GPS在橋梁檢測方面的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細(xì)方面發(fā)展。與此同時(shí)橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長，結(jié)構(gòu)型式不斷變化。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段越來越不能滿足變形監(jiān)測要求，這就迫切需要性能更可靠的設(shè)備來監(jiān)測大橋的形變。目前，隨著GPS技術(shù)的不斷成熟，GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在橋梁、建筑、地震、大壩等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效益。GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)儀器以其卓越的性能受到專家的好評(píng)。

1.GPS的主流觀測方法-RTK技術(shù)

從國內(nèi)外的有關(guān)研究和應(yīng)用可以看出GPS是一個(gè)非常有效的橋梁監(jiān)測技術(shù)，GPS與其它傳感器結(jié)合用于橋梁健康監(jiān)測已形成了趨勢。它的觀測方法主要分為兩個(gè)流派：單基站RTK模式和控制中心實(shí)時(shí)統(tǒng)一解算模式。目前單基站RTK模式的GPS監(jiān)測方法在橋梁監(jiān)測中的常見精度為1-3cm，數(shù)據(jù)采樣頻率一般為1Hz。

RTK測量技術(shù)集合了GPS衛(wèi)星定位、快速解算、數(shù)據(jù)無線傳輸、快速跟蹤等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于許多個(gè)領(lǐng)域，像鐵路、公路、建筑、水利、石油等，主要因?yàn)槠錅y量模式和測量速度、精度比以往的測量方式有了很大的變革。

(1)RTK概述

RTK(Real  Time  Kinematic)技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)載波相位差分的簡稱。這是一種將GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在1～2s時(shí)間內(nèi)得到高精度位置信息的技術(shù)。

(2)RTK的工作原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的保證，其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，安置一臺(tái)接收機(jī)作為參考站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，流動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機(jī)計(jì)算機(jī)根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和測量精度。這樣我們就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測待測點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測點(diǎn)的精度指標(biāo)，確定觀測時(shí)間，從而減少冗余觀測提高工作效率。

(3)提高工作效率VRS系統(tǒng)的應(yīng)用

高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)GPS定位已經(jīng)在測量和工程界產(chǎn)生了重大變革，帶來了空前的高效率。但直到現(xiàn)在，用RTK系統(tǒng)來進(jìn)行高精度的測量作業(yè)，還意味著你必須首先在測區(qū)附近建立一個(gè)控制點(diǎn)，然后在該控制點(diǎn)上架設(shè)參考站。但目前隨著技術(shù)的日益成熟和改進(jìn)，虛擬參考站VRS系統(tǒng)的誕生使得進(jìn)入測區(qū)內(nèi)的任何一點(diǎn)就能立即開始GPS測量而無需架設(shè)參考站的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。

這種全新的RTK定位方法從根本上提高了作業(yè)效率和測量的質(zhì)量。它不再要求建立參考站，從而節(jié)省了測量時(shí)問，也省去了購買另一臺(tái)參考站接收機(jī)的費(fèi)用。在VRS網(wǎng)內(nèi)，等于已經(jīng)建立了公用的控制點(diǎn)，因此不用擔(dān)心不精確的控制點(diǎn)所產(chǎn)生的誤差傳播。而且接收機(jī)初始化會(huì)更快，也可以確信在得到結(jié)果之前所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢查。可以說VRS系統(tǒng)的產(chǎn)生極大地方便了RTK的測量。

2.GPS模塊應(yīng)用于橋梁變形動(dòng)態(tài)檢測

2.1基于GPS的橋梁形變動(dòng)態(tài)檢測

橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮對(duì)外力具有一定的抵制能力，如風(fēng)力、交通、溫度、潮汐以及一些不可預(yù)知的載荷，如地震、洪水及臺(tái)風(fēng)。這些外力因素是橋梁在設(shè)計(jì)階段和運(yùn)營階段需要考慮的主要因素。不像橋梁基礎(chǔ)沉降很容易利用常規(guī)測量儀器測量，橋梁的動(dòng)態(tài)變形特性或者說是撓度變形用一般的儀器難以達(dá)到很好的測量效果，這是橋梁監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容。典型的大型柔性橋梁的動(dòng)態(tài)形變有由于風(fēng)力引起的橫向振動(dòng)，以及由于交通或者環(huán)境溫度變化引起的豎直方向運(yùn)動(dòng)等。

近年來許多大型橋梁由于使用過度而導(dǎo)致了損壞。很明顯，橋梁的運(yùn)營時(shí)間和近幾十年來日益增加的交通量是主要的原因。據(jù)美國聯(lián)邦公路總署(FHWA)統(tǒng)計(jì)有將近一半的橋梁損壞為結(jié)構(gòu)性損傷或功能性荒廢。因此，毫無疑問對(duì)橋梁，尤其懸索橋的設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)營需要進(jìn)行必要的檢測，以降低橋梁的事故率。這樣的工程要求也就促使需要提供新的監(jiān)測系統(tǒng)和方法來保證橋梁的安全運(yùn)營。基于此提出了研究基于GPS的橋梁變形檢測及分析，旨在從地理信息系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用入手，研究其應(yīng)用范圍、方法以及相關(guān)技術(shù)等。

2.2影響橋梁的環(huán)境因素及GPS檢測系統(tǒng)的重要性

一般來說，影響橋梁的外部環(huán)境是非常惡劣的，它們使得維護(hù)橋梁的安全也成為了非常復(fù)雜的工作。影響橋梁的環(huán)境因素主要包括：(1)高速的潮汐以及風(fēng)力；(2)行駛船只可能的撞擊；(3)由于空氣的濕度和含鹽度引起的橋梁腐蝕破壞；(4)靠近地震區(qū)邊緣；(5)高密度的交通載荷；(6)隨著時(shí)間推移引起的材料疲勞和結(jié)構(gòu)損壞。目前，傳統(tǒng)的監(jiān)測工具有位移傳感器、加速度計(jì)、傾斜傳感器、激光干涉儀、全站儀、精密水準(zhǔn)儀等，這些方法都有一定的成效但也存在許多不足之處。例如，加速度計(jì)對(duì)于橋梁由于溫度變化等因素引起的徐緩的位移以及大風(fēng)影響下的大位移無能為力；激光干涉儀、全站儀和精密水準(zhǔn)儀受氣候的影響較為嚴(yán)重而且采樣率也很難達(dá)到動(dòng)態(tài)測量的要求。近年來由于GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是RTK技術(shù)，其接收機(jī)采樣率己普遍達(dá)到幾十赫茲，定位精度達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)，這使其用于橋梁的監(jiān)測成為了可能。GPS用于橋梁監(jiān)測不受氣候的影響，可以全天候自動(dòng)測量，能夠?qū)崟r(shí)提供定給結(jié)果(IK)，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)各測點(diǎn)的時(shí)間同步。因此在當(dāng)前的工程中，發(fā)展基于GPS的橋梁檢測具有重要的價(jià)值。

GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測，精度高，不受作業(yè)環(huán)境和距離限制，自動(dòng)化程度高，極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少野外工作量，大大提高工作效率及成果質(zhì)量，給傳統(tǒng)的橋梁形變監(jiān)測作業(yè)方式帶來了巨大變化，使橋梁檢測水平顯著提高。

另外，目前大部分的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)做到數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、自動(dòng)解算處理、準(zhǔn)實(shí)時(shí)測量結(jié)果和測量結(jié)果圖形演示。利用控制中心實(shí)時(shí)統(tǒng)一解算模式的監(jiān)測方法雖然難度較大，但精度較好。這一監(jiān)測方法將作為今后致力研究的方向。