• 人造卫星定位系统在桥梁结构中的应用———人造卫星定位系统在桥梁结构中的应用

    摘要:香港特别行政区政府路政署最近采用人造卫星定位技术,应用于桥梁结构健康监测系统,借以增强和改进青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的结构健康监测工作,这人造卫星定位系统(Global Podtioning System or GPS)主要用作量度三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔瞬间位移,和推算其相应的导量(截面中线)位移及各相应主要构件的应力状况。GPS监测系统是一套实时监测系统,它包括:GPS测量仪,接驳站,信息收集总控制站,光纤网络,GPS电脑系统及显示器等。本文主要介绍路政署于奇马管制区内所安装的GPS监测系统,并论述有关GPS信息在桥梁结构健康监测中的应用,如风力效应监测、温度效应监测、交通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等。


    关键词:人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评估 悬吊体系桥梁

     

    一、引言

    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营运状态的一个重要标志。普遍大桥的结构设计是基于导量位移。任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线,都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港的三座悬吊体系桥梁,均设有桥梁结构健康监测系统,简称"桥监系统"。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化,继而进行结构评估。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内,可是现存的"桥监系统"还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统(Global Positioning System or GPS)的实时位移测量精度有显著的提升(垂直面误差约20mm,而水平面差误约10mm),因此香港特别行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线,提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中,亦曾考虑其他测量技术方案,如运用红外光线和激光科技,可是这些技术均需要一定视野清晰度,故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。

    二、 GPS监测范围和目的[1,2]

    在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。包括在桥身两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移,及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速度。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量,未能准确地运算桥身整体的摆动幅度,这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢,加速仪不能准确测量;另一方面,在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时,虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位移,但由于这系统是利用液压原理运作,鉴于液体的惯性限制,系统只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息,未能录取瞬间的振幅,错过了一些较大的瞬间振幅,因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度,最后决定在"桥监系统"中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统,直接量度桥梁的独立三维实时位移,增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时GPS系统安装工程已接近完成阶段、数据收集会在竣工后立即开始。这GPS监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移,以及推算其相应的导量(截面中线)位移及各相应主要构件的应力状态。

    三、GPS监测系统简介[3]

    1.GPS监测系统概要

    GPS监测系统是一套实时监测系统,主要由四组系统组成,通过固定光纤纲络传输数据而进行运作。这四个系统分别是:(l)GPS测量系统;(2)信息收集系统;(3)信息处理和分析系统;(4)系统运作和控制系统。其硬件包括:GPS测量仪(其中包括GPS天线和GPS接收器),接驳站,信息收集总控制站,光纤网络,GPS电脑系统,显示屏幕等。

    GPS接收器备有24个卫星跟踪通道,以双频(LI及L2)同步跟踪测量12颗GPS卫星的伪距与全波长的载波相位;GPS监测系统以划一的高速度采样率,利用27组的GPS测量仪同步进行定点位移测量,以每秒10次的点位更新率提供独立三维RTK实时的点位解算结果,高精度点位输出的时间延迟小于0.05秒,令到GPS信号的同步接收、RTK厘米级点位数据输出,光纤网络传输、数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在2秒内完成,提供实时位移监测。另方面,GPS监测系统可以在无人值守的情况下进行24小时作业,配合可调校的数据备份系统,将贮存的GPS位移数据与其他现存的桥梁监测数据加以整合,再作多样化的结构分析和评估;利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料,及选定时段的桥梁整体位移变化资料,来改进桥梁结构健康检测和评估工作。

    2.GPS定点测量

    GPS测量仪的定点测量位置主要安装在桥身的两旁和桥塔的顶端,在三座桥上总共有27个定点测量位置。GPS测量仪的选位配合现存位于跨中的加速仪。在青马大桥桥面上共装有四对GPS测量仪,主悬索缆有一对。另外在汲水门大桥桥面及订九大桥桥面上分别装有一对及两对GPS测量仪。除了提供每秒10个的定点实时测量,GPS监测系统更能运算桥身主轴线的三维瞬间位移,和桥身扭转振动的时程数据。同样,从塔顶的点位解算结果,GPS监测系统能运算出汀九大桥单脚塔顶的位移,和另外两座桥之双脚塔顶的个别位移。经数据及图像处理后,信息屏幕可显示全桥实时摆动的活动图像。现时路政署采用GPS接收器的定位延迟误差为0.03秒,突破早期GPS定位数据与实际点位不能完全一致的难题,这技术可应用于速度不均的运动状态,

    足够应付高速度实时位移监测的基本要求。

    GPS接收器采用抗电磁干扰金属外壳密闭封装,并加上振动隔离装置,进一步减除振动操作环境对GPS设备的影响,加强其抗震性能。在桥上的GPS定点测量位置均采用精密微带天线,为减低对人造卫星信号接收的障碍,所有天线的安装高度须维持水平15度以上的无屏障朝天范围,及避免频繁的双层和高身车辆在使用慢线行车道时形成的障碍。位于贮物大楼房顶的基准站则采用扼流圈环状天线,进一步减少多路径效应对定位测量的影响,确保不断发送至定点测量站的差分改正信息准确无误。基本上GPS测量仪在出厂后毋须定期校对,从而减省养护工作。

    3.GPS信息传输系统

    GPS监测系统是一组不停运作的实时监测系统,当悬吊体系桥梁遇上恶劣天气和运作环境时,GPS监测系统所得的数据更为宝贵,故此对数据传输的稳定性和可靠性都有较高要求。GPS信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤网络。由于光纤不受电磁波干扰,在恶劣作业环境下,如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等,光纤通讯网络仍能维持高水平的数据传输质素和速度,先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号,让维修人员即时知道通讯网络出现问题的位置,确保系统工作效率。信息收集总控制站设于青衣行政大楼,在每座桥上均设有一组网络接驳站,用以汇集各处GPS定位测量站的数据传输分支网络。联接总控制站与接驳站的光纤网络使用单模光纤,最长距离约3km;而联接定位测量站与接驳站的分支光纤网络则使用多模光纤,最长距离约l.3km。每组GPS测量仪需要三条非同步串列传输管道(Async Serial Channel)操作,这三条管道分别用作资料收集、差分改正信息传送及遥距监控,而每条管道传输速度达 19 200Baud。光纤传输速度能力高,一条多模光纤已能取代多条传统的铜蕊资料传输电线。GPS信号从多模光纤传送至网络接驳站后,即被汇集成更高频信号,由更高质素的单模光纤传输至信息收集总控制站,使原本需要百余条钢资料传输电线的传统通讯网络简化为每座桥只需一条单模光纤的光纤通讯网络,大大改进了网络的操作效率和养护维修工作。

    4.GPS信息处理的运作

    从27个GPS定点测量仪输出的GPS大地坐标经纬数据,分别以每秒10个的采样率透过光纤网络信息收集系统同步传送至信息处理和分析系统。信息处理和分析系统安装于青衣行政大楼的桥梁监察室内,由两台电脑工作站组成:(1)第一台为运作工作站(GPS-OWS),用作信息和图像处理,以活动图像实时显示初步的桥身和塔顶三轴向位移动态,及运算桥身扭转振动的幅度,同时以时程数据形式显示各定点的度量位移,GPS一OWS亦负责系统运作和控制,用作监察GPS测量仪和光纤通讯网络的运作状况,当系统出现问题或位移数超出预设极值时,这系统会发出警号和红色灯号,提醒系统管理员。(2)第二台为分析工作站(GPS-AWS),将经过初步处理和分析的信息进行结构分析和评估,并用作进阶图像处理和执行图输入蹦出工作。这两组电脑工作站均与现存的"桥监系统'充脑系统联系在一起,供数据整台之用。表1及表2列出了这两台工作站的主要硬件和操作软件,在需要的情况下,GPS-AWS操作系统作为后备工作站以维持正常运作。

    四、桥架结构侵康检测和评估的应用[1,2]

    GPS监测系统为"桥监系统"中的一个新增设施,其主要作用为直接测量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬间度量位移,并推算其截面中线相应的导量位移,继而再配合其他结构分析软件来评估各相应主要构件的应力状况。目前"桥监系统"对大桥结构的评估有三大方面,分别为承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等,其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备,以避<

     
     
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