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GPS在桥梁变形监测中的应用.doc

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GPS 桥梁 变形 监测 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: GPS 在桥梁变形监测中的应用 资源工程学院开题报告2012 年 4 月 6 日论文(设计)题目:GPS 测量在桥梁变形监测中的应用姓名 年级 2008 级 所在院系 资源工程学院2专业 测绘工程 指导教师开展本课题的意义及工作内容:背景:随着经济建设和交通事业的不断发展,全国越来越多的地方出现了大跨度的桥梁,桥梁的安全问题变的尤为突出,同样的针对桥梁变形的测量也越来越多样化。现状:桥梁的变形监测主要包括的是桥梁的墩台的沉降,主桥梁的挠度监测,以及横向变形监测,主要利用的全站仪,精密水准仪,激光干涉仪等对桥梁进行监测。GPS的发展在测量中应用尤为突出,但是在变形监测中,由于精度要求很高,一时间 GPS在变形中的作用不是特别突出意义:随着科技的不断进步、发展,GPS 测量得到更加广泛的应用,精度也得到不断的改进,随着一起的改进以及平差软件的发展,GPS 技术已经能广泛的应用于变形监测项目,弥补了传统仪器在测变形监测方面的多种不足主要工作内容:本文从传统变形监测测量技术的优缺点,GPS 技术的发展历程,以及 GPS 测量技术的基本原理分析 GPS 在变形监测中的具体操作,同时通过分析 GPS 测量技术在桥梁变形监测点数据处理,以及精度分析。目前,传统变形测量仪器测量仪器使用已经非常普遍,但是仍然存在缺点与不足,GPS 技术的出现,在一定程度上,弥补了多方面的不足。总体安排及进度:1、4 月 05 日—4 月 13 日 收集相关论文材料,在老师的指导下确定题目,并完成开题报告。2、4 月 13 日—4 月 20 日 根本个人情况,可以修改论文题目。确定指导老师。3、4 月 21 日—5 月 04 日 整理分析收集的相关论文材料,列出论文提纲,开始着手论文写作。4、5 月 05 日—5 月 20 日 完成论文内容,形成初稿,上交给指导老师。5、5 月 21 日—5 月 31 日 根据老师的指导对论文进行修改和完善,并最终完成论文正稿。课题预期达到的效果:GPS 技术可以克服传统的桥梁结构监测方法的缺点,测定位移值的精度可以达到厘米级(RTK)甚至毫米级(相对静态)的精度。GPS 可以实时的得到变形点的三维坐标,特别是可以同时同步得到多点的坐标,大大减少了外界造成的测量误差,同时数据采集方便,可实现实时性,自动化管理。因此可较好的应用于大型桥梁的安全管理上,实例证明,GPS 在桥梁的变形监测中具有很广阔的前景。指导教师意见: 签名:3GPS 在桥梁变形监测中的应用【摘要】本文阐述了传统仪器在变形测量中的诸多不足之处,同时基于 GPS 在测量方面的多方优点,分析论述了 GPS 在桥梁变形监测中的应用,以及数据采集和处理方法。包括监测过程中 GPS 基准点和变形监测点的布设,观测精度与观测周期的技术要求,以及变形观测完成后数据的粗差剔除和精度评定,同时通过实例证明分析了这种测量方法的可行性,GPS 在桥梁中的变形监测将成为建立桥梁监测系统的重要手段和方法【关键词】GPS 技术 桥梁变形 变形监测 监测网 目录1 绪论 .......................................................................................................................................................61.1 传统变形测量 ......................................................................................................................61.2 课题研究的意义 ................................................................................................................61.2.1 GPS 技术发展现状 .........................................................................................................61.2.2 GPS 应用测量的优势 .....................................................................................................741.3 课题研究的内容 ................................................................................................................7在桥梁变形监测中的应用 .......................................................................................................................72.1 桥梁变形概述 .....................................................................................................................72.2 桥梁变形内容 ....................................................................................................................82.3 桥梁变形的限值 ................................................................................................................82.3.1 主梁挠度变形的限值 ....................................................................................................82.3.2 墩台沉降变形限值 .........................................................................................................82.4 设计方案 .............................................................................................................................83 桥梁变形监测网的布设原则 ................................................................................................................83.1 桥梁变形监测网的布设特点 .............................................................................................83.2 变形监测网的组成 ............................................................................................................94 桥梁变形监测的数据采集 .................................................................................................................104.1 数据处理分析 ..................................................................................................................114.1.1 基线解算 ..............................................................................................................114.1.2 基线解算的质量控制 ..........................................................................................124.1.3 GPS 基线向量网平差 .........................................................................................134.1.4 GPS 数据处理过程 ...............................................................................................14致谢语 .....................................................................................................................................................16参考文献 .................................................................................................................................................171 绪论随着经济建设和交通事业的我国不断发展,全国越来越多的地方出现了大跨度的桥梁,桥梁的安全问题变的尤为突出,与此同时,针对桥梁变形的测量也越来越多样化。桥梁的变形监测主要包括有桥梁的墩台的沉降,主桥梁的挠度监测,以及横向变形监测,主要利用的全站仪,精密水准仪,激光干涉仪等对桥梁进行监测。GPS 的发展在测量5中应用尤为突出,但是在变形监测中,由于精度要求很高,一时间 GPS 在变形中的作用不是特别突出。随着科技的不断进步、发展,GPS 测量得到更加广泛的应用,精度也得到不断的改进,随着 GPS 仪器的改进以及平差软件的发展,GPS 技术已经能广泛的应用于变形监测项目,弥补了传统仪器在测变形监测方面的多种不足。1.1 传统变形测量目前,传统的监测工具有加速度计、位移传感器、激光干涉仪、倾斜传感器、精密水准仪、全站仪等.这些工具有其优点,但也有各自的不足。例如,全站仪、激光干涉仪和精密水准仪受地域气候的影响比较明显而且采样率也难以符合动态测量的要求;当桥梁因温度变化等各种因素而引起徐缓的位移以及在大风影响下引起大位移时,加速度计则无法进行准确检测。传统的变形监测方法主要有两大类:一是常规的测量方法(大地测量方法与摄影测量方法) ,二是物理学传感器方法。常规的大地测量方法具有测量精度高、资料可靠等优点,但又有观测工作量大、效率低,受气候影响大,不易实现连续监测和测量过程的自动化,并要求监测点与基点通视等缺点,这些缺点对变形监测有非常不利的影响。随着电子水准仪和全站仪的出现,实现地面测量技术的自动化也己经成为可能;摄影测量的方法也可以用于包括桥梁在内的各种建筑物的变形观测。数字摄影测量为该技术在变形监测中的应用开拓了更加广泛的前景。但是,目前利用摄影方法进行变形观测的过程仍然比较复杂。物理传感器方法主要是指应力应变计、倾斜仪等方法,这些方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度局部的相对变形信息,并且能实现长期连续的自动化观测,这些方法的缺点是只能观测有限局部变形。现代GPS测量技术具有高精度的三维定位能力,并且GPS 可以连续观测,为监测桥梁动态和静态变形提供了有效的手段。全球定位系统的应用是测量技术的一项革命性变革,它使建立三维网的监测变得简单,而且不需要测站间的通视,可以免去建标的工作,并且使得监测网的一类设计有更多优化的余地。全球定位系统可以提供1 ×10- 6的相对定位精度,可以预计, 1 ×10- 7或更高的精度终将可以达到。它在精度上和经济上的优越性将使它取代很多传统的地面测量方法1.2 课题研究的意义1.2.1 GPS 技术发展现状全球定位系统 GPS(Global Positioning System)卫星定位是当前卫星导航定位系统应用最为广泛的一种。是美国陆海空三军公用的新一代卫星导航系统,由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS 系统由 24 颗卫星组成,工作卫星分布在六个轨道面内,这六个轨道的高度都为 20200KM,而且每个轨道上都分布了 4 颗卫星。自 1994 年全球定位系统开始投入使用以来,任何时刻,在全球任一位置,GPS 都可以为全球不同需求的用户连续地提供动态三维速度、三维位置和时间等各种信息,实现了全球、全天候的连续实时定位、导航和授时。GPS 卫星发射出的无限电信号含有两种测距码,且这两种测距码的精度不同,即 C\A 码(又称粗码)和 P 码(又称精码)。相对这两种不同精度的测距码,GPS 提供了两种不同的定位服务方式,分别为精密的定位服务 PPS(precise positioning service) 和标准的定位服务 SPS(standard positioning service)。1.2.2 GPS 应用测量的优势GPS 卫星定位技术相比与传统的测绘作业及方法有着显著的特点和优越性,它不受天气的干扰,点位间毋须通视,容易实施长距离的精确定位,可以进行实时测量,具备良好的自动化和集成性能特别适用于动、静态的安全监测和较大工程区域内满足现代施工所需6的复杂测量工作。GPS 优秀的性能及广泛的适应性,是常规测量难以比拟的。GPS 以其精度高、速度快、全天候等优点,成为当今最先进的监测手段基于传统测量在变形测量中的诸多不足之处以及 GPS 测量在测量当中的诸多优势,可以想像,未来的变形测量的发展不仅仅是局限在传统仪器上面,利用新兴的 GPS 定位系统,以及第三方 GPS 高精度数据处理软件。使得 GPS 测量在桥梁变形监测中成为一种可能1.3 课题研究的内容本设计采用 GPS 测高技术开展桥梁变形的的挠度监测,避免了常规测量方法效率低、观测周期长、劳动强度大、误差容易积累的缺点;能够实施远距离、大范围桥梁变形监测。通过本设计的开展,解决了在没有稳定高程基准、常规测量实施困难的情况下,利用 GPS测量技术实施桥梁变形监测的技术;由于 GPS 具有全天候监测、精度高、费用省、快捷迅速等特点,因而可以得到广泛的普及应用。进行桥梁的变形监测,在桥梁建设完毕并进入运营使用阶段,进行桥梁的变形监测,对掌握桥梁的健康状态、减少事故的发生,具有重要意义。GPS 在现代化测绘技术中有着广泛的应用,提出利用 GPS 测量技术进行桥梁的变形监测方法,无疑具有广阔的应用前景。在桥梁变形监测中的应用2.1 桥梁变形概述桥梁按受力情况分为梁式桥﹑拱式桥﹑钢构桥﹑斜拉桥﹑悬索桥等。大型桥梁产生变形的原因,归结起来有以下几类:(1)自然条件及其变化,即桥墩台地基的工程地质、水文地质、土壤物理性质、大气温度、水位变化及地震等。例如,桥墩台基础的地质条件不同,引起桥墩台间不均匀沉降,使其产生倾斜或裂缝;土塑性变形引起桥台不均匀沉降,季节性的温度、水位、水流方向的变化,也使桥梁产生有规律的变形,桥台和桥墩基础附近的河床冲刷,甚至可能造成毁桥事故;桥梁受日照强度和方向影响,温度高的一侧膨胀,产生不均匀变形;地层构造运动使地上或地下建筑物造成不同程度的破坏,桥梁震害主要反映在结构的各个部位。(2)与桥梁本身相联系的原因,动荷载和风力等。车辆动荷载和人群动荷载,本质上是强迫共振现象,桥梁结构振动影响桥面行车的舒适与安全,加大振动变形,甚至使桥梁完全破坏;此外,洪水、船舶、水中悬浮物、北方河中浮冰等等,都可能对桥墩产生撞击,而使桥梁产生局部变形。桥梁变形可分为静态变形和动态变形。静态变形通常是指在某一周期中变形监测结果的变形值,也就是说,它仅仅只是时间的函数。动态变形则是指在各种外力影响下所产生的变形,它是以外力为函数,表示动态系统对于时间的变化,其监测结果表示桥梁在某时刻的瞬时变形。桥梁结构在荷载和环境因素作用下产生的变形分成两类:一类变形称为整体变形,其能力可以概括出结构整个工作的总体面貌,所以,在所有桥梁监测项目中,整体变形通常是最基本的;同时,整体变形能够反映出结构的整体工作状况,如支座位移、转角、挠度等,桥梁不断地老化,其中桥梁挠度的变化表现最为突出。另一类变形称为局部变形,能反映出结构的局部工作状况,例如钢筋的滑动、纤维的变形、裂缝等。裂缝是最能表现老化(或缺陷)的特征,裂缝的方向、部位揭示了桥梁老化(或缺陷)的性质和部位。2.2 桥梁变形内容桥梁工程监测分为施工监测和运营监测。大跨度桥梁监测是桥梁施工和运营的重要组7成部分,不论何种类型的桥梁,其施工监测一般包括几何参数监测,主要为桥梁上部结构的扰度、线形、倾斜及下部结构的位移、沉降变形监测等,结构物理参数监测包括桥梁各部分的应力、应变、徐变、混凝土温度等参数的监测,环境参数监测包括有风力、风向、温度、地震、交通荷载等因素监测。通过监测,跟踪施工安全、运营状态和结构真实情况,修正设计参数,保证施工控制预测的可靠性,及时发现桥梁结构在施工中出现的超限参数( 如变形、截面应力等) 及结构破坏。2.3 桥梁变形的限值2.3.1 主梁挠度变形的限值对于桥梁的竖向挠度:由汽车荷载所引起的竖向挠度不应超过下表所允许值桥梁允许挠度值桥梁结构形式 允许挠度值 桥梁结构形式 允许挠度值简支或连续桁架简支或连续板桥L\800L\600梁的悬臂端悬索桥L1\600L\600注:L为桥梁的计算跨径 L1为梁桥的悬臂端长度2.3.2 墩台沉降变形限值规范规定桥梁的墩台沉降值不能超过下列限值(1) 桥梁墩台均匀总沉降值(不包括施工中的沉降)2.0√L(CM)(2) 相邻墩台总沉降值(不包括施工中的沉降)1.0√L(CM)(3) 墩台顶面水平位移值0.5√L(CM)注:L为相邻的桥梁墩台间最小的跨径长度,以M计2.4 设计方案在本设计中,采用 GPS 测量技术进行桥梁的变形监测,而不采用常规水准测量方法。由于常规的水准测量工作效率较低,观测周期较长,劳动强度较大,且误差容易积累,因而具有较低的经济效益。GPS 技术可以极大地降低测量人员劳动作业的强度,进一步减少野外人员的工作量,并在一定程度上提高了人们作业的效率与精度,因而是值得选用的一种有效方法。(1)进行实地考察,根据已知GPS控制点以及桥梁变形监测点分布情况,埋设标石,确定桥梁变形监测网(2)选择合适天气确定复测周期,合理安排测量工作对桥梁监测点进行桥梁变形监测数据的采集(3)利用采集的数据,以及第三方GPS高精度数据处理软件对外业采集的数据进行处理,分析数据(4)处理分析结果,公布监测结果3 桥梁变形监测网的布设原则3.1 桥梁变形监测网的布设特点变形监测网(简称变形网)布网的目的是为了测定各个网点间的变形,而网点之间的相对精度并非是主要的。由于变形网布网的目的不同,虽然系统误差对对工程控制网精度影响很大,但这对变形网的影响却并非是主要的,只要观测人员、观测仪器及观测条件等因8素都一样,在测定变形的过程中就能完全相互抵消,从而使测定的桥梁变形不会受到这些系统误差的影响。通常由变形监测过程中的需要来布设桥梁网点即为桥梁变形监测网的布网原则,举个例子,如果变形监测网网点是作为变形监测各观测点的工作基点,则应根据工作点的位置来确定工作基点的位置,再选择一个局部稳定点,或者应尽量把点设置在地质条件很好而且不会受到力的变化干扰的地方。而对于网点的视野,桥梁网点之间的相互关系并没有什么要求。变形监测网的图形相对比较复杂,多余的观测也会相对比较多。所以由于图形比较复杂,变形网通常采用间接的平差法进行平差。变形监测网如果没有已知的数据,则可以按照自由网来平差。变形监测网的精度很高,边则很短,而且在许多的情况下通常采用强制归心。变形监测网的边长通常在几百米,最多为 1km 左右,而且即使是专门用来监测地震的变形监测网的边长也大多数在 1 km 左右,但往往是采用最先进的仪器,或者按照国家一、二等精度要求进行观测。在监测过程中,桥梁变形监测网点应很好地利用原有的施工控制网,进行合理地剔除和加密。3.2 变形监测网的组成1. 对于大跨度桥梁,GPS 变形监测网通常由一个或若干个独立的观测环构成,以三角形和大地四边形组成的混合网的形式来布设.三维基准点应该均匀地分布在河岸的两侧,设置在岩土结构比较稳定的地方(最好是能直接嵌固在硬岩出露的天然岩石上),需要时则应该设置钻孑 L 式深埋标志.三维基准点应该设置强制归心观测墩,强制归心观测墩应可强制归心联结 GPS 接收天线、全站仪、反射棱镜,以方便全站仪的辅助观测。2. 变形监测基准点的实地选点工作相当重要,它直接关系到 GPS 观测的成果质量,在选点工作中应结合各个大桥的不同特点并严格按照有关规范的规定进行.一般来说,实地选点时要注意以下几点:(1) 为了减少卫星信号被障碍物遮挡,点位视场内障碍物的高度角不能超过 15。;(2) 点位的基础应易于长期保存,并做到坚实稳固,而且不能选在夏季容易被洪水淹没的地方;(3) 为了减弱多路径效应的影响,点位离江(河)要有一定的距离,并且附近不应有大面积的水域,;(4) 为了减少大桥通车时对 GPS 观测时和点位本身的影响,点位离大桥的最少距离应该在 200 米 以上;(5) 为了更好地避免电磁场对卫星信号的干扰,点位应该远离大功率无线电发射源(如微波站、电台、电视台等),其距离至少要再 200 ITI 以上,并且远离微波无线电和高压输电线的信号传输通道,其距离至少在 50 米以上,;(6)点位的数量根据桥型大小来决定,一般来说,在江(河)两岸桥梁的两侧至少各有一个点,大型桥梁的实地选点应该联测施工控制网的点或者国家已知点,还应适当增加点位的数量.3. 变形监测点:即变形点或是监测点,它们埋设在变形体上,与变形体构成一个整体,一起移动。要求最能代表变形体的变形情况,就桥梁而言,应埋设在主桥梁 L\2 L\4 L\8 处。9大型桥梁变形监测点4.桥梁平面基准网的埋石点位埋设至关重要,直接关系到点位的长期保存和利用,应特别注意埋石点的具体位置的确定,在有条件的地方,最好采用强制对中观测墩,采用钢筋混泥土浇筑,其上安装强制对中装置,强制对中误差可小于 5MM 以消弱多期观测误差的影响4 桥梁变形监测的数据采集对于主跨桥面等变形量较大的部位可采用动态 GPS—RTK 进行观测.而对于大跨度桥梁基础以及塔柱等变形量较小的部位,则通常采用高精度 GPS 相对静态观测。对设置在桥面工作基点的观测时段应该都安排在夜间进行作业,尽可能使其符合静态作业条件以提高观测精度,从而不必要在观测期间中断大桥上的交通,并且避开车辆通行干扰 GPS 接收机的信号接收和引起仪器的抖动。由于 GPS 静态测量法在进行等级控制时,需要对每个观测站点观测不少于 60 分钟,故此方法的的效率太低,从而便衍生了 GPS 快速静态测量法。GPS快速静态测量法通常都分为两种方法,一种为设置两个参考站,另一种为设置一个固定的参考站。设置一个参考站只需要两台仪器就可以进行测量,虽然这种方法能使测量速度变得很快,但是结果相对不精确,因为相对比较容易出现较大误差;而如果设置两个参考基站,至少需要三台仪器才能进行测量。虽然该方法测量的速度要比设置一个基站的速度慢一些,但是测量结果却相当精确,最后的数据也有所保障,所以一般推荐采用设置两个基站的方法进行静态测量。GPS 快速静态测量法只需要对每个观测站点观测 10 到 20 分钟左右,甚至更短的时间,就可以得出观测结果。同时,GPS 快速静态测量法的测量误差非常小,测量精度完全能够保证工程要求的精度,故可以满足工程对测量精度的要求。经相关研究后发现,GPS 快速静态测量法相对比较精确而且还很实用。具体操作方法:1. 实地了解测区情况 选点埋石是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的,因此,当负责 GPS 测量作业的队伍达到测区后,需要先对测区情况做一个详细的了解。主要是了解点位情况(点的位置、上点的难度等)、测区内的交通状况、测量人员安排等。2. 通过卫星状况进行预报 根据最新的卫星星历,以及测量区域的地理位置,对卫星状况进行预报,作为选择合适的观测时间段的一种依据。所需预报的卫星状况一般有随时间变化的 PDOP 值、可观测的卫星星座、卫星的可见性等。而有时对于一些有较大或较多障碍物的观测站点,需要把障碍物对 GPS 观测可能产生的不良影响进行评估。3. 确定作业方案 10根据测量作业的进展情况以及卫星状况来确定具体的操作方案,并以作业指令的形式将方案下达给各小组,作业方案的内容包括 GPS 观测的时间段、观测站、以及作业小组的分组情况等。4. 外业观测 各 GPS 观测小组应该地严格按照指挥员所下达的作业指令的要求进行外业观测。在外业中常见的情况有电源故障、不能按时开机和一起故障等。因此外业观测人员在进行外业观测时,除了严格按照作业指令,作业规范进行操作外,还要根据外业中一些特殊情况,灵活地采取相对应的措施。5. 数据传输与转储 在一段外业人员的外业观测结束后,应该及时地将外业观测数据输入到计算机中,并且根据工作要求进行观测数据的备份,在数据传输过程中需要对照外业观测的记录手册,检查所输入的记录是否有误,并根据条件及时进行数据的传输与转储。4.1 数据处理分析4.1.1 基线解算1.观测值的处理GPS 基线向量是各测站间的一种位置关系,各个测站之间的坐标增量。GPS 基线向量区别于常规测量的测量基线,GPS 基线向量具有三项属性;长度、水平方位 、垂直方位,而常规测量中的基线只有长度属性。GPS 同步观测的直接结果,以及进行 GPS 网平差,获取最终点位的观测值即是 GPS 基线向量。假设在某一历元当中,对 N 颗卫星数进行同步观测,就可以得到 N-1 个双差观测值;如果在整个同步观测时间段内同步观测卫星的总数为 l 则整周未知数的数量为 l-1。在进行基线解算时,未知参数并不包括电离层延迟和对流层延迟,一般是通过差分处理或模型改正等方法将它们消除。所以说,进行基线解算时,一般只含有两类参数,一类是测站的坐标参数 ,数量为 3;另一类是整周未知数参数 ( m 为同步观测的卫星数)1,3CX1,NX,数量为 。m2.基线解算基线结算的过程换句话说就是求数据平差的过程,一般平差中所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时,平差主要分三步,第一步,初始平差,得出基线向量的实数解和整周未知数参数(浮动解);第二步,固定,未知数固定成整数;第三步,将确定的整周数作为已知数来适用,待定的测站坐标当作未知参数,再一次进行平差过程,求解出基线向量的终解-整数解(固定解)。(1)初始平差根据双差观测值(线性化)的观测方程,得出误差方程后,然后组成法方程后,求解待定的未知参数其精度信息,其结果为:待定参数: NCX待定参数的协因数阵: ,NCNXXQ
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