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摘要：随着我国桥梁建设工程水平的不断提高，大跨径桥梁、柔性桥梁以及新型结构的桥梁得到了越来越多的应用，对此桥梁变形监测就显得尤为重要，也对其提出了更高的要求。利用GPS监测系统实现了对桥梁的全天候自动监测和数据的实时获取。系统通过对桥梁位移和变形的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科学的依据。
关键词：GPS；变形；监测
1桥梁变形监测意义
桥梁变形监测是对桥梁整体性能的监测，是用工程测量原理、技术和方法以及特种精密工程测量技术，对大桥主梁各控制断面及索塔轴线的位移变形进行定期或实时监测，并编绘相应的位移变形影响线和影响面，以监测各控制部位位移变形状态。通过观测数据，对桥梁变形的显著性进行分析，从而为总体评估大桥的承载能力、营运状态和耐久能力，以及特殊气候、交通条件下或桥梁运营情况严重异常时发出预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。
一方面，随着设计水平和施工技术的发展，各种桥梁的施工正朝着超大化的方向发展，施工过程中的变形监测就成为必然。另一方面，桥梁的运营维护也是国家基础建设的重要部分。多年来，桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的问题。虽然合理保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对大型复杂结构的认识程度，台风、地震、车载和温度变化，以及许多不定时或不可确定的因素诸如超期服役、飓风、腐蚀、疲劳、甚至突发性地震，车、船的冲击、碰撞和爆炸等危害性事件，人们并不都能有效地控制或预测。
2建立大桥三维GPS动态位移监控系统的目的
2.1对大桥三维动态位移(竖向、横向和纵向)和环境变化进行长期的实时性监测，实时获取大桥线形变化、结构体系动力特性信息以及环境参数。
2.2对监测信息进行实时处理和模型分析，进一步反演分析结构内力和刚度变化，从而对结构承载力进行评价。
2.3直观了解台风、地震、偏载和特种运输等特殊荷载下的结构响应，判断结构安全性和交通安全性。
2.4根据设定的安全参数建立多等级报警系统，以可视化的三维动态形式及时了解和掌握大桥在各种条件下的工作状况，实现动态的结构危险分析、评价和预警。
3 GPS在桥梁结构动态监测中的应用
桥梁结构在荷载和环境因素作用下所产生的变形可以分成两类：一类变形反映结构的整体工作状况，如挠度、转角、支座位移等，称为整体变形。桥梁逐渐老化，表现最为明显的是桥梁挠度变化，整体变形的能力能够概括结构整个工作的全貌。因此，在一切观测项目中，各种整体变形往往是最基本的；另一类变形能反映结构的局部工作状况，如纤维变形、裂缝、钢筋的滑动等，这称为局部变形。最能表现老化(或缺陷)的特征是裂缝，裂缝的部位、方向提示了桥梁老化(或缺陷)的部位和性质。
大桥在建成通车后在环境因素影响、运营荷载和特殊荷载（如台风、地震、特种运输等）作用下，其强度和刚度可能会降低，结构性能发生劣化，这将影响到行车安全和桥梁的使用寿命。因此，对大桥的结构特性和安全状况进行监测和评价是保证大桥安全检查的主要依据。而传统的桥梁检查方法难以达到这个目的，如大跨度悬索斜拉桥在强风作用下会产生振动式位移。经典位移测量方法一是光学仪器，当结构位移变化迅速时，这种测量方法通常是不适合的；二是采用近景摄影测量方法，但受场地条件限制，摄站到被研究的目标距离较远，因此精度不高。因此，建立一个实时动态、自动并全天候的健康监控系统就十分有必要。而GPS技术以其实时性好，可全天候工作，自动化程度高、精度高和观测点间无需通视等诸多优点，已在多座大桥上用于大桥动态位移监测。
除风力效应监测、温度效应监测、公路负荷效应监测、铁路负荷效应监测和大桥钢索索力监测以及大桥主要构件应力监测外，大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常运营状态的一个重要标志。因此，用测量手段获取不同工况下大桥主梁和索塔轴线特征点的空间位置变化是大跨度斜拉桥健康监测的重要组成部分。
GPS技术有如下优点：直接获取独立的三维绝对坐标，增强对桥梁结构健康监测的可靠度；实时计算并显示三维位移；全天候24小时连续观测；与已有系统的绝对位置独立检核。
如图1所示，GPS桥梁监测系统由GPS传感器(天线)、通信链路、数据处理和管理软件、附件和分析软件等在内的一个完整的系统组成。
利用建立的GPS监测系统实现了对桥梁的全天候自动监测和数据的实时获取。通信网络系统负责传输GPS数据和遥控GPS接收机，控制中心分析和管理系统可以实现对数据的实时分析，输出监测结果，并实现自动报警功能。系统通过对桥梁位移和变形的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科学的依据。
利用GPSRTK实时定位技术可以按设定的采样频率采集桥梁动态变化时监测特征点的空间位置数据。目前，双频GPS接收机的最高采样频率为10Hz(事后数据处理方式)，这就意味着在实时监测点测量时，流动站上的GPS接收机可以达到每秒10个数据的采集率。因此，它完全可以用于监测振动频率为1Hz以下的桥梁振动变化。一般来说，在外力(如台风、地震和车载)作用下，大型桥梁的振动具有简谐性质，并且随着外力的变化其摆动(或振动)的幅度和频率也在变化。
GPS动态试验的精度是可以评估的。可以利用观测的结果绘制变形体的位移与时间关系振动曲线图，估计这个图形的近似频率。再利用谱分析工具，可以从桥梁水平振动和垂直振动过程中根据振幅和频率变化过程曲线得到更加精确的频率估计，结合不同条件下振动状态，得到不同频谱特性曲线图。
为了确保大跨度桥梁这种重要的大型结构设计的使用安全性和耐久性达到预期标准，建立“桥梁健康监系统”很有必要。它对于了解桥梁结构内力的变化、分析变形原因无疑有着十分重要的作用。
参考文献：
[1]陈永奇，吴子安，吴中如.变形监测分析与预报[M].北京：测绘出版社.1998.
[2]朱建军.贺跃光.变形测量的理论与方法[M].长沙：中南大学出版社.2003.
[3]伊晓东.李保平.变形监测技术及应用[M].郑州：黄河水利委员会出版社.2006.
论文作者:房迅
论文发表刊物:《防护工程》2017年第3期
论文发表时间:2017/7/1
标签：桥梁论文; 位移论文; 大桥论文; 结构论文; 实时论文; 动态论文; 频率论文; 《防护工程》2017年第3期论文;