人造卫星定位系统在桥梁结构(1)

摘要：香港特别行政区政府路政署最近采用人造卫星定位技术，应用于桥梁结构健康监测系统，借以增强和改进青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的结构健康监测工作，这人造卫星定位系统（Global Podtioning System or GPS）主要用作量度三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔瞬间位移，和推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状况。GPS监测系统是一套实时监测系统，它包括：GPS测量仪，接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS电脑系统及显示器等。本文主要介绍路政署于奇马管制区内所安装的GPS监测系统，并论述有关GPS信息在桥梁结构健康监测中的应用，如风力效应监测、温度效应监测、交通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等。

关键词：人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评估 悬吊体系桥梁

一、引言

大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。普遍大桥的结构设计是基于导量位移。任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线，都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港的三座悬吊体系桥梁，均设有桥梁结构健康监测系统，简称"桥监系统"。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化，继而进行结构评估。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内，可是现存的"桥监系统"还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统（Global Positioning System or GPS）的实时位移测量精度有显著的提升（垂直面误差约20mm，而水平面差误约10mm），因此香港特别行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线，提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中，亦曾考虑其他测量技术方案，如运用红外光线和激光科技，可是这些技术均需要一定视野清晰度，故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。

在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。包括在桥身两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移，及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速度。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量，未能准确地运算桥身整体的摆动幅度，这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢，加速仪不能准确测量；另一方面，在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时，虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位移，但由于这系统是利用液压原理运作，鉴于液体的惯性限制，系统只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息，未能录取瞬间的振幅，错过了一些较大的瞬间振幅，因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度，最后决定在"桥监系统"中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统，直接量度桥梁的独立三维实时位移，增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时GPS系统安装工程已接近完成阶段、数据收集会在竣工后立即开始。这GPS监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移，以及推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状态。

三、GPS监测系统简介[3]

1．GPS监测系统概要

GPS监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤纲络传输数据而进行运作。这四个系统分别是：（l）GPS测量系统；

（2）信息收集系统；

（3）信息处理和分析系统；

（4）系统运作和控制系统。其硬件包括：GPS测量仪（其中包括GPS天线和GPS接收器），接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS电脑系统，显示屏幕等。

2．GPS定点测量

GPS测量仪的定点测量位置主要安装在桥身的两旁和桥塔的顶端，在三座桥上总共有27个定点测量位置。GPS测量仪的选位配合现存位于跨中的加速仪。在青马大桥桥面上共装有四对GPS测量仪，主悬索缆有一对。另外在汲水门大桥桥面及订九大桥桥面上分别装有一对及两对GPS测量仪。除了提供每秒10个的定点实时测量，GPS监测系统更能运算桥身主轴线的三维瞬间位移，和桥身扭转振动的时程数据。同样，从塔顶的点位解算结果，GPS监测系统能运算出汀九大桥单脚塔顶的位移，和另外两座桥之双脚塔顶的个别位移。经数据及图像处理后，信息屏幕可显示全桥实时摆动的活动图像。现时路政署采用GPS接收器的定位延迟误差为0.03秒，突破早期GPS定位数据与实际点位不能完全一致的难题，这技术可应用于速度不均的运动状态，

足够应付高速度实时位移监测的基本要求。

GPS接收器采用抗电磁干扰金属外壳密闭封装，并加上振动隔离装置，进一步减除振动操作环境对GPS设备的影响，加强其抗震性能。在桥上的GPS定点测量位置均采用精密微带天线，为减低对人造卫星信号接收的障碍，所有天线的安装高度须维持水平15度以上的无屏障朝天范围，及避免频繁的双层和高身车辆在使用慢线行车道时形成的障碍。位于贮物大楼房顶的基准站则采用扼流圈环状天线，进一步减少多路径效应对定位测量的影响，确保不断发送至定点测量站的差分改正信息准确无误。基本上GPS测量仪在出厂后毋须定期校对，从而减省养护工作。

3．GPS信息传输系统

4．GPS信息处理的运作

GPS监测系统为"桥监系统"中的一个新增设施，其主要作用为直接测量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬间度量位移，并推算其截面中线相应的导量位移，继而再配合其他结构分析软件来评估各相应主要构件的应力状况。目前"桥监系统"对大桥结构的评估有三大方面，分别为承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备，以避免桥梁发生灾难性的损毁。营运状态则与大桥结构或其构件在日常荷载下的变形。裂缝、振动等有关，其评估结果有助于安排合适的定期养护维修，而这类评估亦较为重要。耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。

1．风力效应监测

大桥设计中所进行的抗风能力分析和风洞测试，是基于一所离开大桥桥址较远的气象站所收集到的风结构资料。由于桥址和气象站所处的位置有高度上的和地形上的差别，再加上悬吊体系桥梁对风振有较大的反应，因此测量大桥桥址的风结构和论证大桥的抗风设计假设和参数的有效性，成为大桥抗风振监测的主要部分。配合"桥监系统"的风速、风向监测，利用从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料，可对大桥进行风力效应监测及结构的抗风振验算复核；测量特定风速的持续周期，用以检测桥梁的涡激共振的平均持续周期。另外，亦会与在桥身中同步测量的加速仪数据互相验证，确定大桥结构的抗风振的效应。

2．温度效应监测

由于温度变化是与太阳辐射强度、材料热能散发率、环境温度及风速风向等因素有关，因此大桥的温度参数的极值不能从个别因素去推论。监测大桥环境温度和桥梁结构上温度的分布状况，可用作推算大桥的有效桥梁温度和差别温度的极值，此为大桥温度荷载监测的主要部分。GPS监测系统长时间监测大桥整体结构的位移变化，可引证因环境温度而引发的日夜和季节性的位移变化周期，例如主悬索缆的垂直位移。桥身的纵向、横向及垂直位移，与相应的塔顶的横向及垂直位移等，再与"桥监系统"的结构有效温度和差别温度的极值互相验证，增强大桥整体温度荷载监测的可靠性。

3．交通荷载效应监测

4．铁路荷载效应监测

对青马大桥和汲水门大桥而言，铁路机车的荷载亦成为另一主要的设计考虑因素。青马大桥和汲水门大桥的铁路路轨承台是由纵向工字钢梁承托的，铁路机车荷载从纵向工字钢梁传到大桥桥身的加劲梁构件，再分布到其内的横向框架上。由于"桥监系统"中没有传感器能直接测量铁路机车在大桥上所产生的荷载，因此，只能通过安装在大桥中跨的纵向工字钢梁上的应变仪，进行铁路荷载的监测，绘制相应的感应线来推算单一机车车盘的荷载，再进一步推算整列车的荷载。同样地，GPS监测系统得出的桥身、塔顶住悬索缆的三轴向位移资料，可作进一步验证结构应力与位移的相互关系系数。

5．大桥钢索索力的监测

大桥的钢索索力状态是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标志。利用GPS监测系统的青马大桥主悬索缆得出的三轴向位移资料，运用有关的素力公式去推算钢索承受的拉力，定期监测钢索索力的状况，并进一步分析桥身和主悬索缆的应力分布相互关系。

6．大桥主要构件应力监测

大桥的结构设计普遍上是基于导量位移，任何索塔和主梁轴线偏离于设计轴线，都会影向大桥的承载能力和构件的内力分布，结构评估工作先从GPS监测系统得出的桥身截面中线度量位移，将其输入其模拟桥身等效刚度的鱼骨结构分析电脑模型，藉矩阵运算，得出全桥整体的内力分布；再利用局部的结构分析模型来模拟桥身的主要构件，再推算出主要构件的个别应力状况。在恒载和交通荷载作用下，大桥主梁与各构件有着不同的内力分布，通过"桥监系统"对主要构件部位进行的应力监测，整台GPS位移数据对相应构件的应力推算，不仅能多方面验证各构件的应力和位移相互关系，从而为评估大桥的承载能力、营运状态及耐久能力提供更有力的依据；此外还能通过监测应力或位移的变异来侦查大桥结构有否损坏或潜在损坏的状态。

六、结论

近年人造卫星定位系统提供的实时位移测量精度有显著的提升，将此测量技术应用于直接量度桥梁整体的三维位移，直接监测大桥主跨梁及索塔轴线的位移变化，配合结构分析模型来模拟桥身主要构件的内力状况，可增强桥梁结构健康监测和评估的可靠度，并侦查大桥结构有否潜在损坏的危机，提高养护维修工作的效率和效果。