劉志強(qiáng),岳東杰,鄭德華
(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)
現(xiàn)代大型橋梁如斜拉橋、懸索橋,具有跨越能力強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn),在跨江河(海)及高山峽谷等交通工程中被廣泛采用。隨著大跨徑橋梁跨越寬度的日益增大,其損傷識(shí)別和安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題較常規(guī)橋梁要更加突出。尤其當(dāng)橋梁使用一定年限后,長(zhǎng)期累積的結(jié)構(gòu)疲勞和損傷將可能影響橋梁運(yùn)營(yíng)的基本安全。
橋梁在運(yùn)營(yíng)期間受到交通荷載、溫度及風(fēng)力變化、結(jié)構(gòu)性能退化、地震等因素影響,產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變形大致可以分為兩類(lèi):因基礎(chǔ)沉降、索力松弛及橋梁斷裂等造成的永久變形和狀態(tài)可恢復(fù)的短期變形[1-2]。針對(duì)大跨徑橋梁外部變形監(jiān)測(cè),傳統(tǒng)大地測(cè)量方法通常采用精密水準(zhǔn)儀和全站儀等儀器,對(duì)于結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的連續(xù)剛構(gòu)、橋墩與索塔基礎(chǔ)等的監(jiān)測(cè)具有優(yōu)勢(shì),一般能以毫米級(jí)的精度探測(cè)出構(gòu)件在一定周期內(nèi)的變形情況。但對(duì)于主橋橋面和索塔等,受環(huán)境因素變化影響,會(huì)產(chǎn)生明顯的持續(xù)動(dòng)態(tài)三維變形。傳統(tǒng)方法觀測(cè)周期長(zhǎng)、工作量大,受監(jiān)測(cè)頻次所限無(wú)法跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的連續(xù)變化情況。另外,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)也無(wú)法嚴(yán)格同步觀測(cè),從監(jiān)測(cè)結(jié)果中難以分離因時(shí)間不同步、環(huán)境因素變化的影響。攝影測(cè)量及地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)用于橋梁變形監(jiān)測(cè)具有非接觸、面測(cè)量的優(yōu)勢(shì),但存在測(cè)量精度隨著距離增加而迅速下降的不足[3-5]。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)可達(dá)毫米級(jí)水平,但其時(shí)間分辨率較低,應(yīng)用在橋梁連續(xù)短期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中仍存在困難[6-7]。
目前,國(guó)內(nèi)外的很多大跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng),一般在橋梁關(guān)鍵部位布設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn),利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全年連續(xù)三維位移監(jiān)測(cè)[8-12]。眾所周知,RTK定位的平面精度一般為1~2 cm、高程精度為3~5 cm。RTK模式在實(shí)時(shí)反映橋梁大尺度變形狀態(tài)(如突發(fā)密集荷載、臺(tái)風(fēng)、地震等)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。對(duì)處于常規(guī)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的橋梁而言,其短期動(dòng)態(tài)變形幅值一般較小,且變化相對(duì)緩慢。在環(huán)境因素相差不大的情況下,同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)段的位置重復(fù)較差可能僅為數(shù)毫米。無(wú)論是監(jiān)測(cè)橋梁短期動(dòng)態(tài)變形及其可恢復(fù)性,還是面向橋梁整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期趨勢(shì)性變化的永久變形分析,RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的定位誤差因素干擾均過(guò)大。盡管可以采用一定的數(shù)據(jù)處理手段對(duì)RTK定位結(jié)果進(jìn)行濾波,但這是否會(huì)損失重要和危險(xiǎn)的形變信號(hào),值得進(jìn)一步探討[13-16]。
對(duì)于處于常規(guī)運(yùn)營(yíng)期的大跨徑橋梁而言,除隨機(jī)環(huán)境因素激發(fā)下產(chǎn)生的微小振動(dòng)外,橋梁的動(dòng)態(tài)變形一般為是接近蠕動(dòng)的緩慢動(dòng)態(tài)變形。但這種動(dòng)態(tài)蠕變與大壩、滑坡體等的變形又有明顯不同,其周期較短,一般約為24 h。本文針對(duì)目前GNSS-RTK監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不能完全滿足高精度變形監(jiān)測(cè)的缺陷,嘗試采用基于GPS/BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式監(jiān)測(cè)大跨徑橋梁動(dòng)態(tài)變形,并對(duì)蘇通大橋主橋外部變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析。
蘇通大橋位于江蘇省東南部,是國(guó)家高速網(wǎng)絡(luò)的重要樞紐和跨長(zhǎng)江通道,也是世界上首座主跨徑突破千米的斜拉橋。大橋全長(zhǎng)8.146 km,由引橋、主橋和輔橋3部分組成;其中主橋?yàn)槠呖珉p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,主孔跨徑為1088 m。蘇通大橋自2008年建成通車(chē)以來(lái),迄今為止已運(yùn)營(yíng)9年。近年來(lái),交通流量、行車(chē)密度及重型車(chē)輛數(shù)大幅度增長(zhǎng)。
根據(jù)蘇通大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在主橋關(guān)鍵部位布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)12個(gè),分別位于主橋南端(S1、S2)、主跨南1/4跨(P1、P2)、主跨跨中(M1、M2)、主跨北1/4跨(Q1、Q2)、北端(N1、N2)、南索塔(NT)、北索塔(BT)。同一監(jiān)測(cè)斷面,上、下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布設(shè)。監(jiān)測(cè)采用雙基準(zhǔn)站策略,選取蘇通大橋平面控制網(wǎng)點(diǎn)ST02作為主基準(zhǔn)站,ST06作為輔基準(zhǔn)站,兩基準(zhǔn)站距各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均不超過(guò)3.5 km。基準(zhǔn)站10°以上高度角周?chē)鸁o(wú)明顯遮擋及遠(yuǎn)離電磁波干擾源,地質(zhì)條件較為穩(wěn)定。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置及點(diǎn)位分布如圖1所示。
圖1
采用與蘇通大橋測(cè)區(qū)附近多個(gè)IGS站點(diǎn)聯(lián)測(cè)的方法,獲取基準(zhǔn)點(diǎn)在ITRF2008框架下的坐標(biāo)??紤]到監(jiān)測(cè)結(jié)果在不同坐標(biāo)系中的表達(dá),為方便后期坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將蘇通大橋基準(zhǔn)平面控制網(wǎng)點(diǎn)(ST01—ST06共6個(gè))一起納入解算。GPS網(wǎng)三維平差約束基準(zhǔn)取SHAO、BJFS、TWTF在ITRF2008框架下2 014.739歷元(2014-09-28)的坐標(biāo)。所聯(lián)測(cè)IGS站點(diǎn)分布如圖2所示。
圖2 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)聯(lián)測(cè)IGS站點(diǎn)分布
將所有接收機(jī)原始數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)換成RINEX格式,并保留2.11和3.02兩種格式版本;對(duì)RINEX觀測(cè)文件頭進(jìn)行編輯,包括天線ARP位置、測(cè)站近似位置、首歷元觀測(cè)時(shí)間等信息。監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)由1 s基礎(chǔ)采樣率歸化為10 s、30 s等,并按每15 min或10 min一組分時(shí)段存儲(chǔ)處理3種方案的基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù),即GPS單系統(tǒng)、BDS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合系統(tǒng)。以上均通過(guò)基于Matlab的自編程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化處理。除此之外還可進(jìn)行衛(wèi)星可見(jiàn)性及PDOP值計(jì)算、信噪比信息提取、多路徑效應(yīng)評(píng)估及周跳探測(cè)等。
GNSS解算結(jié)果的坐標(biāo)是基于ITRF參考框架的,而對(duì)橋梁特性的分析主要基于橋梁橫向、縱向及豎向。為分析各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面位置變化,建立蘇通大橋橋軸坐標(biāo)系:其中X軸為橋縱軸方向、Y軸橋橫軸方向。對(duì)于各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化,直接采用WGS-84橢球下的大地高。在解算出各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的ITRF2008坐標(biāo)后,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為橋軸平面坐標(biāo)和大地高,即(X,Y,H)。
采用自編GNSS數(shù)據(jù)處理軟件GeoPNT對(duì)各時(shí)段基準(zhǔn)站與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所構(gòu)成的GPS/BDS基線進(jìn)行處理,僅取基線固定解,并剔除不合格基線。根據(jù)聯(lián)測(cè)IGS站得到的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)合基線解算結(jié)果,得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的ITRF2008下的坐標(biāo)。由ITRF2008坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為蘇通大橋橋軸坐標(biāo)的過(guò)程如下:
(1) 采用北京1954(BJ54)橢球參數(shù),將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的ITRF2008框架下的空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)ITRF2008轉(zhuǎn)換為BJ54橢球下的大地坐標(biāo)(B,L,H)BJ54
(1)
(2) 以BJ54橢球?yàn)榛鶞?zhǔn),選定測(cè)區(qū)中央子午線,將得到的(B,L,H)BJ54投影為平面格網(wǎng)坐標(biāo)(x,y)GRID;將該格網(wǎng)坐標(biāo)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)及尺度縮放可轉(zhuǎn)換為與蘇通大橋平面控制網(wǎng)采用的STB平面坐標(biāo)(x,y)STB
(2)
轉(zhuǎn)換采用的公共點(diǎn)為ST02、ST03、ST04、ST05,驗(yàn)證點(diǎn)為ST01、ST06。采用4個(gè)平面控制點(diǎn)作為公共點(diǎn),由上述方法得到平面格網(wǎng)坐標(biāo)與STB平面坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換參數(shù),其平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差及驗(yàn)證點(diǎn)殘差為毫米級(jí)。
(3) 按照步驟(2)中求得的轉(zhuǎn)換參數(shù),可以將各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)為STB平面坐標(biāo)。STB平面坐標(biāo)系與大橋橋軸坐標(biāo)系僅存在方位旋轉(zhuǎn)關(guān)系,二者間的旋轉(zhuǎn)角β通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1與Q1原STB平面坐標(biāo)反算坐標(biāo)方位角得到。于是,各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)STB平面坐標(biāo)(x,y)STB可通過(guò)下式轉(zhuǎn)為橋軸坐標(biāo)(X,Y)橋軸。
(3)
(4) 采用WGS-84橢球參數(shù),按式(1)可以將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的ITRF2008框架下的空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)ITRF2008轉(zhuǎn)換為大地高H,用于分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向位移變化。
按圖1所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,筆者于2014年9月28日8:00—9月29日8:00進(jìn)行了第一次GNSS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。外業(yè)觀測(cè)衛(wèi)星截止高度角設(shè)定為15°,采樣間隔歸化為10 s。當(dāng)日氣溫變化為23℃~28℃,白天日照充足,全天平均風(fēng)速7.3 m/s。將主橋各監(jiān)測(cè)點(diǎn)外業(yè)數(shù)據(jù)每15 min作為一個(gè)單元時(shí)段進(jìn)行連續(xù)解算。設(shè)計(jì)如下3種方案:①GPS單系統(tǒng);②BDS單系統(tǒng);③GPS/BDS組合系統(tǒng)。為保證監(jiān)測(cè)成果的可靠性,取基準(zhǔn)站ST02、ST06推求的監(jiān)測(cè)點(diǎn)ITRF2008坐標(biāo)平均值,然后按上文所述方法轉(zhuǎn)化為橋軸坐標(biāo)。以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月28日8:00—9:00解算結(jié)果的均值作為初始值,解算結(jié)果扣除該基準(zhǔn)值后,可得到3種模式下主橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形結(jié)果如圖3所示。限于篇幅,圖3中僅給出了主橋南端、北端、跨中及1/4跨各一側(cè)點(diǎn)位的解算結(jié)果。
從圖3中GPS和GPS/BDS組合兩種模式的解算結(jié)果可以看出:①主橋南端和北端監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿橋軸縱向位移變化較大,隨著溫度上升引起的纜索、鋼箱梁受熱膨脹,于15:00—16:00左右變形達(dá)到最大幅值,約為10 cm。由于主橋兩端點(diǎn)均有橋墩支撐,沿橋軸橫向位移變化除個(gè)別時(shí)段外,大多在±1 cm范圍內(nèi),而豎向位移稍大,約在±2 cm范圍內(nèi)變化。主橋兩端監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在次日8:00的解算結(jié)果均在初始位置附近,表明其三維動(dòng)態(tài)變形均具有良好的可恢復(fù)性。②受纜索約束,主跨跨中和1/4跨監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿橋軸縱向位移均較小,波動(dòng)范圍約為±2 cm。沿橋軸橫向位移變化24 h最大幅值可達(dá)10 cm;注意到其位移極值出現(xiàn)在19:00左右,且在次日8:00未恢復(fù)至初始值附近??梢?jiàn),溫度變化并未主導(dǎo)影響其橫向位移,可能受上下游兩側(cè)持續(xù)風(fēng)力及交通荷載影響更大。對(duì)于豎向位移,跨中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移波動(dòng)要明顯大于1/4跨點(diǎn)位,為±5 cm。
圖3 3種模式下蘇通大橋主橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形結(jié)果(2014年)
由圖3可知,GPS/BDS組合系統(tǒng)與GPS單系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性,而B(niǎo)DS單系統(tǒng)解算結(jié)果僅在部分時(shí)段較為一致,且有效解時(shí)段數(shù)明顯偏少。圖4給出了3種方案單天有效解時(shí)段數(shù)量的對(duì)比圖??梢钥闯觯珿PS/BDS組合系統(tǒng)與GPS單系統(tǒng)有效時(shí)段數(shù)相當(dāng),除南、北索塔之外均在93%以上,而B(niǎo)DS單系統(tǒng)最大僅為83%(北端N2),最小僅為12%(南索塔NT)。
圖4 3種模式下單天有效解時(shí)段數(shù)量比較
圖5給出了南塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)遮蔽條件下的可視衛(wèi)星軌跡和信噪比圖。從衛(wèi)星軌跡來(lái)看,當(dāng)前GPS衛(wèi)星數(shù)及其幾何分布都明顯優(yōu)于BDS。BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)雖然在多數(shù)時(shí)段可達(dá)到7顆以上,但其中有5顆為GEO衛(wèi)星,其在天空中的幾何位置相對(duì)固定。BDS衛(wèi)星幾何分布的變化將主要由IGSO、MEO衛(wèi)星主導(dǎo),由此會(huì)引起相鄰歷元間衛(wèi)星幾何分布的相似性。這一定程度上會(huì)引起基線解算法方程的病態(tài),從而影響整周模糊度的固定及基線解的可用性與精度。從信噪比來(lái)看,由于南索塔(NT)、北索塔(BT)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的南北向兩側(cè)混凝土壁高出GNSS天線約30 cm,衛(wèi)星信號(hào)接收受到一定影響。圖5中NT監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星高度角約40°以下的GPS和BDS衛(wèi)星信噪比值明顯衰減。
圖5 南索塔(NT)遮蔽條件下可視衛(wèi)星軌跡及信噪比
綜合圖3—圖5來(lái)看,對(duì)于BDS單系統(tǒng),受目前BDS在軌衛(wèi)星數(shù)偏小的條件限制,與前兩種方案相比,各點(diǎn)位可用于有效解算的時(shí)段數(shù)明顯偏少。尤其當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)遮蔽較為嚴(yán)重時(shí)(如NT、BT),BDS單系統(tǒng)仍無(wú)法單獨(dú)進(jìn)行位移變形的有效監(jiān)測(cè)。在此情況下,GPS/BDS組合系統(tǒng)用于變形監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)較明顯。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置衛(wèi)星信號(hào)接收相對(duì)較好的情況下,GPS/BDS組合系統(tǒng)與GPS單系統(tǒng)解算結(jié)果是相當(dāng)?shù)摹?/p>
為進(jìn)一步分析GNSS連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理模式用于橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期趨勢(shì)性變化分析的可行性,于2016年9月26日8:00—9月26日8:00進(jìn)行了第2次監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。當(dāng)日氣溫變化為24℃~30℃,較2014年平均氣溫約高2℃,天氣條件與第1次試驗(yàn)無(wú)其他明顯差異。另外,兩次試驗(yàn)橋梁均處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài),無(wú)突發(fā)交通擁堵、臺(tái)風(fēng)等特殊狀況影響。外業(yè)觀測(cè)衛(wèi)星高度角、采樣率等與2014年設(shè)置完全相同,但按每10 min一個(gè)時(shí)段進(jìn)行連續(xù)解算。為全面反映主橋各點(diǎn)位在兩年間的周日動(dòng)態(tài)變形情況,在此進(jìn)一步給出與圖3位置不同的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位GPS/BDS組合模式下不同年度監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比,如圖6所示。需要說(shuō)明的是,2016年與2014年監(jiān)測(cè)結(jié)果采用相同基準(zhǔn),即以2014年9月28日8:00—9:00解算結(jié)果均值作為初始值。
圖6 GPS/BDS組合模式下不同年度監(jiān)測(cè)結(jié)果比較
從不同年度間監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)單元時(shí)段取10~15 min均能獲得較高精度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖6可以看出,下游南端監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同年度間平面和豎向位移表現(xiàn)出較好的一致性。在23:00—11:00溫度變化相對(duì)平穩(wěn)時(shí)段,兩年間縱向、橫向及豎向位置互差均值分別為6.0、3.0和3.2 mm,而11:00—19:00時(shí)段兩年間位置互差稍大,以上主要與兩次試驗(yàn)的溫度差異有關(guān)。受兩側(cè)纜索約束,主跨跨中和1/4跨監(jiān)測(cè)點(diǎn)位縱向位移較主橋端點(diǎn)變化幅值要小得多,兩年間位置互差24 h均值分別為12.2、21.5 mm;考慮2016年平均氣溫較2014年高出2℃左右,若剔除溫度差異影響,兩年間變化趨勢(shì)線可以認(rèn)為是基本一致的。橫向位移互差則相對(duì)大得多;正如上文分析所述,纜索約束位置點(diǎn)的橫向位移并不受溫度因素主導(dǎo),可能受交通荷載及風(fēng)力變化影響更大。圖4跨中和1/4跨橫向位移結(jié)果顯示,在夜間23:00—凌晨5:00時(shí)段,兩年間監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移結(jié)果互差均值分別為15.2、12.7 mm,而該時(shí)段車(chē)輛交通荷載較少、溫度變化趨于平穩(wěn);最大互差出現(xiàn)在10:30—11:30、18:30—19:00和5:30—6:00前后,其最大互差可達(dá)5~7 cm。主跨跨中和1/4跨兩年間各時(shí)段豎向位移變化區(qū)間未發(fā)現(xiàn)明顯偏差,兩期位置差均值分別為18.9、9.1 mm。
本文以運(yùn)營(yíng)期的蘇通大橋?yàn)槔?,?yàn)證了基于GPS/BDS的連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式用于大跨徑橋梁動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的有效性。與現(xiàn)有RTK監(jiān)測(cè)模式相比,該模式顧及常規(guī)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)緩慢蠕動(dòng)變形的典型特征,監(jiān)測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí);其自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理模塊可嵌入已有橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),作為RTK系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。在獲得長(zhǎng)期連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)間序列后,可進(jìn)一步結(jié)合溫度、風(fēng)速、交通荷載等觀測(cè)資料,建立橋梁關(guān)鍵部位位移與環(huán)境因素?cái)?shù)學(xué)相關(guān)模型,研判其動(dòng)態(tài)變形區(qū)間及其發(fā)展趨勢(shì),為構(gòu)件疲勞損傷檢測(cè)預(yù)警及橋梁健康狀態(tài)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。