蔣俊華 王亞榮

(天津市測繪院有限公司, 天津 300381)

0 引言

對高層建筑在外界環(huán)境作用下的動態(tài)變形響應(yīng)過程進行監(jiān)測,可以有效評估結(jié)構(gòu)的安全健康狀況。通過對結(jié)構(gòu)變形機制進行分析,可以對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行檢驗,進而改進設(shè)計模型[1-2]。常規(guī)監(jiān)測手段主要包括加速度計、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)、全站儀、位移傳感器等,其中GNSS應(yīng)用于高層建筑動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢顯著,如不受氣候條件限制,可全天候觀測,易實現(xiàn)自動化,且可直接獲取監(jiān)測體的三維變形信息[3-5]。

目前,GNSS應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測主要包括相對定位和精密單點定位兩種模式。GNSS相對定位技術(shù)可以有效削弱甚至消除空間相關(guān)定位誤差,定位精度高。振動臺實驗和實際工程監(jiān)測實例驗證了實時動態(tài)(Real Time Kinematic,RTK)定位技術(shù)和單歷元差分定位技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可行性和有效性[6-7]。然而,在實際工程應(yīng)用中,相對定位方法需要在參考站和監(jiān)測站同時架設(shè)高性能的高頻GNSS接收機。在高樓林立的環(huán)境中,穩(wěn)定的基準站位置選擇可能會比較困難,同時架設(shè)基準站也增加了工程成本。與相對定位技術(shù)相比,精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)技術(shù)因無須架設(shè)參考站、簡單易行、工程硬件成本低,在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。學(xué)者利用振動模擬實驗對動態(tài)PPP在水平和垂直方向的定位精度進行了分析,PPP技術(shù)可有效獲取結(jié)構(gòu)的振動變形量以及振動模態(tài)信息[8-9]。但是受定位精度的限制,PPP技術(shù)無法準確獲取結(jié)構(gòu)的低頻變形信息。為了節(jié)約硬件成本,提高測量精度,易重海等提出利用組合單站歷元間差分和單歷元相對定位技術(shù)進行超高建筑風(fēng)振監(jiān)測[10]。該方法雖然可以利用城市連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations, CORS)作為基準站,獲取高采樣率、高精度的位移數(shù)據(jù),但是該監(jiān)測方法數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且無法利用現(xiàn)有的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件。

針對以上GNSS監(jiān)測方法的不足,提出了一種基于PPP-AR(Precise Point Positioning-Ambiguity Resolution)的組合高低頻GNSS高層建筑動態(tài)監(jiān)測新方法。該方法只需在監(jiān)測站架設(shè)高頻GNSS接收機,而基準站可以采用低頻GNSS接收機,一般城市CORS滿足這種需求。該方法與傳統(tǒng)的GNSS監(jiān)測技術(shù)相比,既可以保證測量的精度,又可以簡化工作流程,節(jié)約工程成本。

1 高層建筑動態(tài)監(jiān)測新方法

本文提出了一種基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動態(tài)監(jiān)測新方法。該方法只需在監(jiān)測站采用高采樣率的GNSS接收機,而參考站采用低采樣率的接收機。當附近有CORS站時,只需單站作業(yè),簡化作業(yè)流程。數(shù)據(jù)處理具體流程如圖1所示。

圖1 高層建筑動態(tài)監(jiān)測新方法數(shù)據(jù)處理流程

(1)基于PPP-AR技術(shù)獲取監(jiān)測站高采樣率的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果,并將位移監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)化為歷元間坐標差?？紤]到在幾秒鐘的短時間內(nèi),外部因素對定位結(jié)果的影響不會發(fā)生很大的變化,則認為歷元間坐標差的精度在短時間內(nèi)是一致的。

(2)提取參考站和監(jiān)測站的同步歷元的低采樣率監(jiān)測數(shù)據(jù),基于相對定位方法獲取監(jiān)測站高精度低采樣率的監(jiān)測結(jié)果。

(3)綜合平差處理。利用高精度低采樣率的相對定位結(jié)果對高采樣率的歷元間坐標差進行誤差修正,獲取監(jiān)測站高采樣率、高精度的歷元間坐標差。

(4)利用監(jiān)測站低采樣率、高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測站高采樣率、高精度的歷元間坐標差,獲取監(jiān)測站高采樣率高精度的位移監(jiān)測結(jié)果。

2 高層建筑動態(tài)監(jiān)測實驗分析

2.1 試驗概況

某研究機構(gòu)對高層建筑進行了長期的監(jiān)測。該建筑高度約260 m,外形輪廓為長寬比約為4∶1。監(jiān)測系統(tǒng)同步布設(shè)了兩組加速度計和兩臺高頻GNSS接收機,用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動加速度和變形位移。其中加速度計和GNSS的數(shù)據(jù)采樣率分別為20和10 Hz。為了驗證提出的新方法的有效性,對比實驗中將GNSS基準站的數(shù)據(jù)采樣時間間隔設(shè)置為5 s,監(jiān)測站數(shù)據(jù)采樣率為10 Hz。儀器設(shè)置如圖2所示。

圖2 大廈樓頂平面與傳感器布置圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

由高樓的結(jié)構(gòu)分布可知,高樓在X方向?qū)Νh(huán)境荷載更加敏感,由于篇幅限制,本文只對X方向的監(jiān)測結(jié)果進行分析。基于相對定位方法獲取監(jiān)測站低頻高精度的定位結(jié)果,數(shù)據(jù)時間間隔為5 s,結(jié)果如圖3(a)所示。從相對定位結(jié)果中可以看出,高樓在臺風(fēng)荷載作用下存在長周期的變形,變形量約為2 cm,由于受數(shù)據(jù)采樣率的限制,無法獲取建筑更加細節(jié)的振動變形信息。本研究采用武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心研發(fā)的固定模糊度的精密單點定位軟件PRIDE-PPPAR對監(jiān)測站高頻GNSS數(shù)據(jù)進行PPP-AR解算,數(shù)據(jù)時間間隔為0.1 s。位移結(jié)果如圖3(c)所示。將PPP-AR位移結(jié)果轉(zhuǎn)化為歷元間坐標差,結(jié)果如圖3(e)所示。圖3中(b)(d)(f)分別是對(a)(c)(e)的局部放大。PPP定位采取了模糊度固定技術(shù),定位結(jié)果誤差范圍為-4～4 cm。由于一些誤差無法通過差分模式進行消除削弱,PPP結(jié)果與相對定位結(jié)果在整體趨勢上仍然存在一定的偏差。

圖3 相對定位、PPP-AR以及歷元間坐標差結(jié)果

為了驗證本文提出的新方法的精度,采用傳統(tǒng)的單歷元相對定位方法獲取監(jiān)測站高采樣率、高精度的位移結(jié)果,數(shù)據(jù)時間間隔為0.1 s,原始結(jié)果如圖4(a)所示,對其細部進行放大,如圖4(b)所示?；诨鶞收? s和監(jiān)測站0.1 s采樣時間間隔的GNSS數(shù)據(jù),采用提出的基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動態(tài)監(jiān)測新方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理,原始結(jié)果如圖4(c)所示,對其結(jié)果進行放大,如圖4(d)所示,其中獲取的位移結(jié)果的時間間隔為0.1 S。分析結(jié)果表明,無論是在整體趨勢還是局部細節(jié),新方法和傳統(tǒng)的單歷元相對定位方法都獲得了很好的一致性。

圖4 單歷元相對和新方法定位結(jié)果

將時間域監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率域,進而分析結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。對高樓的位移和加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行頻譜分析。采用高頻GNSS相對定位方法和本文提出的新方法獲取結(jié)構(gòu)變形的頻譜分析結(jié)果分別如圖5(a)和5(b)所示。加速度計監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果如圖5(c)所示。本文提出的新方法獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果與傳統(tǒng)的相對定位方法具有很好的一致性。本文提出的新方法識別的高樓的前兩階振動頻率分別為0.21和0.44 Hz,這和加速度計的監(jiān)測結(jié)果是一致的。由于加速度計具有更高的靈敏度,可以準確識別結(jié)構(gòu)更高階的振動頻率。

圖5 相對定位方法、新方法以及加速度計方法頻譜分析結(jié)果

小波分析是一種有效的結(jié)構(gòu)振動信號提取方法[11-12]。為了與加速度計方法進行對比分析,基于小波分析方法對高層建筑的振動變形進行提取,并將獲取的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加速度,結(jié)果如圖6所示。本文提出的新方法獲取的高層建筑振動變形加速度與傳統(tǒng)的相對定位方法、加速度計方法無論在整體趨勢和局部細節(jié)方面都具有很好一致性。

圖6 提取的高樓振動加速度

3 結(jié)束語

變形監(jiān)測為評估建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。本文提出了一種基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動態(tài)監(jiān)測新方法。通過對高層建筑風(fēng)振監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析可得,在獲取結(jié)構(gòu)振動位移和似靜態(tài)位移方面,新方法與GNSS相對定位方法獲得的結(jié)果具有很好的一致性。新方法識別的結(jié)構(gòu)振動頻率、振動加速度在數(shù)值方面與加速度計獲取的結(jié)果高度吻合。本文提出的新方法既可以保證監(jiān)測精度,又可以有效簡化作業(yè)流程、節(jié)約監(jiān)測成本,具有廣闊的應(yīng)用前景。