GPS在桥梁变形监测中的应用文档格式.docx

GPS在桥梁变形监测中的应用文档格式.docx

《GPS在桥梁变形监测中的应用文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS在桥梁变形监测中的应用文档格式.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

桥梁变形监测方法研究

——GPS在桥梁变形监测中的应用

课题来源

自选

课题类型

X

导师

学生姓名

学号

20100110170213

专业

测绘工程

开题报告内容：

1、研究内容及意义

随着我国国民经济建设的迅猛发展，交通事业随之蒸蒸日上，作为交通设施的一个重要关节——桥梁更是放在了建设的前沿。

本文正是就GPS这新型的空间测绘技术在桥梁变形监测中的应用做一个研究。

首先要了解的是桥梁变形的特点及监测内容，介绍变形监测方法，以及GPS技术和其他变形方法的优缺点对比，重点是结合实例讲解GPS变形监测网的布设，GPS监测获得的形变数据的处理方法研究，对桥梁变形信息的提取和分析以及国内外该领域的一些较为前沿分析变形的技术的研究，探讨未来GPS在桥梁变形监测中的研究热点。

研究GPS在桥梁变形监测中的应用，建立GPS动态变形监测系统，对GPS监测数据的处理方法的研究，获得桥梁变形的几何分析，同时让我们更好地理解桥梁变形的机理，正确地做出变形的物理解释；

建立健康的桥梁变形预报系统，以便及时地发现问题，防微杜渐，及时采取相关措施，不让桥梁坍塌事故再次伤害人民的生命财产安全。

国内外现状（文献综述）

GPS技术的发展正引领着测绘领域的一场技术变革。

GPS作为一种全新的技术以其全天候检测，无需通视，三维信息，精度高等优点已渗透在测绘的各个领域，逐步取代了常规的测量方法。

GPS于20世纪80年代以来，从静态定位到动态定位，从单点定位到广域差分，数据处理从事后处理到实时定位，精度从m级cm级到mm级亚mm级，目前,动态差分定位技术实现了实时导航和定位功能,高精密定位的相对精度相当高,比传统大地测量精度提高了3个量级，从而大大拓宽了GPS的应用范围，使其为本身要求高精度的大型桥梁变形监测成为了可能。

3、参考文献

[1]李青岳，陈永奇.工程测量学.[M]第三版.北京.测绘出版社.2008（8）:

266～375.

[2]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理.[M]第二版.武汉大学出版社.2010（9）.

[3]陈永奇，吴子安，吴中如.变形监测分析与预报.[M]北京出版社.1998

（2）.

[4]胡友健，梁新美，许成功.论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J]测绘科学.2006,31（5）:

155～157.

[5]何秀凤，贾东振，刘志平.基于GPS一机多天线的大型桥梁动态变形监测[J]河海大学学报.2011,39

（1）:

44～48.

[6]陈亮，黄腾.基于灰色关联分析的卡尔曼滤波在桥梁变形监测中的应用[J]测绘工程.2010（8）,19（4）:

47～49

[7]邱东伟，苏浩源.大跨径桥梁GPS平面控制网的布设.[J]测绘工程，2004（10）

[8]泸汉蓉铁路湖北有限责任公司.武汉天兴洲公铁两用长江大桥工程建设总结.[M]北京.中国铁道出版社.2011.

[9]李传君，王庆，刘元清等.GPS在润扬大桥悬索桥挠度变形观测中的应用.[J]工程勘察.2010（3）：

65~68.

[10]吴迪军.GPS在现在桥梁工程测量中的应用综述.[J]铁道勘察2006

（2）：

1～3.

[11]董学智，李胜，李爱民.变形监测技术在桥梁监测中的应用.[J]测绘通报2012

（2），35

（1）：

13～15

[12]肖海威，秦亮军，刘洋.广州新光大桥变形监测控制网试验.[J]测绘工程2010（10），19（5）：

71～74.

[13]邹国斌.GPS技术在变形观测中的应用.[J]江西建材勘察与测绘.2013，2.

[14]赵正林.有关GPS在桥梁变形监测中的应用.[J].黑龙江科技信息.2012，13.

[15]刘学江，邹贵武.GPS在变形监测中的应用.[J].太原科技.2008,8.

方法及预期目的：

方法：

查阅书籍及相关文献资料，请教导师，同学间探讨，自己概括总结分析。

预期目的：

阐述GPS技术理论和其在桥梁变形监测的应用方法，以及其应用的优点和发展的广阔前景。

指导教师签名：

日期：

桥梁变形监测技术研究

专业：

测绘工程学号：

学生姓名：

指导老师：

摘要

我国当今各类大型桥梁如雨后春笋般涌现，但建成后缺少必要的变形监测，导致桥梁垮塌事故时有发生，所以为了减少事故发生，桥梁的变形检测技术必须要跟上。

而随着变形监测技术发展，监测方法越来越多，其中GPS技术的快速发展以其优势成为桥梁变形观测的重要方法并被广泛应用，现如今精密静态相对定位的精度相对传统大地测量提高了三个量级，并且GPS动态差分定位技术的发展与完善使得监测结果可靠度高，使得GPS在桥梁变形监测中应用成为了现实，并且近些几年来国内外很多桥梁都已安装GPS实时动态监测系统。

本文就GPS技术在桥梁变形监测中的应用做为研究对象，首先介绍了桥梁变形的原因和特点，根据变形的特点来说一下变形监测内容以及桥梁变形监测点位的布设。

接着对比介绍了桥梁变形监测方法，主要描述GPS应用于变形监测的优势，分析GPS技术应用变形监测的可行性。

在以上基础上，重点介绍了GPS应用于桥梁变形监测的模式，GPS实时动态监测系统的实现，GPS一机多天线技术的简单介绍，还有了解GPSensor软件，列举了几种GPS观测数据的处理和分析的方法，最后对GPS的应用前景做个总结。

关键词：

桥梁变形监测；

GPS；

桥梁实时动态监测系统；

GPSensor软件

GPSapplicationinbridgedeformationmonitoring

Abstract

TodayallkindsoflargeBridgeshavesprungupinourcountry,soinordertoreduceaccidents,mustkeepupwiththedeformationofthebridgedetectiontechnology.Withthedevelopmentofdeformationmonitoringtechnology,moreandmoremonitoringmethods,therearetraditionalgeodeticsurveymethod,andspecialdeformationmonitoringmeans,orusingGPSmeasurementtechnologyspace.DuetotherapiddevelopmentofGPStechnologyandwithitsall-weather,highprecision,the3dinformationacquisitionandtheadvantagesoftheautomaticobservationhasbecomeanimportantmethodandlargedeformationobservationofBridgesarewidelyused.Nowadaysprecisionstaticrelativepositioningrelativetotraditionalgeodeticmethodimprovestheaccuracyofthreeordersofmagnitude,andthedevelopmentofdynamicdifferentialGPSpositioningtechnologyandimprovethespeedisbreathtaking,especiallyGPS-RTKtechnologymatureandhighsamplingrateforthedevelopmentofGPSreceiver,thedynamiccharacteristicsoflargebridgemonitoringhasshownitsuniqueadvantages,highreliabilityofmonitoringresults,maketheGPSapplicationinthebridgedeformationmonitoringhasbecomeareality,andinrecentyears,somelargeBridgeshaveinstalledGPSreal-timedynamicmonitoringsystem.

Thisnewtypeofspaceinthispaper,theGPSsurveyingandmappingtechnologyintheapplicationofbridgedeformationmonitoringastheresearchobject,firstintroducedthecontentofthebridgedeformationmonitoring,andthenthebridgeGPSdeformationdetectionmethodandcomparedwithothermethods,andthenintroducetheprincipleofGPSapplicationinthebridgedeformationmonitoringandpatterns,andcutting-edgeGPSmulti-antennatechnologyinone,andthenintroducestheGPSreal-timedynamicmonitoringsystemandGPSensorsystem,thensumsupsomeGPSdataprocessingmethod,finallydiscussesthefutureapplicationprospectsofGPSdeformationmonitoringinbridge.

Keywords：

BridgeDeformationMonitoring；

BridgeReal-timeDynamicMonitoringSystem；

GPSensorSoftware

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2研究内容及其意义2

1.3国内外研究现状2

第二章桥梁变形观测4

2.1桥梁变形监测概述4

2.1.1桥梁结构和其变形的原因4

2.1.2桥梁变形监测的意义5

2.1.3桥梁变形监测的内容5

2.1.4桥梁变形监测点位布置5

2.1.5桥梁变形监测的特点7

2.2桥梁变形监测技术8

2.2.1各类变形监测方法8

2.2.2GPS技术与其他监测方法对比9

第三章GPS桥梁变形监测11

3.1GPS桥梁变形监测原理和误差11

3.1.1载波相位测量11

3.1.2GPS-RTK12

3.1.3GPS变形监测的误差来源及其影响12

3.2GPS应用于变形监测的模式13

3.3GPS一机多天线技术14

3.4GPS桥梁实时动态监测系统16

3.5GPSensor系统18

3.6GPS桥梁监测网的技术设计19

3.7GPS变形观测数据处理20

3.7.1GPS数据预处理及质量检核20

3.7.2GPS监测数据处理20

3.7.3GPS变形监测数据处理方法的现状21

第四章结论与展望23

致谢24

参考文献25

第一章绪论

1.1引言

改革开放以来我国城市建设步伐加快，各个城市地区间的经济文化往来愈发频繁，由此带动了我国的交通业迅猛发展，而作为交通设施的重要组成的一环——桥梁，其建设理论越来越完善、技术方法越来越先进，以满足桥梁发展的需要。

一九五七年第一座武汉长江大桥的全线通车使我们看到其重要的经济和战略意义。

据交通运输部门预计，五年后我国规划建成的桥梁大概有二十万座。

中国已然成为一个有着世界先进建设水平的桥梁大国，现如今我国各类大型桥梁如雨后春笋般涌现，并且功能性也越来越强大，大大缓解了城市公路过江能力的不足，减轻了航运的压力，并且减少了城市拆迁量，节省了工程投资，对促进我国交通运输业和城市农村建设的发展都具有十分重要的意义。

但由于大型桥梁本身结构较为复杂，所以必须重视由此带来的桥梁的施工和运营安全等方面问题，这也是桥梁工程领域必须面对的问题。

桥梁建成后不仅会受到诸多自然因素，如风力、温度等的影响；

还会受到人为因素影响，如车辆行驶过程的动态荷载，桥梁结构必然发生变形，这就需要控制在一定范围内，也就是桥梁有个承载的极限问题。

如若运营过程中桥梁的变形量不超过它本身能承载的范围，便可以保持其正常运营，而一旦超过了这个范围，必然会发生极为重大的灾难。

尤其最近几年过多大型桥梁的兴建，由于缺少必要的形变监测，施工质量问题也不能得到保障，导致众多大型桥梁都发生事故。

就拿最近在2013年2月1日上午我国连霍高速公路三门峡渑池段的义昌大桥发生坍塌来说，实在是令人痛恨，由于主干桥塌，桥面断裂，导致多人死亡。

还有江苏省常州市的运河大桥在2007年发生了因一辆载重货车经过而导致桥梁不停的明显晃动最后坍塌事故等等。

国外著名的坍塌事故如1916年加拿大因设计缺陷导致大桥垮塌，还有2007年密西西比河上的一座大型桥梁的突然垮塌事件，也造成数十人死亡。

以上都是国内外在由于某些原因导致桥梁变形坍塌的惨痛教训，而要杜绝此类事故重演就除了在施工阶段认真负责外，在其运营方面我们一定要做好桥梁变形监测，并且做好预警预报工作，为桥梁的健康运营保驾护航。

桥梁变形监测技术现在大致有三个方面，最早的是常规的大地测量方法，比较熟悉；

现在还可使用专门的手段监测，这类方式较为陌生，如倾斜测量、应变测量和液体静力水准测量等；

或者使用如GPS测量、InSAR技术之类的空间测量技术。

而GPS技术的迅猛发展以其全天候、高精度、三维信息和易于实现自动观测等优势为大型桥梁的变形观测注入新鲜血液，并被广泛应用。

1.2研究内容及其意义

GPS在桥梁变形监测中最终目的就是通过分析监测数据而获得桥梁的变形几何分析，并作出正确合理的物理解释，让我们更好地理解桥梁变形的原因，然后再建立起准确的桥梁变形预报系统，以便及时地发现问题，提出解决决策。

做到防微杜渐，及时采取相关措施，不让桥梁坍塌事故再次伤害我们的生命财产安全。

1.3国内外研究现状

GPS技术快速发展正在桥梁变形监测领域引发一次技术变革。

GPS技术发展三十多年了，不管是从定位模式数据处理模式还是应用范围都变化很多，动态定位取代了静态定位，差分定位取代了单点定位，数据处理也从事后到实时，精度更是越来越小，现已经可达到亚mm级，所以可以用于做桥梁变形监测。

不同的监测模式用不同的GPS定位方法，一般讲的变形监测模式就是周期性监测和连续性监测，前者已趋于成熟。

连续性变形监测顾名思义就是对桥梁的监测频率很高，高到数据的密集程度就是一连续的曲线，这种监测模式可采用动态定位，也可以采取静态定位的方式。

现如今精密静态相对定位的精度相对传统大地测量提高了三个量级，并且GPS动态差分定位技术的发展与完善使得监测结果可靠度高，使得GPS在桥梁变形监测中应用成为了现实，并且近些几年来国内外很多著名的桥梁都已安装GPS实时动态监测系统。

桥梁变形监测最终就是要监测过后的形变分析，整个监测过程最重要的核心部分莫过于数据的处理方法了，由于监测所获得的是大量重复观测监测点的数据序列，这些数据既包含着我们需要的变形信息，同时也包含着我们不需要的误差，对于我们不需要的误差就要剔除，所以数据处理的本质就是如何从大量的观测数据中将变形信息分离出去，这也即变形信息提取，目前通常是是用Kalman滤波进行处理，后面会提到。

GPS数据处理分为两步，第一步是对预处理后的GPS监测数据所得到的同步观测网的基线解算，第二步就是对各个GPS观测网的平差和分析。

数据处理分析过程是通过各种变形监测软件来实现的，我们现今大多采用的是BERNESE和GAMIT/GLOBK软件，利用的是美国IGS精密星历。

对于GPS网平差，我国还有两个较有名气的软件，TG-PPS静态定位后处理软件和GPSADJ系列平差处理软件，它们平差的数据都是经过基线解算处理后的，并且平差后得到的三维GPS网，易于后期变形分析。

从GPS开始应用于桥梁变形监测到现在已取得许多试验研究成果，但如果桥梁建造于山涧间，由于四面都是山坡，卫星信号不易接收，并且会存在相当严重的多路径效应，像这种类似的地方有很多，碰到这些地方，几乎无法用GPS进行观测，所以此时GPS监测结果不可用于变性分析，换句话说就是可靠性很差。

就算在观测条件很好的地方，GPS技术在垂直位移的监测方面精度较水平位移监测要低两倍不止。

目前对于GPS动态基线解算方法就是整周模糊度的动态解算，即OTF法，但该方法精度只能达到cm级别，并不能满足高精度的桥梁动态监测的需要[1]。

正是GPS技术现今存在上述某些不足之处，所以它无法独自在变形监测领域独领风骚，有时必须将所有监测方法的优势集中，采用由GPS、GIS、RS组合而成的技术构成桥梁监测综合系统,并且采用GPS与其它观测技术相结合的应用也是十分可观的。

总而言之，随着GPS技术的发展，将其应用于桥梁变形监测，使各类大型桥梁纷纷建立高精度GPS实时桥梁变形监测网的阶段将会在不久的将来实现。

第二章桥梁变形观测

2.1桥梁变形监测概述

桥梁变形监测就是指用测量的原理和方法对桥梁监测点进行观测，通过监测得到的数据分析桥梁随时间变化的变形几何特性。

变形监测的原则总结下就是六个字，先进、经济和可靠；

这些原则就是我们选择何种变形监测方式的指向标，同时也能确定对变形监测的精度密度等技术参数要求。

2.1.1桥梁结构和其变形的原因

我们要想了解有关桥梁变形监测的诸多内容，首先就要知道什么原因能导致桥梁变形，这也是我们做桥梁监测的目的之一。

通过确定引起这些变形的原因并对桥梁监测数据进行处理、分析，然后建立与之匹配的数学模型，从而可对桥梁变形可能出现的大小、规律、趋势进行预测，提供一个科学正确的管理桥梁的依据。

桥梁变形的原因主要无非是有以下三个，首先是自然条件及其变化，由于桥墩所处的地理位置，桥墩的工程地质和水文地质条件，还有气候的变化，桥身荷载物的压力等都会使桥墩产生不均匀沉陷，并且使桥跨结构产生变形。

然后再是桥梁自身的设计不合理导致的形变问题，由于桥梁结构决定了桥梁的通行荷载能力和对过往车辆速度的要求，所以如果桥身的荷载超过桥梁设计的荷载，那么这对桥身本来就是一个伤害，会加快桥梁的变形，使桥梁的变形超出预计范围。

故而在设计桥梁通行能力的问题上一定要严格要求，不可马虎。

再者就是施工运营阶段人为施工维护本身工作做得不好，人为施工往往决定着桥梁的形变厉害程度，运营管理不好同样也是桥梁变形的主要原因。

所以做好桥梁的形变观测工作就是为桥梁的健康打上一剂强心剂。

随着桥梁设计水平和施工技术的提高，桥梁样式繁多，结构复杂，向着高端大跨度的方向发展。

导致在桥梁的施工过程中变形监测显得十分必要，不仅如此，在桥梁建成运营后，其维护工作也是离不开变形监测。

而要做到很好的监测，就必须了解现代桥梁的结构、受力和变形特点。

接下来简单的介绍一下桥梁的构成：

简单来说就是上下部结构，外加一些附属设施。

1.桥跨结构：

一般意义上的桥身，它承受着桥面车辆的运动荷载，并将此荷载以及桥身自重传给墩台。

2.桥台和桥墩：

桥台就是分布在桥梁两端与路堤连接的一个过渡的结构，十分重要。

桥墩就是我们看到的支撑桥面的桥跨结构。

基础是将桥梁结构的反作用力传递到地基承担桥墩和桥台传下来的全部荷载的媒介结构。

3.其他附属设施：

包括排水系统、伸缩缝、锥形护坡、导流堤等。

桥梁的主要类型有：

梁式桥（主梁受弯）拱式桥（主拱受压）刚架桥（构件受弯压）吊桥（钢缆受拉），斜拉桥（由斜拉锁、塔柱、主梁、及桥墩桥台组成）一般大型桥梁都是组合式的桥梁，把各种桥式的优点发挥到最大。

一般大型桥梁特点是柔性梁，而且整个桥梁的跨度较大，像斜拉桥等有主塔的塔柱一般都是几百米高；

我们就要根据桥梁的结构受力变化进行动态监测，这对分析变形的原因有一定的帮助。

桥梁从监测目的出发一般可以分成整体和局部的变形，前者就是体现了桥梁的整体工况，比如桥梁的挠度；

另一类为桥梁的局部变形，变形能反映桥梁某一部分的工况，如裂缝、钢筋的松动等。

2.1.2桥梁变形监测的意义

一方面通过变形观测取得的数据资料可监测桥梁的运营状态，检查桥跨结构的稳定性，及时发现并解决问题，以及建立正确的预报方法，真正做到防微杜渐。

另一方面通过变形监测能更好的理解桥梁的变形原因，也可以为未来其他类似桥梁设计提供变形监测的资料。

2.1.3桥梁变形监测的内容

根据《公路技术养护规范》对桥梁变形监测内容做了规定，由于现代大型桥梁大多都具有主塔较高，桥梁跨度较大，而且由于桥梁不一定都是直线型，所以主梁采用柔性梁，根据这些特点可确定桥梁变形观测的主要内容：

桥墩和桥台沉陷观测、主梁水平位移监测、桥面挠度观测、主塔塔柱摆动观测，除了上述观测内容还要对为上述不同的测量项目所建立的水平监测网与垂直沉陷基准网进行观测。

2.1.4桥梁变形监测点位布置

在对于桥型不同的GPS变形监测，点位的布设肯定也不同，但监测点布设位置和数量的确定都是万变不离其宗，总的布设原则是:

（1）通过模拟桥梁的施工计算，了解桥梁的结构和最易变形的位置，这是监测点选取的依据；

（2）为了便于分析，点的布设尽量关于桥梁是对称的；

（3）必要时了解其设计意图，就更容易确定监测点的布设位置；

（4）应与桥梁的具体受力情况进行统筹分析再行布设。

下面根据桥梁变形监测的内容和点位的布设原则来可进行监测点布置：

1、桥墩观测点布置

桥墩的观测目的就是对其进行沉降监测，这种点位的选择一般布置在桥墩上方相应桥面位置。

2、挠度观测点布置

挠度的变形表现出来是桥轴线竖向方向的曲线，这类监测点一般布设在主梁上，这儿变形应该是