人造卫星定位系统在桥梁结构.doc

人造卫星定位系统在桥梁结构
健康监测中应用
黄启远 文景良 陈伟儿 刘正光
（香港尤其行政区路政署）
[摘要]香港尤其行政区政府路政署最近采取人造卫星定位技术, 应用于桥梁结构健康监测系统, 借以增强和改善青马大桥、 汲水门大桥和汀九大桥结构健康监测工作, 这人造卫星定位系统（Global Podtioning System or GPS）关键用作量度三座悬吊体系桥梁桥身和桥塔瞬间位移, 和推算其对应导量（截面中线）位移及各对应关键构件应力情况。 GPS监测系统是一套实时监测系统, 它包含: GPS测量仪, 接驳站, 信息搜集总控制站, 光纤网络, GPS电脑系统及显示器等。 本文关键介绍路政署于奇马管制区内所安装GPS监测系统, 并叙述相关GPS信息在桥梁结构健康监测中应用, 如风力效应监测、 温度效应监测、 交通荷载效应监测和各关键构件应力监测等。
关键词 人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评定 悬吊体系桥梁
一、 引言
大桥主梁和索塔轴线空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态一个关键标志。 普遍大桥结构设计是基于导量位移。 任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线, 全部直接影响大桥承载能力和构件内力分布。 现在香港三座悬吊体系桥梁, 均设有桥梁结构健康监测系统, 简称"桥监系统"。 用以监测大桥在营运期间结构健康改变, 继而进行结构评定。 即使大桥主梁及索塔轴线监测已包含在大桥每十二个月一次大地测量范围内, 可是现存"桥监系统"还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时监测。 鉴于多年人造卫星定位系统（Global Positioning System or GPS）实时位移测量精度有显著提升（垂直面误差约20mm, 而水平面差误约10mm）, 所以香港尤其行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线, 提供全桥整体度量位移。 路政署在确定桥梁结构健康检测和评定项目标过程中, 亦曾考虑其它测量技术方案, 如利用红外光线和激光科技, 可是这些技术均需要一定视野清楚度, 故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。 图1显示青马管制区内青马大桥、 汲水门大桥和订九大桥地理位置。
二、 GPS监测范围和目标[1,2]
在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统传感器来测量桥身位移情况。 包含在桥身两端位移仪用作量度桥身纵向位移, 及高精度加速仪用作量度桥身垂直和横向加速度。 高频率加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅导量, 未能正确地运算桥身整体摆动幅度, 这是因为桥身整体惯性偏移速度较缓慢, 加速仪不能正确测量; 其次, 在监测桥身固温度改变而产生对应位移时, 即使另设有一组创新设计水平仪系统来直接量度桥身垂直位移, 但因为这系统是利用液压原理运作, 鉴于液体惯性限制, 系统只能以每秒一数据采样率来提供位移信息, 未能录用瞬间振幅, 错过了部分较大瞬间振幅, 所以数据难免有误差。 以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。 经过多年在青马大桥上安排数次实地测试为验证及改善精度, 最终决定在"桥监系统"中增设备有RTK实时动态测量功效GPS监测系统, 直接量度桥梁独立三维实时位移, 增强对桥梁结构健康监测可靠度。 现时GPS系统安装工程已靠近完成阶段、 数据搜集会在完工后立即开始。 这GPS监测系统关键用作度量三座悬吊体系桥梁桥身和桥塔瞬时位移, 和推算其对应导量（截面中线）位移及各对应关键构件应力状态。
三、 GPS监测系统介绍[3]
1．GPS监测系统概要
GPS监测系统是一套实时监测系统（见图2至8）, 关键由四组系统组成, 经过固定光纤纲络传输数据而进行运作。 这四个系统分别是: （l）GPS测量系统; （2）信息搜集系统; （3）信息处理和分析系统; （4）系统运作和控制系统。 其硬件包含: GPS测量仪（其中包含GPS天线和GPS接收器）, 接驳站, 信息搜集总控制站, 光纤网络, GPS电脑系统, 显示器幕等。
GPS接收器备有24个卫星跟踪通道, 以双频（LI及L2）同时跟踪测量12颗GPS卫星伪距和全波长载波相位; GPS监测系统以划一高速度采样率, 利用27组GPS测量仪同时进行定点位移测量, 以每秒10次点位更新率提供独立三维RTK实时点位解算结果, , 令到GPS信号同时接收、 RTK厘米级点位数据输出, 光纤网络传输、 数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程全部在2秒内完成, 提供实时位移监测。 另方面, GPS监测系统能够在无人值守情况下进行二十四小时作业, 配合可调校数据备份系统, 将贮存GPS位移数据和其它现存桥梁监测数据加以整合, 再作多样化结构分析和评定; 利用大桥主梁及索塔轴线整体改