王晓智

中铁大桥局一公司测绘分公司，河南 郑州 450053

0 引言

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。

1 研究现状

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。

2 研究意义和内容

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。

3 GPS静载试验挠度变形观测实施方案

3.1 GPS观测点位布设

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

3.2 仪器设备及人员

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 测试方法

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。

3.4 外业测量实施

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

4 GPS观测数据处理结果对比及分析

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。

5 结论

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。

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