余加勇

湖南大學土木工程學院,湖南長沙 410082

基于GNSS和RTS技術的橋梁結構健康監(jiān)測

余加勇

湖南大學土木工程學院,湖南長沙 410082

動態(tài)變形監(jiān)測是橋梁結構健康監(jiān)測的重要內(nèi)容之一,全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和自動型全站儀(RTS)是目前獲取結構動態(tài)變形信息的兩種主要技術手段。本文以英國諾丁漢Wilford懸索橋和長沙三汊磯湘江大橋為試驗研究對象,對GNSS和RTS傳感器動態(tài)監(jiān)測噪聲特性、多傳感器集成、網(wǎng)絡實時動態(tài)差分、數(shù)據(jù)濾波、有限元建模等關鍵技術進行了研究。論文的主要工作及創(chuàng)新點如下:

(1)分析了GNSS和RTS動態(tài)監(jiān)測技術的測量誤差來源及其特性,提出了削弱各項誤差及提高監(jiān)測精度的措施。在GNSS測量中,采用誤差改正模型法或觀測值求差法修正電離層和對流層延遲誤差;采用觀測值求差法修正衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差和接收機位置誤差;采用濾波降噪法修正多路徑誤差和儀器內(nèi)部測量誤差。在RTS測量中,采用目標自動識別技術降低照準誤差;采用校準方法降低儀器軸線誤差;采用濾波降噪法削弱傳感器背景噪聲。另外,分析了中國區(qū)域GPS/Galileo組合導航系統(tǒng)的幾何精度因子,以預報組合導航系統(tǒng)的變形監(jiān)測精度。

(2)研究了集成GNSS和加速度計的橋梁結構動態(tài)位移監(jiān)測方法。提出了GNSS多模式數(shù)據(jù)采集方法,設計了結合最小均方差自適應濾波和切比雪夫高通濾波的多模式自適應濾波器(multimode adaptive filter,MAF),同步獲取實時動態(tài)差分、網(wǎng)絡實時動態(tài)差分和后處理動態(tài)差分共3種解算模式的變形監(jiān)測結果。設計了精密時間數(shù)據(jù)采集器(precise time data logger,PTDL)和監(jiān)測點安裝裝置,實現(xiàn)GNSS與加速度計傳感器的時間同步和豎軸同軸。以英國諾丁漢Wilford懸索橋為試驗研究對象,采用上述的多模式數(shù)據(jù)采集和MAF濾波方法,監(jiān)測該橋結構動力響應,識別出亞毫米級精度的橋梁結構振動位移,以及兩類傳感器結果完全吻合的模態(tài)頻率。

(3)研究了集成RTS和加速度計的橋梁結構動態(tài)位移監(jiān)測方法。設計了RTS和加速度計傳感器聯(lián)合安裝系統(tǒng),確保各傳感器軸線平行或重合;建立了RTS傳感器動態(tài)變形監(jiān)測的規(guī)范化流程,完成了數(shù)據(jù)修復、坐標軸轉換、準靜態(tài)與動態(tài)位移分解和結構模態(tài)分析;提出了RTS和加速度計聯(lián)合監(jiān)測,以解決RTS傳感器對高頻信號敏感度低的問題。以英國諾丁漢Wilford懸索橋為試驗研究對象,采用RTS和加速度計聯(lián)合監(jiān)測方法,監(jiān)測該橋梁結構振動位移,識別出亞毫米級精度的橋梁結構準靜態(tài)位移和動態(tài)位移,以及誤差小于1.8%的模態(tài)頻率。

(4)研究了基于網(wǎng)絡實時動態(tài)差分技術的GNSS動態(tài)變形監(jiān)測方法。進行了模擬和實橋試驗,分析了網(wǎng)絡實時動態(tài)差分技術的噪聲特性。根據(jù)其噪聲特性設計了用于振動位移及頻率識別的小波數(shù)據(jù)處理方案,論證了該技術進行結構動態(tài)變形監(jiān)測的可行性。該方法不需要建立獨立的基準站,可降低監(jiān)測成本,達到傳統(tǒng)GNSS解算方法的測量精度。

(5)對長沙三汊磯湘江大橋進行了有限元建模分析和現(xiàn)場監(jiān)測。根據(jù)大橋結構幾何尺寸、材料特性等參數(shù),采用MIDAS/Civil軟件建立該懸索橋有限元模型。通過橋梁結構靜動計算及模態(tài)分析,掌握大橋結構動力特性。采用RTS、加速度計等技術監(jiān)測交通荷載激勵下的結構動力響應,并重點分析了重車荷載通過橋面時主梁最大豎向撓度。根據(jù)不同工況中RTS傳感器的測量精度,采用最小二乘曲線擬合方法建立RTS動態(tài)測量誤差的經(jīng)驗公式。

GNSS and RTS Technologies Based Structural Health Monitoring of Bridges

YU Jiayong
College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China

Jiayong(1976—),male,lecturer,

his doctoral degree from Hunan University on January 2015, majors in deformation monitorings and vibration parameter identifications of civil engineerings.

P258

D

1001-1595(2015)10-1177-01

國家自然科學基金(50908083)

2015-01-06

余加勇(1976—),男,講師,2015年1月于湖南大學獲工學博士學位(指導教師:邵旭東教授、孟曉林教授),研究方向為土木工程結構變形監(jiān)測與振動參數(shù)識別。

YU Jiayong.GNSS and RTS Technologies Based Structural Health Monitoring of Bridges[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2015,44(10):1177.(余加勇.基于GNSS和RTS技術的橋梁結構健康監(jiān)測[J].測繪學報,2015,44(10):1177.)

10.11947/j.AGCS.2015.20150017

E-mail:jiayongyu＠gmail.com