基于GNSS和RTS技术的桥梁结构健康监测

余加勇

湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082

基于GNSS和RTS技术的桥梁结构健康监测

余加勇

湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082

动态变形监测是桥梁结构健康监测的重要内容之一,全球导航卫星系统(GNSS)和自动型全站仪(RTS)是目前获取结构动态变形信息的两种主要技术手段。本文以英国诺丁汉Wilford悬索桥和长沙三汊矶湘江大桥为试验研究对象,对GNSS和RTS传感器动态监测噪声特性、多传感器集成、网络实时动态差分、数据滤波、有限元建模等关键技术进行了研究。论文的主要工作及创新点如下:

(1)分析了GNSS和RTS动态监测技术的测量误差来源及其特性,提出了削弱各项误差及提高监测精度的措施。在GNSS测量中,采用误差改正模型法或观测值求差法修正电离层和对流层延迟误差;采用观测值求差法修正卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差和接收机位置误差;采用滤波降噪法修正多路径误差和仪器内部测量误差。在RTS测量中,采用目标自动识别技术降低照准误差;采用校准方法降低仪器轴线误差;采用滤波降噪法削弱传感器背景噪声。另外,分析了中国区域GPS/Galileo组合导航系统的几何精度因子,以预报组合导航系统的变形监测精度。

(2)研究了集成GNSS和加速度计的桥梁结构动态位移监测方法。提出了GNSS多模式数据采集方法,设计了结合最小均方差自适应滤波和切比雪夫高通滤波的多模式自适应滤波器(multimode adaptive filter,MAF),同步获取实时动态差分、网络实时动态差分和后处理动态差分共3种解算模式的变形监测结果。设计了精密时间数据采集器(precise time data logger,PTDL)和监测点安装装置,实现GNSS与加速度计传感器的时间同步和竖轴同轴。以英国诺丁汉Wilford悬索桥为试验研究对象,采用上述的多模式数据采集和MAF滤波方法,监测该桥结构动力响应,识别出亚毫米级精度的桥梁结构振动位移,以及两类传感器结果完全吻合的模态频率。

(3)研究了集成RTS和加速度计的桥梁结构动态位移监测方法。设计了RTS和加速度计传感器联合安装系统,确保各传感器轴线平行或重合;建立了RTS传感器动态变形监测的规范化流程,完成了数据修复、坐标轴转换、准静态与动态位移分解和结构模态分析;提出了RTS和加速度计联合监测,以解决RTS传感器对高频信号敏感度低的问题。以英国诺丁汉Wilford悬索桥为试验研究对象,采用RTS和加速度计联合监测方法,监测该桥梁结构振动位移,识别出亚毫米级精度的桥梁结构准静态位移和动态位移,以及误差小于1.8%的模态频率。

(4)研究了基于网络实时动态差分技术的GNSS动态变形监测方法。进行了模拟和实桥试验,分析了网络实时动态差分技术的噪声特性。根据其噪声特性设计了用于振动位移及频率识别的小波数据处理方案,论证了该技术进行结构动态变形监测的可行性。该方法不需要建立独立的基准站,可降低监测成本,达到传统GNSS解算方法的测量精度。

(5)对长沙三汊矶湘江大桥进行了有限元建模分析和现场监测。根据大桥结构几何尺寸、材料特性等参数,采用MIDAS/Civil软件建立该悬索桥有限元模型。通过桥梁结构静动计算及模态分析,掌握大桥结构动力特性。采用RTS、加速度计等技术监测交通荷载激励下的结构动力响应,并重点分析了重车荷载通过桥面时主梁最大竖向挠度。根据不同工况中RTS传感器的测量精度,采用最小二乘曲线拟合方法建立RTS动态测量误差的经验公式。

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

国家自然科学基金(50908083)

2015-01-06

余加勇(1976—),男,讲师,2015年1月于湖南大学获工学博士学位(指导教师:邵旭东教授、孟晓林教授),研究方向为土木工程结构变形监测与振动参数识别。

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技术的桥梁结构健康监测[J].测绘学报,2015,44(10):1177.)

10.11947/j.AGCS.2015.20150017

E-mail:jiayongyu＠gmail.com