GPS技术在桥梁动态监测中的应用
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南京林业大学
《土木工程概论》课程论文
题 目：
GPS、可视化技术在悬索桥动态监
测中的应用
学 院：土木工程学院
专 业：测绘工程专业
学 号：120604124
学生姓名： 张晓华
二O一四年11月2日
GPS、可视化技术在悬索桥动态监测中的应用
摘要： 悬索桥结构动态监测是通过对桥梁的主缆，主塔，加劲梁、吊索等关键
部位进行连续实时监测,以监测桥梁在环境风载、温度变化和车辆载荷激励下的
震动影响,为评估桥梁的承载能力、营运状态和耐久能力提供有价值的信息。
关键词：变形监测 GPS 可视化
前言：随着经济的进步和科技的发展，测量仪器的改进，测绘技术的演化，变形
监测的方法也发生了很大的改变。当前大型桥梁的建设越来越多，规模越来越大，
新旧更新的加快，使得大型桥梁的变形监测工作更为繁重，意义也更为重要。而
传统的大桥变形监测工作采用的仪器与监测方案，已经跟不上当前形势的发展需
要，因此我们需要利用更先进的仪器与技术来实行桥梁的动态监测。
一、下面主要介绍悬索桥的结构构造和受力特点
悬索桥是由主缆、主塔、加劲梁、吊索、锚碇等构成的组合体系。恒载作用
下,主缆、主塔承受结构自重,加劲梁受力由施工方法而定。成桥后,主缆和加劲
梁共同承受外荷载作用,受力按刚度分配。
1）主缆的受力特征
主缆是结构体系中的主要承重构件,其形状直接影响到整个体系的受力分配和变
形。主缆是几何可变体,主要承受张力。它可通过自身几何形状的改变来影响体
系平衡,具有大位移的力学特征,这是区别于一般结构的重要特征之一。此外主缆
在恒载作用下具有很大的初始张拉力,使主缆维持一定的几何形状。初始张拉力
对后续结构形状提供强大的重力刚度,这是悬索桥跨径得以不断增大,加劲梁高
跨比得以减小的根本原因。
2）主塔的受力特征
主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件,在外荷载作用下,以轴向受压为主,
并应尽量使外荷载在主塔中产生的弯曲内力减小,以减小混凝土桥塔由于徐变带
来的塔型改变,增加结构抵抗外载的能力。
3）加劲梁的受力特征
加劲梁是悬索桥保证车辆行驶、提供结构刚度的二次结构,主要承受弯曲内力。
由悬索桥施工方法可知,加劲梁的弯曲内力主要来自二期恒载和活载。
4）吊索的受力特征
吊索是将外荷载传递到主缆的传力构件,是联系加劲梁和主缆的纽带,承受轴向
拉力。吊索内恒载初始张力的大小,既决定了主缆在成桥状态的真实索形,也决定
了加劲梁的恒载弯矩,是研究悬索桥内力状态的关键。
悬索桥图示
二、
桥梁变形监测内容
桥梁监测内容应根据变形体的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，
既要有重点，又要做全面考虑，以便能正确地反映出变形体的变化情况，达到监
视变形体的安全、了解其变化规律的目的。
(1)桥梁墩台沉陷观测：与一般桥梁墩台沉陷观测要求相似，其目的是测定桥墩
以及他们之间的沉陷；
(2)桥面线形与沉陷观测：大跨度桥梁斜拉段的桥面线形与索力大小和桥面荷载
分布有关，通过索力调整可以改变桥面的线形；对于非斜拉段，通过桥面沉陷观
测了解砼连续梁或砼连续刚构梁的挠度；
(3)主梁横向水平位移观测：由于大跨度桥梁的斜拉段在索力作用下处于空间悬
浮状态，为了了解在各种荷载作用下主粱的摆动情况，有必要进行主梁的水平位
移观测；
(4)高塔柱摆动观测：高塔柱通过斜拉索支承了主粱上的全部荷载，包括静荷载
和各种动荷载，测定高塔柱摆动的目的主要在于了解桥面动荷载分布不均匀时，
塔柱的变化规律、摆动幅度；
(5)水平位移与沉陷基准观测：为进行上述的各项观测，必须在两岸建立相应的
观测基准，即水平位移基准网和高程基准网。为统一两岸的高程基准，还必须进
行过扛水平测量。
三、
GPS技术的数据采集
在桥梁监测的诸多参数中,位移和形变是桥梁的重要参数,桥梁的线型在不
同因素的激励和影响下会发生变化,通过测量桥梁的动态三维位移,可以实时了
解桥梁的线型状况和变化规律。过去常常采用位移传感器、加速计和全站仪等仪
器来测定桥梁动态位移,尽管能达到一定的目的,但也存在难以有效获得桥梁的
整体震动、受气候条件的限制、跟踪目标困难、不能实时和同步测定不同监测点
位移等问题。
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。GPS的应用给测量技术带来了一场
深刻的革命。近年来，我国在利用GPS进行滑坡、桥梁、高层建筑、大坝变形、
矿区地面沉陷和地壳形变监测方面，做了大量的工作。GPS变形测量具有如下优
点：精度较高，在基线长度大于10h时，其相对精度可达到610～710；测
量不受天气条件限制，可进行全天候观测；测量、记录、计算全自动完成，确保
了测量成果的客观性和可靠性，同时大大减小了测量人员的工作强度；测量点之
间不需要通视，选点不受地形的限制；测量点的三维坐标可以同时测定；其建网
费用约为常规大地测量技术建网费用的1／6～1／3。
此外GPS技术在精度、采样率、灵敏度、可靠性以及硬软件上的发展和完善，
为GPS在变形测量领域广泛应用提供了可靠的保证。采用卫星定位系统，利用接
收导航卫星载波相位进行实时相位差分，即RTK技术监测大桥位移，具有可以实
时、连续和全天候观测特点。其实时定位精度平面可达10mm，高程可达20mm。
目前，GPS开始广泛用于各种变形检测项目中。GPS连续大桥的实时变形监测已
经开始应用。如下图是GPS在虎门大桥中的应用系统框图。
虎门大桥GPS连续监测系统框图
虎门大桥GPS观测点的安装位置GPS监测站分别布设在虎门大桥桥面上。
其中桥面上布设12个GPS监测点，在桥面的中点、四分之一、八分之一处两侧
对称安置两个监测点，在东西桥塔的塔上横梁中点处各安置一个监测点。在以上
格位置均装有天线安装座、电缆、光缆及电源。一期工程在桥面中点、桥面以东
四分之一及桥面以东八分之一处安装6台GPS接收机，在东桥塔上横梁中点安装
1台GPS接收机，共7个GPS监测站。图1实线标出的位置即为一期安装的GPS
监测站的位置。
另外，在香港青马大桥也进行了悬索桥风载振动监测实验，横向振动的周期、纵
向位移的随机变化表明，测试结果和设计计算值符合得比较好。实测位移量与加
速度计积分结果的初步比较表明，两者结果基本上一致“1，表明了GPS用于桥
梁动态变形监测的可行性。
四、科学计算可视化
可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中产生的数据及
计算结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它
的主要功能是从复杂的数据中产生图形图像，并可以分析和理解存入计算机的图
形图像数据。它使许多抽象的、难以理解的原理、规律和过程变得更加容易理解。
在桥梁结构的实时监测系统中，监测数据可视化可以清楚的反映出桥梁结构
的动态变化情况。通常对不同情况的监测结果采用不同的可视化方法，例如监测
点在三维方向上的位移曲线、温度与位移的关系图、温度与载荷的关系图等。此
外，就长的悬索桥而言，桥梁甲板在垂直方向上的实时位移对分析桥梁变化与载
荷的关系是十分有效的。
通过将采集的数据运用计算机分析处理，我们可以得一系列的点状分布图，
运用测量平差，我们可以得到比较准确的数学函数关系式。在桥梁的动态模型中，
运用函数关系式，我们便可以得到清晰地桥梁动态变化图，从而直观的看到桥梁
的各种形象的变化。此外，应用虚拟现实和三维可视化仿真技术为桥梁的监测提
供了全程的动态可视化虚拟现实模型和动画。
结论：
通过GPS以及传感技术对桥梁的位移、温度及载荷的动态监测，人们可以获
得大量的动态变化数据，经过计算机技术的分析处理以及科学计算可视化的显示，
我们可以清晰的观察到桥梁的变化过程，从而建立桥梁的动态变化曲线，得到桥
梁的动态变化模型。我们不再是被动地得到计算结果，而是可以通过改变参数，
观察影响，得到预测的实验结果，从而做好预防措施，避免重大的事故伤亡。
参考文献
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