基于GPS的大跨度桥梁安全监控系统设计分析

杨志华

（黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江哈尔滨 150080）

基于GPS的大跨度桥梁安全监控系统设计分析

杨志华

（黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江哈尔滨 150080）

详细分析了GPS应用于大跨度桥梁安全监控系统的可靠性，并举例证明了该系统在记录桥梁受到车辆、地震以及台风等因素影响时所获取的各项数据的精准性。

GPS；大跨度桥梁；安全监控系统；实时

1 大跨度桥梁的传统测量方式与GPS安全监控系统检测比较

1.1激光干涉仪

激光干涉仪是先在监测点上安装反射装置，观察监测点到基准点时间和距离变化的关系值，然后经过数据分析得出位移变化相应的振幅以及主频率。这种方法在大桥不受强烈的外界因素的影响下具有精准度高的特点，但是一旦大桥受到强烈的外界干扰产生震动、摇晃时就很难找到目标，得出准确数据。所以激光干涉仪只适合短期检测。

1.2全站仪自动扫描法

该仪器由微处理机、光电测距仪和电子经纬仪组成，能同时测距、测角并计算出高程和坐标，安装一次就能自动完成全部测量工作。近期还产生了一种直接反射型全站仪，该仪器对于那些其它仪器难以企及的测量点非常适用。但是无论如何改进，该仪器都达不到实时测量的效果，而且激光扫描受环境的影响极大，机器本身寿命也较短。

1.3加速度积分传感器

加速度积分传感器监测法通过对结构变形的振动测试来达到监测的目的，然后经过对位移位置变化值的2次积分获得最后的测量值。该方法需要对大量的数据进行分析才能得到监测结果，时间长，数据精度低。

1.4GPS安全监控系统

GPS安全监控系统是一种新的监测技术，通过测定接收机与卫星的距离达到定位的目的。即在监测站和基准站分别安置一台接收机，GPS对这两个站点获得的数据进行差分处理，这样就得到了监测站的三维坐标，监控中心再通过数据处理软件对接收到的检测结果进行统一分析，得出的最终数据就是大桥在某一位置上的变形、位移等的参数。该系统操作方便，不受任何环境因素的干扰，所得参数的精准度能达毫米级，全天候数据传送，且设备稳定耐用。

2 GPS安全监控系统的应用

2.1XX大桥GPS安全监控系统的应用

（1）该系统的应用目的

XX大桥是跨径超千米的大型悬索桥，建立GPS安全监控系统是为了对桥梁的三维动态进行实时监测，直观的了解地震、台风、车辆等荷载作用下桥梁的线性变化，判断其运营结构的安全性。在对桥梁进行智能化监测的基础上，实现数据的采集、分析的自动性。该桥在建造时还根据参数的设定，建立了多级报警系统，达到了桥梁结构危险性评价的动态分析。

（2）GPS安全监控系统的形成

GPS安全监控系统是整个大桥结构监测的一个子系统，由6各监测站和2个基准站通过光纤网络连接而成，然后经过三维动态、数据的采集和处理等软件实现桥梁变形的实时监测。XX大桥的监测站主要分为桥面站和塔顶站，桥面站分别位于的主梁的1/10、1/5和2/3断面的两侧，横梁的中间位置就是塔顶站。基准站建立的目的是为监测站提供准确的位置和桥梁变形的位置参数，所以基准站要建立在一个稳定的位置。因此该大桥基准站的天线就架在大桥的中心大楼，还能定期通过观察大楼的沉降及时修正基准站的参数。

（3）数据分析

大跨度桥梁都是以钢为主要架构，桥梁的竖向变形主要是由车辆荷载和温度荷载引起的，风荷载等造成的则是主梁的横向变形。XX大桥在设计阶段充分考虑了这些因素，对于结构竖向变形的测量，设计了黄、橙、红三级预警线。其中红色预警线是最不利荷载下的结构高程值，黄、橙预警以0.95分出置信水平的下限和上限值。对于风荷载的处理，该大桥在设计之初经过多次抗风能力和风洞实验，最后根据实际测量所得出的风速数据和主梁GPS坐标数据建立出风速与横向位移的线性模型（线性回归法），然后就模型进行桥梁在运营期间的安全系数评价。另外，该模型也能够预测XX大桥在极限风速下的准静态横向位移，进而知道该桥在某些极端事件下的反应。

3 GPS对大跨度桥梁安全监控系统的意义

3.1GPS实时监控系统能够保证桥梁的安全性

随着经济发展和运输的需要，大跨度桥梁应运而生。但是跨度越大，高度越高，安全系数越低，尤其是在特殊气候或者是车辆超重等的影响下，跨度过大的桥梁就会有位移，甚至摆动的危险，例如金门桥在1951年桥梁竖向振幅达到3.3 m，就是因为受旋风连续4个小时的影响。另外还有桥梁受高风速的影响侧移3 m和4.7 m的例子。因此，为了保证桥梁运营的安全性，运用GPS监控系统能及时对桥梁的震动、位移等进行实时监测和观察，发现病害所在，并通知桥梁相关管理人员进行维护修整或停用，以避免不必要的事故发生。

3.2GPS可以为桥梁的设计和改进提供有效的依据

大跨度桥梁受外在因素影响大，要想提前判断出桥梁的结构设计是否合理耐用，就必须利用先进的技术手段得出大桥在受到不同外在因素影响时所产生的数据，进而绘制出线性模型，以备参考。但是目前对某些恶劣的气候条件的判断只限于理论说明和模型实验，实际情况下桥梁的变化并没有充分的研究，所以要提高大跨度桥梁的耐用性，减少事故的发生，就必须对大桥进行GPS实时监控系统，这样才能积累出实际有效的数据，为以后大跨度桥梁的设计和改进提供有效的依据。

综上所述，GPS安全监控系统实现了大跨度桥梁实时、长期的监测，可以在不受任何干扰的情况下获取大桥在不同荷载作用下的数据，并通过对各种数据的相关性分析，帮助人们更好的维护大桥的结构，进而延长大桥的使用寿命，减少不必要的经济损失。

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1008-3383（2016）09-0105-01

2015-11-15