王晓智
中铁大桥局一公司测绘分公司,河南 郑州 450053
随着我国经济建设的发展,路桥工程作为基础工程建设的重要组成部分得到了迅猛的发展,桥梁作为路桥工程的一个重要组成部分也有了很大的进展,我国在近几年已经建造了大量的具有国际水平的大型桥梁,一些新的桥型也不断出现(如斜拉桥、悬索桥等)。由于这些新建的大跨径桥梁投资高,构件复杂,更换困难,因此,为了验证设计方案的合理性,提高桥梁设计水平,以确保桥梁处于良好的运营状态,在竣工验收时,需对桥梁要进行静载试验,测定桥梁控制截面在试验荷载作用下的应力和挠度变形,为桥梁整体性能状态作一次全面的鉴定。
大型桥梁的工作性能状态一般采用静动载试验方式进行,其主要目的是检验桥梁结构的承载能力,了解桥梁结构在各种作用力下的实际受力状态和工作状况,评价结构的力学特性和在设计荷载作用下的工作性能,判别已建桥梁是否符合设计标准或能否满足使用要求。同时,通过对静动载试验数据的分析,可以验证桥梁承载设计的合理性,以丰富设计经验,为其它类似工程提供依据。
某长江公路大桥是由特大型悬索桥、斜拉桥组成,是一座组合桥梁,作为我国建桥史上规模空前的特大型桥梁,对其建设和运营期间的健康监测、诊断以及各种灾害影响下的损伤预测和损伤评估,具有重要的现实意义,这也是进行静载试验的主要目的。
目前,在区域性变形监测方面,GPS已成为主要的技术手段之一。在我国,北京、天津上海已经建立了GPS地表沉降观测网,长江三峡库区建立了滑坡GPS监测网,建立了隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统。为了说明GPS用于工程变形监测的可行性,原武汉测绘科技大学应用GPS对大型工程建筑物也已开展了动态监测实验与测定,测试结果表明,只要采取一定的措施,利用GPS技术进行各种工程变形监测是可行的。
从文献和实际应用来看,GPS用于大型桥梁变形监测在国内已经有比较成熟的运用,1995年6月武汉长江二桥实施了通车静动载试验;广州虎门大桥用GPS进行了变形监测,香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥也才用GPS进行桥梁结构的健康监测工作;2003年8月广州大桥主桥进行了GPS静载试验等等。
目前,桥梁挠度变形观测的方法常见的有:简易挠度计法、挠度仪法、百分表法、连通管法、倾角仪法、水准仪法、全站仪法等。这几种方法的优点是设备简单、精度可靠、可以多点检测,但都具有准备工作时间过长,人力、物力耗费大,布测程序繁杂等缺点。利用GPS空间定位技术进行变形监测能同时测定点的三维位移,观测时测站间无需保持通视,变形监测网布设自由、方便,可以进行全天候观测,能消除或减弱系统误差的影响,因此成为变形监测中的一种新的有效手段。
本文研究的意义在于通过采用周期性GPS变形监测作业方式对变形体开展GPS观测时段的设计、图形结构强度设计,基准设计、监测周期设计方面做一些探讨,并将GPS变形观测数据与传统手段获取的变形观测数据进行比较、分析,获得一批有益的结论,探求利用GPS技术进行工程变形监测的新思路。
点位的具体布设情况如下:
1)第一组点:大桥的南、北桥墩顶中部各布设一个点;
2)第二组点:在距离南桥墩的第22根吊杆处(3L/4跨),桥面左右两侧对称布设两个点;
3)第三组点:在离悬中(1/2跨)附近,即距离南桥墩的第44根吊杆处,桥面左右两侧对称布设2个点;
4)第四组点:在距离北桥墩的第22根吊杆处(L/4跨),桥面左右两侧对称布设两个点;
5)基站控制点:在大桥的附近选择一个固定的GPS控制点,作为本次观测的GPS基站控制点。
总计9个GPS点位,具体分布如图1所示:
图1
本次试验共安排9台套GPS接收机,每套的接收机都有自备的电池,可以确保供电时间不少于6h。每台GPS接收机由一名专人负责采集数据。进场前GPS接收机都已调试好,人员也已熟悉了测试过程中的各工况。试验过程中根据动、静载测试过程,分时段记录各GPS点的观测数据。
3.3.1 测定GPS点位的初始坐标值
在车队进入桥面前,以GPS静态测量的方式测定各点的初始三维坐标值,同步观测时间为15~20min。
3.3.2 静态条件下的测试
1)当车队中部通过第二组测试点位后,桥梁经过10~15min的稳定后,在桥面的8台GPS接收机同时开始记录数据。采集时间为10~15min,数据采集完成后,关机。
2)当车队中部通过第三组测试点位后,桥梁经过10~15min的稳定后,在桥面的8台GPS接收机重新开机并开始记录数据。采集时间为10~5min,数据采集完成后,关机。
3)当车队中部通过第四组测试点位后,桥梁经过10~15min的稳定后,在桥面的8台GPS接收机重新开机并开始记录数据。采集时间为10~5min,数据采集完成后,关机。
测试过程中需要量取桥面点位到GPS天线中心的仪器高,精确到0.1mm。
由于目前尚没有制定桥梁工程的GPS测量技术规范,为保证控制网达到设计精度,外业测量作业依据《全球定位系统测量技术规范》E级精度要求实施。
外业共观测了10个时段,每个点的平均设站率大于3,网中每个点发出的基线数目至少为6,因此网形具有很好的可靠性,图形强度比较大。每个时段观测的时间为15分钟左右,采样间隔为15s,卫星高度角为20°,每个时段观测卫星数≥5,PDOP<5。GPS外业观测的测站点分布如下图2,图3:
图2
图3
利用南方GPS数据处理软件对各种加载情况下的桥梁挠度观测值进行解算后,为了检核成果,我们和全站仪测量的结果做了对比见表1~表4。
理论计算模型的几何尺寸和有关参数按设计文件取用,加载量按现场实际加载的大小和位置进行计算。其中4个工况的GPS实测值和全站仪的实测值与理论计算值的比较结果见表1。由表1可以看出,GPS实测值与全站仪的实测值和理论计算值还是基本吻合的,说明了GPS用于大型桥梁挠度变形观测是可行的。
表1 主梁竖向挠度-GPS、全站仪检测结果与理论计算值的对照表(单位:m)
其余部分工况的GPS实测值和全站仪的实测值比较见表2~表 4。
1)从上面的GPS数据处理结果和变形曲线与全站仪和理论值的比较结果来看,采用GPS进行悬索桥挠度变形监测,当满足GPS技术的观测条件的要求时,采取适当的措施是能够满足监测的需要的。而且,在数据的处理过程中还可以采取优化设计,进行人工干预的方式,提高基线解算的质量。
2)再者,桥面上往往观测条件不好,试验时的监测任务又比较急,采用传统的测量方法实测一般工作量较大,时间较长,而GPS则以其精度高、速度快、经济方便在今后应当得到广泛的应用,而目前用GPS+全站仪的模式进行挠度变形监测一种行之有效的方式。
3)应用GPS技术进行悬索桥等特大型桥梁的监测,这在国内已不是首次。武汉长江二桥于1995年6月实施通车静动载试验时,采用加速度计按照环境随机振动方法,对正桥主跨自振特性进行了测试。其竖向弯曲基振频率的实测值与GPS
表2
表3
表4
试验结果非常吻合,也很接近于理论计算值,表明应用动态GPS监测大型桥梁的动态特性是可行的,为桥梁监测提供了一种新的、有效的测量手段。
[1]李征航.GPS定位技术在变形监测中的应用[J].全球定位系统,2001,26(2).
[2]刘立龙,林文介.GPS监测城市地表形变及数据处理分析研究[J].桂林工学院学报,2002,22(1).
[3]姜卫平,刘经南,叶世榕.GPS形变监测网基线处理中系统误差的分析[J].武汉大学学报:信息科学版,2001,26(3).
[4]Kenneth W.Hudnut,Jeffrey A.behr.Continuous GPS monitoring of Structral Deformation at PacoimaDam,California[J].Seismological Research Letters,1998,69(4).
[5]施一民,史可超.江阴长江公路大桥GPS施工检测网的布设[J].工程勘察,1994(4).
[6]钱敬.GPS技术在南京长江二桥施工中的应用[J].中外公路,2002,22(5).
[7]张文基,刘喜元,岳建平.新建桥梁的静载试验方法研究[J].测绘通报,2002(7).
[8]朱小华,胡伍生.润扬大桥悬索桥全站仪法挠度变形观测.
[9]黄声享,刘星,杨永波,等.利用GPS测定大型桥梁动态特性的试验及结果[J].武汉大学学报:信息科学版,2004,29(3).
[10]GuoJJ,Ge S J.Research of Displacement and Frequency of Tall Building Under Wind Load Using GPS.ION GPS’97,1997:1385-1388.