GPS-RTK技术在监测钢栈桥的应用

钟伟华

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 前言

福建省霞浦县某钢栈桥（见图1）全长55 m，桥面宽10 m，下部结构采用10排钢管桩，每排3根，桩直径0.8 m，桩顶采用槽钢加贝雷片搭设，桥面采用防滑钢板铺设而成［1］。该钢栈桥限载60 t，限速20 km，建成以后，设计单位要求对桥进行负载试验及位移沉降监测［2］。

图1 钢栈桥位置Fig.1 Steel Trestle Location

1 位移沉降监测方案

1.1 监测方法

根据设计要求，在桥跨中央部位设置1个监测点。采用GPS-RTK 移动站固定在桥中间西侧靠近栏杆处，实行全天候监测数据采集，负载试验时再采用激光仪和游标卡尺联合读数加以辅正，得到2种数据，加以比较，最终为设计单位提供有效的负载试验数据以及曲线图。

1.2 监测频率

根据设计要求，监测频次按表1 执行。

表1 监测频次［3］Tab.1 Monitoring Frequency

1.3 GPS控制网

根据业主交接的示范快堆次级控制网建立的成果函，按照《全球定位系统GPS测量规范:TB/T 18314-2001》要求（见表2），按照成果函里提供的坐标和高程，架设固定GPS-RTK 基准站，求得GPS-RTK 移动站的转换七参数，所得的坐标和高程误差在5 mm 以内，手簿显示跳动幅度2～3 mm，达到精度要求［4］。

2 位移沉降监测步骤

⑴GPS-RTK 方法:根据设计要求在钢栈桥西侧中间位置靠近栏杆处只设1个监测点，先用钢筋烧焊，再用混泥土浇筑1个固定墩台，墩台上安置GPS-RTK移动站，旁边的栏杆处烧焊1 个固定铁箱，上锁，用于存放12 V干电池和移动站的手簿及手簿备用电池（见图2）。

⑵激光仪方法:在长表岛的山体设置激光发射墩台（见图3）。激光线的高度和桥体栏杆高度相差2 cm以内，对面山体设置1个接收激光十字板，每次测量时要确保激光线在同一位置［6］。再在离GPS-RTK 移动站墩台位置约1 m 处，栏杆上烧焊1 块测量板，测量板的高度低于激光线2 厘米，以便用游标卡尺测量实时的变化数据，测量板和墩台一起在四周设栏杆围护（见图4）。

表2 GPS控制测量作业的基本技术要求Tab.2 Basic Technical Requirements of GPS Control Survey

图2 GPS-RTK移动站安置位置Fig.2 GPS-RTK Mobile Station Location

图3 激光发射墩安置位置［5］Fig.3 Location of Laser Launching Pier

图4 测量板安置位置［7］Fig.4 Location of Measuring Plate

3 监测数据采集

负载试验时，用卡车拉一车石头，重约55 t，从钢栈桥的一端开始，缓慢通过。监测点采用的GPSRTK 移动站，以某公司生产的V30 型号为例，先安置设定好固定位置的基准 站，把GPS-RTK 移动站设置在监测部位的固定墩上，连接电瓶电源，开机要一切正常，蓝牙连接好手簿，“碎步测量”一定要显示“固定解”，点击“自动记录”，设置好“每秒自动记录”就行了，把手簿放在铁箱里，需要数据时导出数据。每秒采集1 次数据，每3 次采集的数据平均值作为1 次监测值。激光仪和游标卡尺联合测量，最好选择在阴天或者晚上进行，激光线经过测量板时，以便游标卡尺的对正量取数据，游标卡尺的一端勾住测量板，一端对正激光线，每人拿1 把游标卡尺操作，每隔5 s 分别读取1 次L1、L2 的数值，L1是左右“东西向”变化数据，L2 是上下变化数据，1人报时并记录数。之后整理各自数据，生成曲线图，对比分析结果。

4 监测结果数据分析

监测时段选择在下午14:56开始，阴天，激光照射清晰，一切准备就绪，装有石头的卡车重约55 t，从桥的一端开始，缓慢通过，57 s 走完整座钢栈桥，各自分工记录好监测数据。

4.1 GPS-RTK移动站数据处理

图5 GPS-RTK移动站监测数据曲线Fig.5 Monitoring Data Curve of GPS-RTK Mobile Station

GPS-RTK 移动站的监测数据，下载后用电子表格，按要求处理（见表3）。位移、沉降累计数据如表4所示。生成的监测数据曲线如图5所示。从表3、表4和图5的结果分析:钢栈桥的东西方向的位移Y值呈曲线变化，也就是左右摇摆变化趋势。重载卡车从桥断开始走，约6 s开始变化，30 s到达监测部位，向左最大-2.67 mm，45 s 向右2.63 mm，之后回到0.1 mm。沉降H曲线呈抛物线变化，到达监测部位27 s，下沉-3.93 mm，之后回到0.13 mm。从数据说明，此桥负载试验数据来看，左右“东西向”最大变化值是2.67 mm，上下“沉降”最大3.93 mm。

4.2 激光仪游标卡车联合测量数据处理

表3 GPS-RTK移动站监测数据Tab.3 GPS-RTK Mobile Station Monitoring Data

表4 GPS-RTK移动站监测数据累计位移、沉降Tab.4 Accumulated Displacement and Settlement of GPS-RTK Mobile Station Monitoring Data

激光仪和游标卡车联合测量，监测数据如表5 所示，生成的监测数据曲线如图6所示。

从表5 和图6 的结果分析:钢栈桥的东西方向的L1 值也呈曲线变化，也就是左右摇摆变化趋势。重载卡车从桥断开始走，5 s开始变化，30 s到达监测部位，向左最大-2.7 mm，之 后 回 到-0.2 mm。L2 值沉降曲线呈抛物线变化，到达监测部位27 s，下沉-4.3 mm，之后回到0.1 mm。从数据说明，此桥负载试验数据来看，左右“东西”最大变化值是2.7 mm，上下“沉降”最大4.3 mm。

4.3 误差分析

GPS-RTK:系统误差为主，主要来自2个方面:①以外业测量的有关测量误差；②数据处理有关的误差。测量时误差源大致分为3类:星历误差、电离层路径影响误差以及接收质量误差，利用固定墩台安装仪器，瞬时姿态修正精度能有效消除系统带来的误差。

激光仪:偶然误差为主，是由于主观因素引起的误差，在固定墩台上安置激光仪，作一系列的观测，从观测数据结果可以看出，误差在大小、符号上都表现出偶然性，即从单个误差看，该列误差的大小和符号没有规律性，但就大量误差而言具有一定的统计规律。

5 结论

图6 激光仪和游标卡车联合监测数据曲线Fig.6 Joint Monitoring Data Curve of Laser Instrument and Vernier Truck

由于受到潮水和桥梁活载的影响，以及本身的结构性能，整个桥体会产生轻微的晃动，不适合架设全站仪和水准仪，无法进行有效的位移沉降监测［8］。2种监测方法从数据和曲线图可以看出结果非常接近，能监测出桥梁在设计活载作用下位移和沉降的变化规律，供设计单位据此对桥梁进行安全评估，同时证明GPSRTK对桥梁进行位移沉降监测方法是可靠的［9］。

表5 激光仪和游标卡尺联合监测数据Tab.5 Joint Monitoring Data of Laser Instrument and Vernier Caliper

国内一般的施工单位都有整套GPS，一个基准站，几个移动站。应用GPS-RTK 移动站架设固定在钢栈桥的需要监测部位，优点就是能实时自动采集，可以实现长时间、全天候监测，也可以应用到新建、改建、扩建的大型桥梁上，尤其是不适合架设全站仪和水准仪的桥，以求达到监测的目的，此应用值得推广［10］。