Ｑ：业 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ０ＩＯｇＹ ｌｎｎｏｖａｔｉ０ｒｌ Ｈｅｒ８ｌｄ 工程技术 Ｇ Ｐ Ｓ技术在大型建构物动态监测中的应用研究 黄云 （江西省第一测绘院 江西南昌 ３３０００１） 摘要：本文基于笔者多年从事ＧＰＳ变形监测的相关工作经验，ｇ￣６ＰＳ技术在大型建构物动态监测中的应用为研究对象，分析探讨了ＧＰＳ动 态监测的原理和方法，借助实例评价了ＧＰＳ在大型结构动态监测中的应用状况，最后，笔者简要阐述了监测数据的管理与可视化方法，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：大型建构物 动态监测 ＧＰＳ 原理 方法 中图分类号：Ｐ ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１ ０）０１（ａ）－－０１ ０８－－０２ 大型结构建构物动态监测工作是对其 是重量轻、体积小，因此测量值受震动自身 （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 关键部位进行连续实时监测，为评估结构 影响较小，但是它需要和测定点直接接触，物的稳定性、耐久性和可靠性提供有价值 同时需要采用专用配线连接加速计和中央 准点的差分信号时，可进行实时动态ＧＰＳ 的信息。在台风、温度变化、载荷变化以及 记录单元。这种方法位移测量误差较大，配 （ＧＰＳ ＲＴＫ）定位。监测点之间不需要通视， 地震等因素的影响下，许多大型结构建构 线容易损坏，当结构移动比较慢时，不能精 且得到的是不同监测点坐标的绝对值。 物诸如长桥、塔和高层建构物等会产生震 确测定整个震动的振幅。另外，在某些情况 （３）ＧＰＳ技术能够直接测定结构物位移 动和发生位移，甚至会有倒塌事故的发生。 Ｆ如近海工程、高层塔架等建构物，加速度 的三维坐标。从接收信号、跟踪卫星到完成 因此对大型结构建构物进行动态监测，不 计安装十分困难。 实时动态差分位移测量等工作，仪器能自 但可以及时发现结构物的危害并采取相应 激光干涉仪法是一种测定监测点到基 动进行。 的维护措施，避免灾难性的事故发生，而且 准点间距离变化量的方法。它需要将棱镜 （４）具有定位精度高、速度快的特性，采 对结构物的安全运营、损伤检测、突发事件 或反射胶片安置在监测点上，观测距离变 用差分ＧＰＳ载波相位的方法可以达到厘米 （如强烈地震、强台风或其它严重事故）后的 化与时间的关系值，通过进一步的分析可 级甚至毫米级的定位精度，许多厂商生产 结构剩余寿命的评估以及检验结构物设计 以得到位移变化主频率和相应的振幅。这 的ＧＰＳ接收机的采样频率可达１０～２０ＨＺ， 参数的正确性等等，都具有非常重要的意 种方法具有精度高的优点，但是当结构物 ＧＰＳ数据处理方法在不断改进和完善。 义。目前，对大型结构建构物的动态监测已 的摇晃或震动较大时很难跟踪目标。 ＧＰＳ定位测量的这些优点为对大型结 成为大型构筑物建设及运营阶段不可缺少 全站仪测试法使用自动跟踪（马达带 构建构物进行实时或准实时、高精度的动 的工作，并成为土木工程、结构工程等专业 动）全站仪，由全站仪发射的激光通过自动 态监测提供了很好的技术条件。 领域的一个非常活跃的研究方向。 扫描，瞄准目标，采用激光测距、电子测角 本文主要介绍基于ＧＰＳ技术的大型结 法，求出待测点的三维坐标。该方法的测量 ２ ＧＰＳ动态监测原理 构建构物动态监测原理、方法和国内外的 精度高，采样频率一般可达３ＨＺ。 由于结构物的震动和位移比较小，当 几个典型实例，提出了监测数据管理与可 对于多点测量要用扫描时分方法，所 ＧＰＳ技术用于大型结构动态监测时，必须采 视化方案，并对未来大型结构建构物动态 以同时同步对多点测量比较困难，另外激 用高精度的ＧＰＳ定位方法。为获得厘米级甚 监测系统进行展望。 光受大气影响火，在恶劣天气测量困难。 至毫米级的精度，可以采用差分ＧＰＳ载波相 这些方法尽管能达到一定的目的，但 位的方法。由于刚性结构物体的震动范围 １大型建构物的动态监测方法分析 也存在一定的问题。例如，当所监测物体移 比较小，所以采用ＧＰＳ技术难以完成对刚性 对大型结构建构物进行动态监测，是 动速度较慢时，加速计法难以有效获得物 结构物的动态监测，ＧＰＳ定位技术通常用于 测定结构物主要特征点在温度、风力、载荷 体整个震动的振幅；激光干涉仪法和全站 柔性结构物的动态位移监测，如长跨距的 和地震等外界因素影响下的位移变化特 仪测试法受气候条件的限制，只有具有良 悬索桥、高层建筑或高塔等结构物。下面主 征，并对结构物进行损伤检测、稳定性与剩 好的通视条件才能正常开展工作；这些方 要探讨位移监测原理。 余寿命的评估等工作。测定构筑物的位移 法对较小构筑物较好，对于高大构筑物，特 ＧＰＳ ＲＴＫＩｌｌｌ实时动态ＧＰＳ技术，它是一 或震动的方法，可以分为传统的方法￣［ＩＧＰＳ 别是在台风、大雨的情况下，跟踪目标困 种可以在野外实时获得测点最终三维坐标 方法。 难。此外，它们还存在不能同步测定不同监 的ＧＰｓ测量方法，在定位、导航、工程施工、 １．１传统方法 测点位移，当位移量比较大时观测比较困 大型结构建构物变形的动态监测等方面有 过去，由于受技术条件的限制，为测定 难，很难实时得到观测值等缺陷。总而言 很大的潜力。ＧＰＳ定位是通过同时接受。颗 大型结构物的震动与位移，人们常常采用 之，这些传统的测量手段进行动态监测存 以上ＧＰＳ卫星信号，测定卫星到接收机的距 的方法主要包括位移传感器测试法、加速 在一定的局限，不能满足对大型结构建构 离进行定位。为提高定位精度，可利用载波 度计法、激光干涉仪法和全站仪测试法等 物进行连续、实时和自动动态监测的需要。 相位进行定位。载波相位进行定位是利用 等。 １．２ ＧＰＳ方法 差分方式。 位移传感器测试法是一种接触式测量 在过去的十几年，全球定位系统（ＧＰＳ） 即将一台接收机安装在一个已知坐标 方法，测试设备的一端安装在被删物体上， 技术发展非常快速，定位精度明显提高，仪 的固定点上，也称基准站，在待测点上（称 另一端安装在被测物体外固定点Ｌ。这种 器设备重量轻、体积小，价格逐年降低，软 监测站）安置ＧＰＳ接收机。将基准站接收的 方法难以实现对大型结构物的位移测量， 件功能增强且用户操作界面友好。采用ＧＰＳ ＧＰＳ卫星信号，既测定的至各卫星的伪距、 常用于结构物模型测量。 技术对大型结构建构物进行震动与位移观 相位观测值、卫星星历、多谱勒频移等，通 加速计法是一种常规测量结构物震动 测具有许多优点： 过数据通信链，如无线广播、光纤电缆等。 与位移的方法，它是将加速度传感器安装 （１）ＧＰＳ技术克服气候条件的限制，能在 传到监测站，并和监测站接收的信号进行 在结构物上，测定试结构物在震动时的加 恶劣的天气或暴风雨天气条件下全天候进 差分处理，即可得到高精度的定位结果 常 速度，通过对加速度积分求位移。它的特点 行工作。 用的差分模型是双差方程。利用基准站和 １ Ｏ８ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ Ｑ： ＳｃＩｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ１０ｇｙ ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 工程技术 监测站对同一卫星载波相位观测方程求差 顶安装了两个监测点（一个备份）。数据采集工 为单差方程，若利用不同卫星的单差方程 在求差为站际双差方程： ， 开发某桥梁监测信息管理系统时，就采用 作于１９９３年１１月９日早上进行，以１０ＨＺ的采样 了这种建立数据库的方法。 频率进行了１５ｍｉｎ的同步数据观测。对监测结 ５结论 果进行处理后，得到该塔在东西向和南北向 ‘ ＧＰＳ技术可以克服传统的结构监测方 的震动频率大约为０．３ＨＺ，南北、东西方向的 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 Ｅｌ本明石的凯约大桥也安装了先进的 监测系统。它是一座主跨经为１９９１ｍ总长为 ３９１０ｍ的悬索桥。ＧＰＳ用于测定桥中跨的中 点、一个塔的塔顶点和桥梁一端锚地点的 △△ ＝ Ｃ （ｔ）一 ２（ｆ ）一 （ｆ ）＋ （ｆ ）］＋ ｆ［Ａｆ （ｔ）一Ａｒｇｏ （ｆ ）一△ｆ （， ）＋△ｆ （ｆ ）］ 振幅分别为±１５，±５ｃｍ。＋＿厂［△ｆ： （ｔｉ）一△『三 （ｔｉ）一Ａ＂Ｅｌｉｏｎｈ（ｔ ）＋△ （ ）］ ＋ （ ）一 （ｆ ）一 （ ）＋ （ｔ ） 式中为△△ 站际、星际载波相位差分 观测值， （ ）一 （ ）一 （ ）＋ （ｒ ）为接收 机到卫星的距离，ｂ为基准点，Ｓ为监测点， １，２表示不同卫星号，△ 为△ 模糊度。 为对流层延迟， 电离层延迟，Ⅳ为载波相位的整周 测点的三维坐标，特别是可实现多点同步 三维坐标，其中锚地点的坐标用于做参照， 观测，受外界影响小，数据采集方便，可实 对监测点三维坐标进行换算以计算在桥梁 现实时性、自动化管理。所有这些优点为大 轴线方向上的位移。同时测定相应点处的 型构筑物进行实时动态监测提供了良好的 温度和风力风向，以获取位移值和温度的 技术支持。国内外的实例表明，ＧＰＳ技术在 对应关系、风速与位移值的关系。ＧＰＳ接收 大型构筑物动态监测中具有广阔的应用前 从上面公式可以看出，卫星钟差、接收 机为Ｌｅｉｃａ ＭＣ １０００型，在地震和强台风时 景。随着ＧＰＳ技术、计算机技术和网络技术 机钟差已经消除，若基准站和监测站相距 的数据采样频率为２０ＨＺ。 的发展，未来大型构筑物动态监测系统将 不远，基准站、监测站卫星信号的电离层延 迟和对流层延迟相关性好，公式中，第２，３ ４监测数据管理方法 在长期进行结构动态监测的系统中， 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。 项可视为零，所以只要能将整周模糊度．求 准，则利用同时观测 颗卫星选定的双差方 １～２ｃｍ。 由于从监测系统中采集的监测数据是海量 参考文献 程即可实现实时定位，定位精度可以达到 的，以至很难采用传统的文件形式管理监 ［１】朱照荣．城市ＧＰＳ应用及发展趋势探讨． 测数据，必须采用一定的措施。此外，对来 北京测绘，２００２，（０３）． ２】周忠谟．关于高精度ＧＰＳ￣Ｉ］量的个别问 自监测系统数据处理与分析子系统的统计 ［数据、处理和分析结果也应该进行有效的 题．测绘工程，１９９４，（０４）． 管理。数据库技术是管理海量数据的有利 ［３】孙鸿敏，李宏男．土木工程结构健康监 工具。最为有效的办法是对监测数据建立 ３案例研究 国内外有采用ＧＰＳ进行大型结构物动 态监测的许多成功的事例，主要分为高层 建筑、大型桥梁的实时动态位移监测。例如 测研究进展．防灾减灾工程学报，２００３， （０３）． 动态数据库，并能进行监测数据的定期更 加拿大的卡尔加里塔、英国亨伯大桥、日本 新、备份和恢复。为实现监测数据的共享， ［４】王廷刚．ＧＰＳ ＲＴＫ技术在现代工程测 量中的应用．科技创新导报，２００年第 明石的凯约大桥、香港青马控制区的三桥、 应该采用基于网络环境的数据库管理系 期． 新加坡的共和国大厦，以及中国的虎门大 统，￣ＵＳＱＩ Ｓｅｒｖｅｒ，Ｏｒａｃｌｅ数据库系统。在一 桥和深圳帝王大厦等都成功地应用了ＧＰＳ 个监测系统比较大 监测点的数目比较多 技术进行动态监测工作。 的情况下，往往一天的监测数据量都很大。 加拿大利用差分ＧＰＳ载波相位的方法于 这时，可以采用对一天、一个星期或一个月 １９９３年成功地对卡尔加里市的卡尔加里塔进 的监测数据建立一个数据库的方法进行建 行了动态变形监测。该塔大约１６０ｍ高，基准站 库。这种建库方法给数据库的建立、备份、 安装在塔北面约１ｋｍ的低层公寓楼顶，在塔 恢复或访问带来较大的方便。例如我们在 （上接１ ０７页） 抹压时机，做到不漏压，不迟压；收浆过程 有猛敲猛砸现象。 ４．２做好钢筋的定位工作 严格按设计及规范要求绑扎钢筋，并 做好钢筋的加固工作；马凳采用 １０，间距 通过以上措施的实施，自２层以上混凝 补，并揉搓至出浆，使干水泥砂浆融人到混 土板面再未出现贯穿性裂缝，表面裂缝也 凝土中。 只有个别地方，混凝土裂缝已基本得到控 制。 中出现多余水分，采用１：ｌ干水泥砂浆找 不超过６０ｃｍ；加强混凝土浇筑过程中钢筋 ４．４做好混凝土养护工作 看管工作，设专人值班看筋且责任到人；确 混凝土浇筑完１２４，时以内加以覆盖并 保钢筋在混凝土浇筑过程中不发生移位或 浇水养护（养护一般不少于７昼夜），养护以 参考文献 １】高层建筑施工（第二版）．中国建筑工业 即使有个别移位但能及时得到修整。 保持混凝士表面湿润状态为准；特别是大 ［出版社，２００４． ‘ ４．３加强振捣、做好混凝土收浆、打磨工作 风天气、高温天气，更要对板面混凝土进行 ２］王铁梦．工程结构裂缝控制．中国建筑 加强混凝土的振捣工作，建 健全责 及时覆盖，防止板面混凝土过快失水，确保 【任制度，加强工人施工技术及职业道德培 质量保证施丁质蕞，以施工质量保证工程 混凝土凝固初期有一个良好的周围环境。 加强工人的技能培训及素质教育工 训工作；切实做到“以人为本”，做到以工作 ４．５加强思想教育工作，杜绝“野蛮施工” 工业出版社，１９９７． ［３］周建荣．钢筋混凝土结构裂缝控制综 述．科技创新导报，２００７（２８）． ４】南松玉．现浇钢筋混凝土楼板裂缝的原 质量。 作，提高工人的质量意识、安全意识，建立 【因分析．科技创新导报，２００７（１６）． 加强混凝土的二次振捣工作，在振捣 健全责任制度，努力做到安全文明施工。 时间界限以前，对大梁等重要部位进行必 要的二次振捣；确保混凝＿Ｌ振捣密实。 板面混凝土达到１．２ＭＰ之前，不得上人 操作；材料吊运尽可能轻落轻放，且尽量散 做好混凝土的打磨、抹压工作，掌握好 开堆放于小开间或支座及大梁部位；不得 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ １ ０９