大跨径桥梁运营期GPS/BDS动态形变监测及分析

刘志强，岳东杰，郑德华

(河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098)

现代大型桥梁如斜拉桥、悬索桥，具有跨越能力强、技术先进、经济实用等特点，在跨江河(海)及高山峡谷等交通工程中被广泛采用。随着大跨径桥梁跨越宽度的日益增大，其损伤识别和安全监测问题较常规桥梁要更加突出。尤其当桥梁使用一定年限后，长期累积的结构疲劳和损伤将可能影响桥梁运营的基本安全。

桥梁在运营期间受到交通荷载、温度及风力变化、结构性能退化、地震等因素影响，产生的动态变形大致可以分为两类：因基础沉降、索力松弛及桥梁断裂等造成的永久变形和状态可恢复的短期变形[1-2]。针对大跨径桥梁外部变形监测，传统大地测量方法通常采用精密水准仪和全站仪等仪器，对于结构较为稳定的连续刚构、桥墩与索塔基础等的监测具有优势，一般能以毫米级的精度探测出构件在一定周期内的变形情况。但对于主桥桥面和索塔等，受环境因素变化影响，会产生明显的持续动态三维变形。传统方法观测周期长、工作量大，受监测频次所限无法跟踪监测点位的连续变化情况。另外，各监测点也无法严格同步观测，从监测结果中难以分离因时间不同步、环境因素变化的影响。摄影测量及地面三维激光扫描测量技术用于桥梁变形监测具有非接触、面测量的优势，但存在测量精度随着距离增加而迅速下降的不足[3-5]。合成孔径雷达干涉测量技术用于变形监测可达毫米级水平，但其时间分辨率较低，应用在桥梁连续短期动态监测中仍存在困难[6-7]。

目前，国内外的很多大跨径桥梁健康监测与诊断系统，一般在桥梁关键部位布设GNSS监测点，利用实时动态定位(RTK)技术实现全年连续三维位移监测[8-12]。众所周知，RTK定位的平面精度一般为1～2 cm、高程精度为3～5 cm。RTK模式在实时反映桥梁大尺度变形状态(如突发密集荷载、台风、地震等)方面具有显著优势。对处于常规运营状态的桥梁而言，其短期动态变形幅值一般较小，且变化相对缓慢。在环境因素相差不大的情况下，同一监测点同时段的位置重复较差可能仅为数毫米。无论是监测桥梁短期动态变形及其可恢复性，还是面向桥梁整体结构长期趋势性变化的永久变形分析，RTK监测数据结果的定位误差因素干扰均过大。尽管可以采用一定的数据处理手段对RTK定位结果进行滤波，但这是否会损失重要和危险的形变信号，值得进一步探讨[13-16]。

对于处于常规运营期的大跨径桥梁而言，除随机环境因素激发下产生的微小振动外，桥梁的动态变形一般为是接近蠕动的缓慢动态变形。但这种动态蠕变与大坝、滑坡体等的变形又有明显不同，其周期较短，一般约为24 h。本文针对目前GNSS-RTK监测系统并不能完全满足高精度变形监测的缺陷，尝试采用基于GPS/BDS观测数据的连续准静态模式监测大跨径桥梁动态变形，并对苏通大桥主桥外部变形监测试验进行结果分析。

1 监测点布设与监测基准

1.1 苏通大桥概况

苏通大桥位于江苏省东南部，是国家高速网络的重要枢纽和跨长江通道，也是世界上首座主跨径突破千米的斜拉桥。大桥全长8.146 km，由引桥、主桥和辅桥3部分组成；其中主桥为七跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主孔跨径为1088 m。苏通大桥自2008年建成通车以来，迄今为止已运营9年。近年来，交通流量、行车密度及重型车辆数大幅度增长。

1.2 监测点布设

根据苏通大桥结构特点，在主桥关键部位布设监测点12个，分别位于主桥南端(S1、S2)、主跨南1/4跨(P1、P2)、主跨跨中(M1、M2)、主跨北1/4跨(Q1、Q2)、北端(N1、N2)、南索塔(NT)、北索塔(BT)。同一监测断面，上、下游监测点对称布设。监测采用双基准站策略，选取苏通大桥平面控制网点ST02作为主基准站，ST06作为辅基准站，两基准站距各监测点均不超过3.5 km。基准站10°以上高度角周围无明显遮挡及远离电磁波干扰源，地质条件较为稳定。具体监测点布设位置及点位分布如图1所示。

图1

1.3 监测基准

采用与苏通大桥测区附近多个IGS站点联测的方法，获取基准点在ITRF2008框架下的坐标。考虑到监测结果在不同坐标系中的表达，为方便后期坐标转换，将苏通大桥基准平面控制网点(ST01—ST06共6个)一起纳入解算。GPS网三维平差约束基准取SHAO、BJFS、TWTF在ITRF2008框架下2 014.739历元(2014-09-28)的坐标。所联测IGS站点分布如图2所示。

图2 监测基准联测IGS站点分布

2 监测数据处理与坐标转换

2.1 GPS/BDS观测数据预处理

将所有接收机原始数据需转换成RINEX格式，并保留2.11和3.02两种格式版本；对RINEX观测文件头进行编辑，包括天线ARP位置、测站近似位置、首历元观测时间等信息。监测点数据由1 s基础采样率归化为10 s、30 s等，并按每15 min或10 min一组分时段存储处理3种方案的基础观测数据，即GPS单系统、BDS单系统和GPS/BDS组合系统。以上均通过基于Matlab的自编程序实现自动化处理。除此之外还可进行卫星可见性及PDOP值计算、信噪比信息提取、多路径效应评估及周跳探测等。

2.2 数据解算与坐标转换

GNSS解算结果的坐标是基于ITRF参考框架的，而对桥梁特性的分析主要基于桥梁横向、纵向及竖向。为分析各GNSS监测点的平面位置变化，建立苏通大桥桥轴坐标系：其中X轴为桥纵轴方向、Y轴桥横轴方向。对于各GNSS监测点的竖向位移变化，直接采用WGS-84椭球下的大地高。在解算出各GNSS监测点的ITRF2008坐标后，通过坐标转换统一转化为桥轴平面坐标和大地高，即(X,Y,H)。

采用自编GNSS数据处理软件GeoPNT对各时段基准站与各监测点所构成的GPS/BDS基线进行处理，仅取基线固定解，并剔除不合格基线。根据联测IGS站得到的基准点坐标，结合基线解算结果，得到各监测点的ITRF2008下的坐标。由ITRF2008坐标转换为苏通大桥桥轴坐标的过程如下：

(1) 采用北京1954(BJ54)椭球参数，将各监测点的ITRF2008框架下的空间直角坐标(X,Y,Z)ITRF2008转换为BJ54椭球下的大地坐标(B,L,H)BJ54

(1)

(2) 以BJ54椭球为基准，选定测区中央子午线，将得到的(B,L,H)BJ54投影为平面格网坐标(x,y)GRID；将该格网坐标进行平移、旋转及尺度缩放可转换为与苏通大桥平面控制网采用的STB平面坐标(x,y)STB

(2)

转换采用的公共点为ST02、ST03、ST04、ST05，验证点为ST01、ST06。采用4个平面控制点作为公共点，由上述方法得到平面格网坐标与STB平面坐标间的转换参数，其平面坐标转换残差及验证点残差为毫米级。

(3) 按照步骤(2)中求得的转换参数，可以将各GNSS监测点的坐标转为STB平面坐标。STB平面坐标系与大桥桥轴坐标系仅存在方位旋转关系，二者间的旋转角β通过监测点P1与Q1原STB平面坐标反算坐标方位角得到。于是，各GNSS监测点的坐标STB平面坐标(x,y)STB可通过下式转为桥轴坐标(X,Y)桥轴。

(3)

(4) 采用WGS-84椭球参数，按式(1)可以将各监测点的ITRF2008框架下的空间直角坐标(X,Y,Z)ITRF2008转换为大地高H，用于分析各监测点的纵向位移变化。

3 监测结果与动态变形分析

3.1 主桥关键部位动态变形监测结果分析

按图1所示的监测点位，笔者于2014年9月28日8:00—9月29日8:00进行了第一次GNSS动态变形监测试验。外业观测卫星截止高度角设定为15°，采样间隔归化为10 s。当日气温变化为23℃～28℃，白天日照充足，全天平均风速7.3 m/s。将主桥各监测点外业数据每15 min作为一个单元时段进行连续解算。设计如下3种方案：①GPS单系统；②BDS单系统；③GPS/BDS组合系统。为保证监测成果的可靠性，取基准站ST02、ST06推求的监测点ITRF2008坐标平均值，然后按上文所述方法转化为桥轴坐标。以各监测点9月28日8:00—9:00解算结果的均值作为初始值，解算结果扣除该基准值后，可得到3种模式下主桥监测点动态变形结果如图3所示。限于篇幅，图3中仅给出了主桥南端、北端、跨中及1/4跨各一侧点位的解算结果。

从图3中GPS和GPS/BDS组合两种模式的解算结果可以看出：①主桥南端和北端监测点沿桥轴纵向位移变化较大，随着温度上升引起的缆索、钢箱梁受热膨胀，于15:00—16:00左右变形达到最大幅值，约为10 cm。由于主桥两端点均有桥墩支撑，沿桥轴横向位移变化除个别时段外，大多在±1 cm范围内，而竖向位移稍大，约在±2 cm范围内变化。主桥两端监测点位在次日8:00的解算结果均在初始位置附近，表明其三维动态变形均具有良好的可恢复性。②受缆索约束，主跨跨中和1/4跨监测点沿桥轴纵向位移均较小，波动范围约为±2 cm。沿桥轴横向位移变化24 h最大幅值可达10 cm；注意到其位移极值出现在19:00左右，且在次日8:00未恢复至初始值附近。可见，温度变化并未主导影响其横向位移，可能受上下游两侧持续风力及交通荷载影响更大。对于竖向位移，跨中监测点位移波动要明显大于1/4跨点位，为±5 cm。

图3 3种模式下苏通大桥主桥监测点动态变形结果(2014年)

由图3可知，GPS/BDS组合系统与GPS单系统的监测结果表现出良好的一致性，而BDS单系统解算结果仅在部分时段较为一致，且有效解时段数明显偏少。图4给出了3种方案单天有效解时段数量的对比图。可以看出，GPS/BDS组合系统与GPS单系统有效时段数相当，除南、北索塔之外均在93%以上，而BDS单系统最大仅为83%(北端N2)，最小仅为12%(南索塔NT)。

图4 3种模式下单天有效解时段数量比较

图5给出了南塔监测点遮蔽条件下的可视卫星轨迹和信噪比图。从卫星轨迹来看，当前GPS卫星数及其几何分布都明显优于BDS。BDS可见卫星数虽然在多数时段可达到7颗以上，但其中有5颗为GEO卫星，其在天空中的几何位置相对固定。BDS卫星几何分布的变化将主要由IGSO、MEO卫星主导，由此会引起相邻历元间卫星几何分布的相似性。这一定程度上会引起基线解算法方程的病态，从而影响整周模糊度的固定及基线解的可用性与精度。从信噪比来看，由于南索塔(NT)、北索塔(BT)监测点的南北向两侧混凝土壁高出GNSS天线约30 cm，卫星信号接收受到一定影响。图5中NT监测点卫星高度角约40°以下的GPS和BDS卫星信噪比值明显衰减。

图5 南索塔(NT)遮蔽条件下可视卫星轨迹及信噪比

综合图3—图5来看，对于BDS单系统，受目前BDS在轨卫星数偏小的条件限制，与前两种方案相比，各点位可用于有效解算的时段数明显偏少。尤其当卫星信号遮蔽较为严重时(如NT、BT)，BDS单系统仍无法单独进行位移变形的有效监测。在此情况下，GPS/BDS组合系统用于变形监测的优势较明显。在监测点位置卫星信号接收相对较好的情况下，GPS/BDS组合系统与GPS单系统解算结果是相当的。

3.2 不同年度监测结果比较

为进一步分析GNSS连续准静态监测数据处理模式用于桥梁结构长期趋势性变化分析的可行性，于2016年9月26日8:00—9月26日8:00进行了第2次监测试验。当日气温变化为24℃～30℃，较2014年平均气温约高2℃，天气条件与第1次试验无其他明显差异。另外，两次试验桥梁均处于正常运营状态，无突发交通拥堵、台风等特殊状况影响。外业观测卫星高度角、采样率等与2014年设置完全相同，但按每10 min一个时段进行连续解算。为全面反映主桥各点位在两年间的周日动态变形情况，在此进一步给出与图3位置不同的3个监测点位GPS/BDS组合模式下不同年度监测结果对比，如图6所示。需要说明的是，2016年与2014年监测结果采用相同基准，即以2014年9月28日8:00—9:00解算结果均值作为初始值。

图6 GPS/BDS组合模式下不同年度监测结果比较

从不同年度间监测结果来看，连续准静态监测单元时段取10～15 min均能获得较高精度的监测结果。从图6可以看出，下游南端监测点不同年度间平面和竖向位移表现出较好的一致性。在23:00—11:00温度变化相对平稳时段，两年间纵向、横向及竖向位置互差均值分别为6.0、3.0和3.2 mm，而11:00—19:00时段两年间位置互差稍大，以上主要与两次试验的温度差异有关。受两侧缆索约束，主跨跨中和1/4跨监测点位纵向位移较主桥端点变化幅值要小得多，两年间位置互差24 h均值分别为12.2、21.5 mm；考虑2016年平均气温较2014年高出2℃左右，若剔除温度差异影响，两年间变化趋势线可以认为是基本一致的。横向位移互差则相对大得多；正如上文分析所述，缆索约束位置点的横向位移并不受温度因素主导，可能受交通荷载及风力变化影响更大。图4跨中和1/4跨横向位移结果显示，在夜间23:00—凌晨5:00时段，两年间监测点横向位移结果互差均值分别为15.2、12.7 mm，而该时段车辆交通荷载较少、温度变化趋于平稳；最大互差出现在10:30—11:30、18:30—19:00和5:30—6:00前后，其最大互差可达5～7 cm。主跨跨中和1/4跨两年间各时段竖向位移变化区间未发现明显偏差，两期位置差均值分别为18.9、9.1 mm。

4 结 语

本文以运营期的苏通大桥为例，验证了基于GPS/BDS的连续准静态模式用于大跨径桥梁动态变形监测的有效性。与现有RTK监测模式相比，该模式顾及常规运营状态下大跨径桥梁结构缓慢蠕动变形的典型特征，监测精度可达毫米级；其自动化数据处理模块可嵌入已有桥梁健康监测系统，作为RTK系统的有效补充。在获得长期连续准静态监测结果时间序列后，可进一步结合温度、风速、交通荷载等观测资料，建立桥梁关键部位位移与环境因素数学相关模型，研判其动态变形区间及其发展趋势，为构件疲劳损伤检测预警及桥梁健康状态评估提供数据支持。