GPS在桥梁观测中应用技术的研究

　　摘要：文章基于GPS观测技术对天津市市区桥梁观测进行了探讨，主要论述了GPS在桥梁观测过程中应用的必要性及具体的应用效果，同时对GPS在桥梁观测过程中的具体过程进行了简述。通过应用GPS对桥梁进行观测不仅具有很好的社会效益，而且能及时帮助发现桥梁安全问题，更好地帮助我们对变形量过大的桥梁制定桥梁纠偏等相应的安全处理措施，更好地保障天津市桥梁的安全运营。

　　关键词：GPS,桥梁偏移观测,桥梁三维坐标

　　随着天津市城市建设不断发展，一批桥梁正在规划和建设中，城市桥梁的规模不断增大。目前，天津市区已有桥梁235座，其中，建成立交桥49座，特殊桥梁18座，约280万平米。弯箱梁的匝道和主线共360条。我市管辖范围内的桥梁结构形式也是多种多样的，其中包括钢梁悬索桥，代表桥梁为西河桥;混凝土梁悬索桥，代表桥梁富民桥;钢梁斜拉桥，代表桥梁刘庄斜拉桥等等，在此不一一列举。由此看来，我市桥梁的养管任务责任重大，面对这种现状，急需进行桥梁的挠度变形、索塔偏移、弯箱梁和大型弯桥的变形观测。

　　随着国内一些桥梁的塌桥事故，桥梁安全越来越引起社会的关注。其中，塌桥案例中，包含由于弯箱梁偏移扭转原因发生塌桥的案例。

　　10年来，养护单位对发生桥梁箱梁整体横向偏移和扭转的十一经路立交桥、顺驰桥、民权门立交桥，进行了纠偏加固的紧急抢修，消除了桥梁结构重大的安全隐患。但同时，我们也在思考，以上这种桥梁由于超重车等因素造成的偏移扭转的情况还有可能发生，如何能够通过采用何种观测方法对桥梁变形变位进行观测，及时发现由此所引起的安全隐患，有效的控制和掌握桥梁的安全运行姿态，需要我们进行研究破解。

　　近年来随着GPS技术在全球范围内各领域的大量应用，也给我们的工作带来了新的思维方式和解决方案。GPS技术的优势体现在工作效率高，精度能满足要求，测量简单方便等方面。

　　桥梁的偏移测量我们采用GPS的VRS-RTK测量，目前天津市已建立了GPS连续观测站网系统。天津市桥梁养管单位已经对天津市管辖范围内的部分弯桥建立了扭转观测点，因此只要向天津市连续参考站管理单位申请账号后，天津市区范围内全部桥梁都能够采用VRS技术进行RTK测量。

　　采用GPS进行测量工作之前需要建立桥梁偏移扭转观测点。目前曲线桥梁在现代化的公路及城市道路立交桥中应用非常普遍。尤其在立交桥的匝道设计中应用最广。由于受地形建筑物和占地面积的影响，匝道的设计往往受到多种因素的限制。这就决定了匝道桥具有以下特点：首先匝道有别于主干道，一般匝道桥的宽度比较窄，多为一或两车道。宽度在6～11m左右。第二，由于匝道用来实现道路的转向功能，在城市中立交往往受到占地面积的限制，所以匝道桥多为小半径的曲线梁桥，平曲线最小半径可在30m左右，曲线匝道桥上多设置较大超高值。第三，在大型立交中匝道的规模有时也在增大，匝道桥往往设置较大纵坡，匝道不仅跨越下面的非机动车道，有时还需跨越主干道，这就增大了匝道桥的长度。

　　由于匝道的上述特点，匝道的偏移往往会以整体发生变化。大型立交桥桥面都以联为单位，桥面每两联之间都有伸缩缝相连接，桥面一旦发生偏移会体现在伸缩缝及伸缩缝两侧的桥体上，因此我们布设大型立交桥的观测点时，每一联路面两侧及伸缩缝两侧都布置了偏移观测点。

　　为保证GPS外业观测作业的顺利进行，保障精度，提高效率，在进行GPS外业观测之前，就编制好调度计划。

　　按照技术设计与实地踏勘所得结果，对需测GPS点分布的情况，交通路线等因素加以综合考虑，顾及星历预报，制定合理的外业调度计划。

　　根据测量规范，确定观测段数及每时段观测时间，在保证结果精度的基础上，尽量提高作业效率。

　　目前接收机的自动化程度较高，操作人员只需作好以下工作即可：

　　(1)观测员按上述步骤配置手簿及手机网络，确保手簿、手机配置无误。

　　(2)确保接收机存储器(目前常用CF卡)有足够存储空间。

　　(3)开始观测后，正确输入高度角，天线高及天线高量取方式。

　　(4)观测过程中应注意查看测站信息、接收到的卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化和存储介质记录等情况。一般来讲，主要注意DOP值的变化，如DOP值偏高(GDOP一般不应高于6)，应适当延长观测时间。

　　(5)进行长距离高等级GPS测量时，要将气象元素，空气湿度等如实记录，每隔一小时或两小时记录一次。

　　(6)确保流动站对中杆上水平气泡居中，并且杆底部正确放置与桥梁观测点上。

　　试验测试阶段我们对复康路立交桥、简阳路立交桥的桥面扭转偏移观测点进行了VRS测量，使用GPS对大型桥梁偏移进行观测，工作效率得到了很大地提高。

　　由于GPS系统获得的观测点成果属于WGS-84坐标系，为了便于分析其在桥梁结构三维方向的变形，并且与全站仪的观测结果进行直接比较，需要将WGS-84坐标系的坐标通过高斯投影转换至桥区独立坐标系下，然后根据桥曲线里程坐标系与工程独立坐标系之间的关系变换到桥轴线坐标，这样，即可得到各个观测点在纵桥向，横桥向和垂直方向的变形。同时，全站仪的观测结果直接就是桥轴线里程坐标系下的成果，将两种仪器的观测结果直接进行比较，相互检核，以增强系统的可靠性。

　　根据桥梁的观测值，我们生成了复康路立交桥匝道D线各个观测点两次观测的坐标变化值折线图。通过折现图我们能够清楚地看到两次观测中桥面观测点的变化量。我们能够清晰地对桥梁偏移做出判定，有效地帮助我们进行桥梁检测工作。

　　图1 匝道D线(左侧)ΔX值变化数值图

　　图2 匝道D线(左侧)ΔY值变化数值图

　　GPS的坐标测量数据是三维数据，但是由于GPS测量数据在水平面上精度较高，在竖直方向上精度较低(一般能达到2cm)，因此在竖直方向上的数值只能做为参考，对于高精度的桥梁沉降观测我们也需要结合精密水准仪进行观测。这样就能够建立高精度的桥梁三维坐标。

　　我们以桥为单位对每座大型立交桥测区都建立了桥区局部坐标系。采用传统全站仪测量，很难将一座大型立交桥的全部观测点坐标统一起来。而且每一座大型桥梁的定期检测测量都需要不断的导站、设站，因导站引起的累积测量误差随着测站数量的增加而增大。采用GPS进行测量则不会产生这些累积误差，各个观测点数据独立准确。

　　通过采用VRS技术的GPS观测技术对桥梁观测点进行测量，我们能够得到每一个桥梁控制点以及每一个桥梁扭转偏移观测点的三维坐标。如果在一个统一的坐标系下对全部大型桥梁进行偏移观测，那么这些桥梁观测点就是在统一的坐标系下的观测数据，这些观测点的坐标数据相互独立没有重复。通过对这些观测点的不同时期的观测，就能够得到不同时期的坐标数据，进而通过这些坐标数据的对比就能反映两次观测的桥梁偏移量。

　　通过建立统一的天津市桥梁三维坐标，我们可以方便地对以后每次桥梁观测的数据拿来和初始数据进行对比分析。通过对不同时期的坐标数据进行对比分析，我们能够得到桥梁的沉降数值和在平面上的偏移量。如果某一桥梁观测点的三维坐标沉降或者在平面上的偏移量过大，我们就可以以这些数据作为桥梁安全的判断依据，有了这些依据，就能够更早发现桥梁安全问题，就能够更好地帮助我们对偏移过大的桥梁进行弯桥纠偏或安全处理。

　　GPS应用在桥梁观测工作中具有很大的社会效益。通过采用GPS对桥面偏移、斜拉桥和悬索桥索塔及大跨径桥梁主梁挠度进行观测，我们能够获取桥梁变形的观测数据，进而通过这些数据的对比分析就能够反映不同时期的桥梁偏移量。结合我们对桥梁各结构的养护管理经验，将这些观测数据与安全允许的变形量进行比较，就能够判断桥梁的结构是否安全。如果观测数据超出了正常桥梁允许的变形量，我们就能及时发现桥梁安全问题，更好地帮助我们对变形量过大的桥梁制定桥梁纠偏等相应的安全处理措施，更好地保障天津市桥梁的安全运营。

　　参考文献

　　[1]黄声享,刘星,杨永波等.利用GPS测定大型桥梁特性的试验及结果[J].武汉大学学报(信息科学版), 2004, 29(3): 16～19.

　　[2]中华人民共和国国家标准. 全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T 19314——2001).北京：中国建筑工业出版社，2001.

《GPS在桥梁观测中应用技术的研究》

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