苏ICP备112451047180号-6
摘要：大跨径桥梁跨越宽度日渐变大，尤其当桥梁使用运营一定年限后，设计和施工时的缺陷开始逐渐暴露，长期累积的结构疲劳和损伤将可能危及桥梁的基本安全。一个处在正常运营状态的大跨径桥梁，它的蠕动变形的幅值是比较小的，而且变化也是比较慢的。运用GNSS-RTK技术受定位精度的限制，不能够完完全全满足大跨径桥梁高精度变形监测，针对该缺陷尝试采用GPS/BDS观测数据的连续静态模式检测大跨径桥梁动态变形，并且以苏通大桥为例子进行了主桥外部变形监测的试验。分别对GPS单系统与GPS/BDS组合系统进行了数据处置剖析，不同年度的检测结果表明了该模式用于桥梁短期动态变形高精度检测以及结构长期趋势性变化分析是有效的，而且能实现自动处处理。
关键词：大跨径桥梁；动态变形监测；GPS;BDS;GNSS
全球卫星导航定位系统(GNSS)，目前泛指美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo及中国的BDS。目前建立的GNSS变形监控在线实时分析系统广泛应用于大坝、大型桥梁、高层建(构)筑物、滑坡和地区性地壳变形监测。北斗卫星导航系统（BDS）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。综合北斗/GNSS系统用于桥梁监测，将进一步改善GNSS观测的卫星几何构形，提升桥梁变形监测的精度可靠性。尤其在国际政治环境发生重大变化时，可以摆脱对国外导航定位系统的依赖，保证大桥监测的持续有效性。BDS独有的GEO 静止轨道卫星设计，具备卫星仰角高、抗遮挡能力强，在当前大跨径桥梁交通状况日益复杂的环境下，更利于获得连续的定位结果。但目前的卫星定位系统在进行定位测量时，不论是测码伪距绝对定位还是测相伪距绝对定位，由于卫星星历误差、接收机钟与卫星钟同步差、大气折射误差等各种误差的影响，导致定位精度较低。
如今的大型桥梁例如斜拉桥和悬索桥具备着跨越的能力强、技术很先进、既经济又实用等一系列的特点，在跨江河（海）以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，它的损伤识别与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的年限后，长期积累起来的结构疲劳与损伤将可能影响桥梁运营基本安全。
桥梁的动态变形分为两类永久变形和可恢复短期动态变形，永久变形是基础沉降。索力松弛及结构断裂等，可恢复性短期动态变形是荷载，温度，风力，环境因素变化等。在桥梁设计的阶段它所承受的最大的交通量,最大风力等这些载荷基本上都是先前就假设完成的,在桥梁运营时期遭到交通负载,温度和风力的变动,构造其功能退步,地震船只撞击等,这些时长都是和事先假定的内容不一致,有的时分桥梁在实际中的载荷是超过了事先已经假设好的最大载荷,，因为这些要素的影响，发生动态变形，为了保障大桥再建完后可以安全的运转，更加快速掌握大桥的健康状况，避免出现严重灾难的后果，这就必需对桥梁进行较长时间的健康监测，对结构动态特性进行测定，来进行检验实际测得的数值和理论上设计的数值之间的偏差程度。才能保证桥梁的安全运营。桥梁在运营期间由于这一系列的影响产生的动态变形一般可以分为两类：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。针对大跨径桥梁外部变形监测，传统的检测工具有精密水准仪；全站仪等仪；位移传感器；加速度计和激光干涉仪等，对于结构比较稳定的连续刚构、桥墩与索塔基础等的监测具有优势，定位精度达到厘米甚至毫米，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。这些措施都有必然的功效，但存在很多没有做好的地方，比方说加速度计对于高频动静的测定比较精确，但是关于桥梁因为温度得变更等要素引起来的徐缓的位移和暴风的影响下的大位移就无能为力了；激光干涉仪，全站仪，精密水准仪受天气影响相比而言重大一些，并且他们的采样率也很难到达动态测量的要求；此外，这些监测伎俩存在着各各测点之间很难做到同步的问题，从而在后续的桥梁共性的剖析变得艰难。对于主桥桥面和索塔等，受到环境因素的变化影响，会产生明显的持续动态三维变形。传统办法观测周期长、任务量重大，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出因为时间不同步、环境因素变化影响。摄影测量与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。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，在桥梁连续短期动态监测中应用仍存在困难。尚且难以用于桥梁周日动态变形监测。传统的大地测量的方法对于结构比较稳定，变形尺度小的现需干沟桥墩与索塔基础等的监测具有精度优势，主桥钢箱梁桥面和索塔相对大尺度连续动态变化。 目前，国内外很多大跨径桥梁的健康监测与诊断系统，一般在桥梁关键部位布设GNSS（Global Navigation Satellite System）监测点，使用实时动态定位（Real Time Kinematic, RTK）技术实现全年连续三维位移监测。RTK定位的平面精度一般约为1~2、高程精度约为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。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了结果分析。
1.检测点布设与监测基准
1.1苏通大桥概况
江苏长江公路大桥，简称为苏通大桥，位于江苏省东部的南通市与苏州市之间的一座大桥，从西边到江阴桥82公里，从扬子江到大海以东108公里。它是国家公路沈海高速的过江重要枢纽。也是江苏省公路骨架重要的过江节点。是世界上首座主跨径打破千米的斜拉桥。大桥全长8.146 km，由引桥、主桥和辅桥等三局部组成；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，迄今为止已运营十年。近年来，大桥交通量逐年增大，尤其在节假日期间交通流量远远超出设计范围。在这样的现状下，定期全面掌握主桥整体变形的情况，为了桥梁结构的安全分析和判断提供了第一手资料尤其重要。苏通大桥的建成是我国建桥史上工程规模最大，综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程。
1.2监测点布设
根据苏通大桥主桥构造特性，在主桥上共设置监测点12个，这些点分别设置在大桥的南端（S1、S2）、南端 1/4 跨（P1、P2）、跨中间（M1、M2）、北端的1/4 跨（Q1、Q2）、4 北端（N1、N2）、南塔（NT）、北塔（BT）。同一个监测断面上面与下面对称的形式来设置，具体点位如下图1-1所示。GNSS 天线固连在桥体构件上，可确保有 10°以上地平高度角的卫星通视。本次监测采用双基准站策略，选取苏通大桥的平面控制网点 ST02 作为主基准站，ST06 作为辅基准站，这样设置成双基准站可以确保监测成果的可靠性。ST02 和 ST06点位 10°以上地平高度角周围明显遮挡、地质较为稳定、远离电磁波干扰源等条件。苏通大桥主桥GNSS 基准点及监测点布设平面图如图1-2所示。
NSS天线安装置
在各GNSS基准点及监测点安置GNSS接收机及天线，满足如下要求：采用
可同时接收BDS/GPS/GLONASS 信号的测量型GNSS 接收机；适当增加天线高度，
尽可能地保证10°以上地平高度角信号的良好通视性，以避免频繁周跳，削弱多路径效应误差；采用稳定性较高的三脚架，以减弱交通流量、桥面风力对天线稳定性的影响。基准站 ST02、ST06、主跨的跨中及南北索塔接收机的数据采样率设置为1 s，桥面其他监测点位采样率均设置为10 s，卫星截止高度角为10。
1.4监测基准
监测基准与2014年所采用的一致。苏通大桥GNSS平面控制网点在ITRF2008框架下2014-09-28 历元的坐标，如表2所示：
表2苏通大桥 GNSS平面控制点ITRF2008坐标
点名
X ITRF2008坐标
Y
Z
备注
ST02
ST06
ST01
ST03
ST04
ST05 -2794804.514
-2795871.714
-2793572.666
-2792560.125
-2793801.98
-2794583.576 4653464.849
4652917.618
4650468.576
4651124.554
4653965.686
4649775.05 3337682.456
3337552.765
3342852.718
3342786.424
3337822.444
3342969.547 主基准站
铺基准站
2.监测数据处理与坐标转换
2.1监测坐标系
为保持苏通大桥GNSS监测成果的连续性，仍沿用2014年所建立的监测坐标
系。由于GNSS解算结果的坐标是基于ITRF2008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，苏通大
桥“桥轴坐标系”可表示如下：x 轴为桥纵轴方向、y 轴桥横轴方向。由于 ITRF
与WGS-84坐标系一致性较好，对于各GNSS监测点的高程变化，直接采用WGS-84椭球下的大地高。在解算出各GNSS监测点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)。
2.2 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三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。
2.3数据处理与坐标转换
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）采用北京54（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)54:
（4-1）
其中，为卯酉圈曲率半径，e为参考椭球的第一偏心率，切 ， 。
（2）以BJ54椭球为基准，选定中央子午线120°59′将得到的(B,L,H)54投影为
平面格网坐标；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 平面坐标系” :
（4）
转换采用的公共点为ST02、ST03、ST04、ST05，验证点为ST01、ST06，求得转换残差分别如表3所示。从表3可以看出，采用4个苏通大桥平面控制网点,作为公共点，平面坐标转换残差及验证点残差均为mm 级。由上述方法得到的平 面格网坐标与STB平面坐标转换参数如表4所示
表3苏通大桥坐标系GNSS控制点平面坐标
点名 ITRF2008坐标/m STB平面坐标/m 残差/mm
X Y Z x y dx dy 备注
ST02 -2794804.514 4653464.849 3337682.456 3515101.775 500405.4371 0.4 -2.9 转换点
ST03 -2792560.088 4651124.472 3342786.391 3521105.719 499686.1214 5.4 -0.6 转换点
ST04 -2793802.029 4653965.693 3337822.457 3515266.453 499288.1658 -2.1 3.0 转换点
ST05 -2794583.571 4649775.040 3342969.531 3521322.06 502115.5559 -4.3 -2.4 转换点
ST01 -2793572.551 4650468.374 3342852.571 3521183.704 500891.8724 -2.9 -1.7 验证点
ST06 -2795871.694 4652917.604 3337552.754 3514949.263 501602.0592 4.6 -2.7 验证点
表4平面格网坐标与STB平面坐标转换参数
转换参数 值
平移
x0 56.0249 m
y0 -107.9475 m
旋转 0°00′02.31178″
尺度 m -0.000016963
(3)按照(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，二者间的旋转角通过P001与Q001两点的“STB平面坐标”反算坐标方位角得到，即
β=9°34′19.0754815771″。于是，各GNSS监测点的坐标“STB 平面坐标”可通过下式转为“大桥桥轴坐标”。
（4-3）
需要说明的，2016年在进行坐标转换时，对参数的旋转方向进一步优化调整调整后的大桥桥轴坐标更能反映主桥纵横轴向变化。与2014、2015年比,2016年的大桥桥轴坐标系下的基准坐标对应进行调整。
(4)采用WGS84椭球参数，按式（4-1）可以将各监测点的ITRF2008框架下的空间直角坐标ITRF2008(X,Y,Z)转换为大地高H,用于分析各监测点的高程变化。
2.4监测结果分析
将2017年09月28日08:00~9月30日8:00主桥各GNSS监测点外业数据与基准站ST02、ST04数据每10min作为一个时段，分别解算基准站与各监测点构成的基线，并且把不合格基线剔除掉，仅保留基线固定解；然后，由基准站坐标结合基线解算成果推求各监测点的ITRF2008坐标。为保证监测成果的可靠性，取基准站ST02、ST04推求的监测点坐标平均值作为监测点的ITRF2008坐标成果，然后可按2.3节所述方法转化为“大桥桥轴坐标”。
为分析方便起见，将各监测点坐标值均扣除所选择的基准值，以利于反映监测点随时间的变化幅值。用于绘制位移形变图的监测基准值选择仍采用 2014 年的基准值，具体为：对于桥轴纵、横向位置基准，选择2014年9月28日8:00~9:00平均位置作为基准；对于大地高基准，则取所有观测时段的大地高均值作为基准值。通过对比各点位2017年与2014年、2016年的位置，可同时反映期间各关键点位位置是否出现显著位移。