速確定整周模糊度，得到實時牢靠的變形值。

4、結論

從模擬的試驗我們可以看出，采納類似于建立等級掌握網(wǎng)的靜態(tài)定位方法進行橋梁變形監(jiān)測精度高結果牢靠，完全可以用于橋梁或其他建筑工程的變形監(jiān)測。隨著GPS觀測和數(shù)據(jù)處理自動化技術及多天線陣列技術的進展，GPS靜態(tài)定位技術不僅可以實時的得到牢靠的變形值，而且可以大幅的降低作業(yè)成本，從而更好的為國民生產(chǎn)服務。

依據(jù)我國的《大路養(yǎng)護技術規(guī)范》）（JT073-96）中的有關規(guī)定和要求，針對現(xiàn)代橋梁塔柱高、跨度大和主跨度為柔性梁的特點，橋梁的監(jiān)測不僅要觀測橋梁內部的應力、應變及其變化，還要測定橋梁自身幾何量的變化，從而更直觀明白的推斷其平安狀態(tài)[1]。橋梁的變形觀測，對于主跨橋面等變形量較大的部位通常采納GPS-RTK進行觀測，而對于大跨度橋梁的塔柱及基礎等變形量較小的部位，通常采納全站儀，測量機器人或和GPS-RTK搭配以及GPS靜態(tài)定位方法。

目前，GPS靜態(tài)定位技術在測量中被廣泛地用于大地測量、工程測量、地籍測量及變形監(jiān)測中，在這些應用中，其主要用于建立不同等級、不同用途的掌握網(wǎng)。較之常規(guī)測量技術，它具有全天候、觀測時間短、選點敏捷、測量精度高、觀測及數(shù)據(jù)處理過程的自動化等特點。本文通過模擬GPS靜態(tài)定位技術應用于現(xiàn)代橋梁的變形監(jiān)測試驗，給出結論，對實際工程具有指導意義。

1、試驗狀況

本試驗在某樓頂進行，監(jiān)測網(wǎng)共有9個點組成，其中8個監(jiān)測點，均采納強制歸心的觀測墩，分別編號GP1，GP2，……GP8，一個基準點，為標準埋石點，編號GPA，其在北京54坐標系下坐標已知，如圖1所示是點位的分布示意圖。試驗中，采納9臺Leica1230的GPS雙頻接收機進行同步觀測，天線類型均為Leicaax1202，數(shù)據(jù)采樣率15秒，衛(wèi)星高度角度，試驗在一天中進行，從上午9：30到下午16：20，天氣晴，偏北風三級。

由于該試驗在某樓頂進行，四周無障礙物阻擋，視野開闊，符合橋梁四周的特征；另外，雖然橋梁長度從幾百米到幾十公里不等，但仍屬于短基線；從圖中監(jiān)測點位分布來看，有4個點位于橋梁中心線上，另外有4個點位于橋梁的兩側，點位分布勻稱，符合實際橋梁監(jiān)測中點位的分布，因此試驗具有較強的通用性，結論具有普遍意義。

2、數(shù)據(jù)處理

試驗中，在將數(shù)據(jù)導出并轉換成RENIX格式后，我們采納TGO軟件進行數(shù)據(jù)的處理。首先新建項目，建立并選擇對應的坐標系統(tǒng)，導入數(shù)據(jù)，輸入編輯點名稱、天線高及天線類型等要素，編輯周跳TimeLine后處理GPS基線；進而首先在WGS-84框架下對監(jiān)測網(wǎng)進行無約束平差，通過后則選擇當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)，加入基準點坐標，進行網(wǎng)的約束平差并輸出結果。TGO解算靜態(tài)監(jiān)測網(wǎng)流程。

8個監(jiān)測點開頭朝南方向均有稍微變化（1~2mm），這可能是由于北風引起的GPS天線位置稍許變化；但從12時至15時始終往北方向移動（達4~5mm），至16時達到穩(wěn)定，這可能是由于日照的緣由。由于各監(jiān)測點均為水泥鑄觀測墩，南面為太陽照耀一面，其受熱膨脹較北面大，從而導致各點不同程度的往北方向移動。

在東方向Y方向上，從圖4可以看出，各監(jiān)測點首先往西方向稍微變化（2mm左右），從下午14時以后點位漸漸往東方向移動，但兩個方向上的變化值均不大。這同樣是由于日照的緣由，上午偏東方向日照較強，點位朝西移動，而約14時以后太陽在西面日照較強，導致點位重新往東方向移動，但兩個方向上變化值均不大。

另外，從最終一個時段TGO的平差報告中我們可以看出，點位的平面精度為0.003m，高程精度為0.014m，即GPS靜態(tài)定位技術的平面觀測精度可以達到毫米級，而高程精度達到厘米級。由于橋梁變形往往達幾公分甚至幾十公分的變形量，GPS靜態(tài)定位技術完全可以用于橋梁等其他建筑工程的高精度變形監(jiān)測。

在試驗中，由于預知各監(jiān)測點變形會在毫米級的較小范圍內變動，為了更好的看清各點的形變趨勢，我們僅僅將數(shù)據(jù)分了六個時段，每個時段長達一個小時。這對于往往需要實時監(jiān)測得到變形量的工程來講，時間無疑太長。事實上我們可以將這個時段縮短到肯定時長以滿意監(jiān)測需要，并采納肯定的方法來提高觀測結果的精度及牢靠性。如對于長距離的大跨度橋梁，由于橋梁呈線型，有可能導致網(wǎng)形幾何強度變差，我們可以采納偽衛(wèi)星技術加以改善。我們可以依據(jù)變形監(jiān)測的特征來探討整周模糊度的快速解算方法，如DC算法[7]等，從而快速