深度探讨基于GPS技术的建筑物动态监测

2022-09-10

大型结构建筑物动态监测工作是对其关键部位进行连续实时监测, 为评估结构物的稳定性、耐久性和可靠性提供有价值的信息。在台风、温度变化、载荷变化以及地震等因素的影响下, 许多大型结构建筑物诸如长桥、塔和高层建筑物等会产生震动和发生位移, 甚至会有倒塌事故的发生。因此对大型结构建筑物进行动态监测, 不但可以及时发现结构物的危害并采取相应的维护措施, 避免灾难性的事故发生, 而且对结构物的安全运营、损伤检测、突发事件 (如强烈地震、强台风或其它严重事故) 后的结构剩余寿命的评估以及检验结构物设计参数的正确性等等, 都具有非常重要的意义。目前, 对大型结构建筑物的动态监测已成为大型构筑物建设及运营阶段不可缺少的工作, 并成为土木工程、结构工程等专业领域的一个非常活跃的研究方向。

本文主要介绍基于GPS技术的大型结构建筑物动态监测原理、方法和国内外的几个典型实例, 提出了监测数据管理与可视化方案, 并对未来大型结构建筑物动态监测系统进行展望。

1 大型建筑物的动态监测方法分析

对大型结构建筑物进行动态监测, 是测定结构物主要特征点在温度、风力、载荷和地震等外界因素影响下的位移变化特征, 并对结构物进行损伤检测、稳定性与剩余寿命的评估等工作。测定构筑物的位移或震动的方法, 可以分为传统的方法和GPS方法。

1.1 传统方法

过去, 由于受技术条件的限制, 为测定大型结构物的震动与位移, 人们常常采用的方法主要包括位移传感器测试法、加速度计法、激光干涉仪法和全站仪测试法等等。

位移传感器测试法是一种接触式测量方法, 测试设备的一端安装在被测物体上, 另一端安装在被测物体外固定点上。这种方法难以实现对大型结构物的位移测量, 常用于结构物模型测量。

加速计法是一种常规测量结构物震动与位移的方法, 它是将加速度传感器安装在结构物上, 测定试结构物在震动时的加速度, 通过对加速度积分求位移。它的特点是重量轻、体积小, 因此测量值受震动自身影响较小, 但是它需要和测定点直接接触, 同时需要采用专用配线连接加速计和中央记录单元。这种方法位移测量误差较大, 配线容易损坏, 当结构移动比较慢时, 不能精确测定整个震动的振幅。另外, 在某些情况下如近海工程、高层塔架等建筑物, 加速度计安装十分困难。

这些方法尽管能达到一定的目的, 但也存在一定的问题。例如, 当所监测物体移动速度较慢时, 加速计法难以有效获得物体整个震动的振幅;激光干涉仪法和全站仪测试法受气候条件的限制, 只有具有良好的通视条件才能正常开展工作;这些方法对较小构筑物较好, 对于高大构筑物, 特别是在台风、大雨的情况下, 跟踪目标困难。此外, 它们还存在不能同步测定不同监测点位移, 当位移量比较大时观测比较困难, 很难实时得到观测值等缺陷。总而言之, 这些传统的测量手段进行动态监测存在一定的局限, 不能满足对大型结构建筑物进行连续、实时和自动动态监测的需要。

1.2 GPS方法

在过去的十几年, 全球定位系统 (GPS) 技术发展非常快速, 定位精度明显提高, 仪器设备重量轻、体积小, 价格逐年降低, 软件功能增强且用户操作界面友好。采用GPS技术对大型结构建筑物进行震动与位移观测具有许多优点。

(1) GPS技术克服气候条件的限制, 能在恶劣的天气或暴风雨天气条件下全天候进行工作。 (2) GPS定位属卫星定位, 当监测点的接收机能接收来自5颗卫星的信号和来自基准点的差分信号时, 可进行实时动态GPS (GPS RTK) 定位。监测点之间不需要通视, 且得到的是不同监测点坐标的绝对值。 (3) GPS技术能够直接测定结构物位移的三维坐标。从接收信号、跟踪卫星到完成实时动态差分位移测量等工作, 仪器能自动进行。 (4) 具有定位精度高、速度快的特性, 采用差分GPS载波相位的方法可以达到厘米级甚至毫米级的定位精度, 许多厂商生产的GPS接收机的采样频率可达10Hz~20Hz, GPS数据处理方法在不断改进和完善。

GPS定位测量的这些优点为对大型结构建筑物进行实时或准实时、高精度的动态监测提供了很好的技术条件。

2 GPS动态监测原理

由于结构物的震动和位移比较小, 当GPS技术用于大型结构动态监测时, 必须采用高精度的GPS定位方法。为获得厘米级甚至毫米级的精度, 可以采用差分GPS载波相位的方法。由于刚性结构物体的震动范围比较小, 所以采用GPS技术难以完成对刚性结构物的动态监测, GPS定位技术通常用于柔性结构物的动态位移监测, 如长跨距的悬索桥、高层建筑或高塔等结构物。下面主要探讨位移监测原理。

即将一台接收机安装在一个已知坐标的固定点上, 也称基准站, 在待测点上 (称监测站) 安置GPS接收机。将基准站接收的GPS卫星信号, 既测定的至各卫星的伪距、相位观测值、卫星星历、多谱勒频移等, 通过数据通信链, 如无线广播、光纤电缆等, 传到监测站, 并和监测站接收的信号进行差分处理, 即可得到高精度的定位结果。常用的差分模型是双差方程。

3 案例研究

我国大陆有一些采用GPS技术用于结构动态监测的成功例子, 如虎门大桥的实时动态监测, 测定帝王大厦在台风作用下的位移和震动频率。虎门大桥主跨经1538.5m。为了实时监测桥梁在台风、交通负荷及温度条件下桥梁的工作状态, 在桥跨的中部、四分之一、八分之一处和塔的横梁上安装了7台GPS接收机。采样频率为5HZ, 并于2000年5月开始进行大桥的安全监测。实践表明, 采用GPS技术获得的监测位移值可用于桥的安全分析。帝王大厦高324.95m, 监测点位于大厦顶部, 基准点设置于西南方向500m远的低层建筑的屋顶。在台风来临时应用GPS技术进行了动态位移和震动频率分析, 结果表明定位精度可达±5mm, 震动频率在0.1Hz~10Hz之间。

4 结语

GPS技术可以克服传统的结构监测方法的缺点。它可以克服气候条件的限制而进行全天候观测。目前许多GPS接收机采用差分GPS载波相位测量可以达到厘米级甚至毫米级的精度, 并具有10HZ甚至20HZ的采样频率。GPS定位测量可以实时地得到监测点的三维坐标, 特别是可实现多点同步观测, 受外界影响小, 数据采集方便, 可实现实时性、自动化管理。所有这些优点为大型构筑物进行实时动态监测提供了良好的技术支持。国内外的实例表明, GPS技术在大型构筑物动态监测中具有广阔的应用前景。随着GPS技术、计算机技术和网络技术的发展, 未来大型构筑物动态监测系统将是一个集GPS技术、数据库技术、可视化技术和网络技术为一体的综合性技术系统。

摘要：本文基于笔者多年从事变形及动态检测的相关工作经验, 探讨了基于GPS技术的建筑动态监测方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：大型建筑物,动态监测,GPS,原理