GPS动态几何监测系统在桥梁施工中的应用研究

　　大型桥梁施工过程复杂,控制要求严格,任何偏离设计的施工都会导致成桥线型和内力偏离设计值,从而影响桥梁设计的承载能力。为此,必须从桥梁开始施工,即着手进行全过程的安全监测。过去,通常使用全站仪、位移传感器、加速度计等方法测量桥梁的位移、动态特性等参数,然而在大型桥梁施工监测中,这些传统的测量手段存在一定的局限性[1,2],不能满足对桥梁进行连续、实时和自动监测的需要。近年来,GPS为位移测量、动态分析提供了新的技术手段,国内外学者作了大量的试验研究[1, 3-9]。目前,一些重大结构工程,如香港青马大桥[10]、广东虎门大桥[2]、日本明石海峡大桥[11]、新加坡共和国广场大厦[12]等均已成功布置了GPS监测系统,进行长期实时的监测,从而更好地分析结构的安全状况。本文结合苏通大桥上部结构施工的情况,研究了GPS动态几何监测系统的应用效果。

　　1　系统简介

　　苏通大桥主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥,大桥全长8 146 m,主跨1 088 m,主索塔高300.4m,为世界同类桥梁之首。大桥位于长江下游,每年都要经历长时间的台风期,加上昼夜及季节温差大,各种恶劣因素对上部结构施工的精确定位带来十分不利的影响。为确保施工安全及成桥结构设计的指标,对施工期主梁的几何线型、高程、动力学参数和索塔偏位等的确定提出了极高的要求。为此,本文提出并成功实现了一套基于GPS技术的远程实时动态几何监测系统,对大桥施工期塔、梁的几何和结构状态进行连续、实时的监测。

　　苏通大桥主梁施工期GPS实时监测系统基于载波相位差分技术,由GPS基准站、监测点、数据通讯网络和监控中心等部分组成。监控中心的计算机接收各监测点的数据,实时计算各监测点在桥梁坐标系下的位移,以时程曲线、点云等形式显示,并将其存入数据库。考虑到通讯链路的稳定性要求和施工现场的复杂性,采用点对多点无线扩频通讯专用网络进行数据传输,通过增加远端站设备,可以方便地扩充监测站点。

　　索塔顶GPS监测点在索塔封顶后即着手安装,并开始连续监测;桥面上的GPS监测点根据钢箱梁施工的进度逐步增加并移位,而且,桥面上GPS监测点安置在上游侧。大型斜拉桥的固有频率一般远小于5 Hz,根据奈奎斯特定理可知,将监测点GPS接收机的采样率设置为10 Hz即可无失真地记录下所有振动信号。

　　2　系统监测的精度及效果

　　2.1　精度分析

　　由于诸多影响因素和本身结构的复杂性,桥梁始终处于运动状态,难以选择一个绝对静止的测点分析动态GPS监测成果的精度。为合理评价GPS动态几何监测系统在现场应用的效果,选择桥梁处于相对稳定时的观测数据进行分析。北索塔2007年1月14日2:00~3:00之间没有进行吊梁、张拉作业,塔吊处于平衡状态,温度变化小于0.1℃,塔顶平均风速5.1 m/s(微风),以此期间索塔顶部监测数据分析结果的精度。图1所示为1 h共36 000个历元的监测数据点位空间分布。