桥梁结构中变形监测测量技术探讨

一、当前桥梁监测技术的发展介绍

作为高度超静定构筑物的大型桥梁结构，结构复杂。随着科学技术的进步以及对变形测量要求的提高，变形测量技术也取得快速发展。性能不断提升的数据采集设备，迅猛发展的计算机、无线电、空间技术以及地球科学等，都推动变形测量技术的快速发展。不断涌现的变形测量数据采集新技术以及他们自身的不断发展完善是推动变形测量技术进步的巨大动力，如数字近景摄影测量、GPS、自动全站仪、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、激光雷达、关节式坐标测量机、Indoor GPS等。

（一）桥梁结构变形监测的一般规定

桥梁种类很多，主要以梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥为主。近年来，我国各种桥梁的建设发展迅速，因此，桥梁的变形监测是桥梁施工安全和运营安全必不可少的内容。《工程测量规范（GB50026-2007）》规定，桥梁变形监测的内容，应根据桥梁结构类型选择，如下表1。

桥梁变形监测的精度，应根据桥梁的类型、结构、用途等因素综合确定，特大型桥梁的精度，不宜低于二等，大型桥梁不宜低于三等，中小型桥梁可采用四等。特大桥、大型、中小型桥梁的划分方法，可参考相关公路、铁路桥梁设计和施工规范的划分方法确定。

变形监测可采用GPS测量、极坐标法、精密测（量）距、导线测量、前方交会法、正垂线法、电垂直梁法、水准测量等。大型桥梁的变形监测，必要时应同步观测梁体和桥墩的温度、水位和流速、风力和风向。

二、 桥梁结构变形监测发展现状

桥梁结构变形监测主要包括两个方面：垂直位移监测内容和水平位移监测内容。桥梁结构体的承重部分，例如桥墩、拱圈、索塔、梁体、锚碇、桥面等承重结构的垂直位移，也称为沉降，特别是不均匀沉降；桥梁结构体的承重部分，例如梁体、拱圈、索塔、锚碇、桥面等的水平位移是桥梁结构体是否处于安全状态的重要指标，对桥梁结构重要部位的变形监测，具有非常重大的意义。

（一）桥梁结构变形监测控制测量

桥梁结构变形监测控制测量主要分为垂直位移监测控制测量和水平位移监测控制测量。

其中，垂直位移监测控制测量按照高程控制测量等级的划分，依次为二、三、四、五等。各等级高程控制宜采用水准测量；四等及以下等级可采用电磁波测距三角高程测量，五等也可采用GPS拟合高程测量。

高程控制测量宜使用水准测量方法。对于二、三级沉降观测的高程控制测量，当不便使用水准测量时，可使用电磁波测距三角高程测量方法。

在进行水平位移监测控制测量中，平面控制测量可采用邊角测量、导线测量、GPS 测量及三角测量、三边测量等形式。三维控制测量可使用GPS测量及边角测量、导线测量、水准测量和电磁波测距三角高程测量的组合方法。

（二）桥梁结构垂直位移测量方法研究

当前桥梁竖向位移监测的方法主要有几何水准测量方法，静力水准测量方法，电磁波测距三角高程测量方法以及GPS拟合高程测量方法等。

三、桥梁结构三维动态变形监测研究

近年，我国利用GPS进行了滑坡、桥梁、层建筑、大坝变形、矿区地面沉陷和地壳形变等监测。

（一）GPS变形测量介绍

GPS变形测量具有许多不可替代的优点，包括：大范围内精度较高，在基线长度大于10km时，其相对精度可达到10-6～10-7，明显优于传统大地测量技术；测量不受天气条件，可进行全天候观测；测量、记录、计算全自动完成，确保了测量成果的客观性和可靠性，同时大大减小了测量人员的工作强度；测量点之间不需要通视，选点不受地形的；测量点的三维坐标可以同时测定；其建网费用约为常规大地测量技术建网费用的1/6～1/3。

GPS 变形测量的方法主要有两种：周期性测量模式和连续性测量模式。 GPS技术在精度、采样率、灵敏度、可靠性以及硬软件上的发展和完善，为GPS在变形测量领域广泛应用提供了可靠的保证。

桥梁结构三维动态变形监测的发展伴随着自动变形测量技术的发展，特别是自动全站仪、GPS-RTK 技术的出现与发展。国内外很多专家和学者采用GPS-RTK技术和自动全站仪技术进行了桥梁结构的三维实时动态变形测量。

（二）实时动态变形测量技术

实时动态变形测量主要应用于工程建筑物的安全监测领域以及自然灾害防灾减灾领域，可供选择的设备技术主要是自动全站仪、RTK-GPS 技术以及传感器技术。

一个完整的自动化变形监测系统是指在无需操作人员干预的条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，它有一系列的软件和硬件组成。

（1）基于自动全站仪的自动变形监测系统

基于自动全站仪的自动变形监测系统包括自动全站仪、棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与通用软件。基于自动全站仪的自动化变形测量系统如图1所示。

（2）基于GPS-RTK的自动变形测量系统

GPS自动变形测量系统包括数据采集部分、数据传输部分和数据处理部分。数据采集部分主要由GPS接收机组成。数据传输可以有有线和无线两种传输方式。数据处理部分主要由计算机和软件部分组成。GPS自动化变形测量系统如图2所示。

（3）基于光纤的应变监测系统

光纤应变监测系统有很多种，系统结构类似，此处以BOTDR应变监测系统为例。基于BOTDR的应变监测系统包括光纤传感部分、数据采集部分、数据存储与传输部分以及数据处理与健康诊断部分。基于BOTDR的应变监测系统如图3所示。

以上三种变形监测系统在桥梁结构变形监测领域应用广泛，特别是GPS-RTK变形监测系统以及光纤应变监测系统，在很多建成后的大桥健康监测上获得应用。自动全站仪相对贵重，一般用于持续时间较短的监测。有时，可运用两种或三种实时动态变形监测系统同时搭配使用。

（三）桥梁结构三位动态变形监测数据处理

小波分析可以有效地消除误差并提取变形特征。正常的变形信号在时域和频域上表现为局部、低频特性，而噪声在时频空间中表现为全局、高频，借助于小波变换的多分辨分析，就可以对不同频率成分进行有效分离，最终达到消噪目的，进而实现对桥梁的桥梁结构三位动态变形监测数据处理。

四、总结

桥梁结构实时动态三维变形监测是发展前景广阔。目前，自动全站仪跟踪测量的频率还不能很好的满足要求，GPS-RTK技术的采样频率理论上能够达到，但解算速度存在，且精度有待于进一步提高，对一些高频率的小幅振动监测则存在较大困难。

参考文献

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