摘要：香港特別行政區(qū)政府路政署最近采用人造衛(wèi)星定位技術(shù)，應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，借以增強(qiáng)和改進(jìn)青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作，這人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Podtioning System or GPS）主要用作量度三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔瞬間位移，和推算其相應(yīng)的導(dǎo)量（截面中線）位移及各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀況。GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括：GPS測(cè)量?jī)x，接駁站，信息收集總控制站，光纖網(wǎng)絡(luò)，GPS電腦系統(tǒng)及顯示器等。本文主要介紹路政署于奇馬管制區(qū)內(nèi)所安裝的GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并論述有關(guān)GPS信息在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，如風(fēng)力效應(yīng)監(jiān)測(cè)、溫度效應(yīng)監(jiān)測(cè)、交通荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)和各主要構(gòu)件的應(yīng)力監(jiān)測(cè)等。
關(guān)鍵詞：人造衛(wèi)星定位系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)健康 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)評(píng)估 懸吊體系橋梁
一、引言
大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營運(yùn)狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。普遍大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于導(dǎo)量位移。任何索塔和主梁軸線偏高于設(shè)計(jì)軸線，都直接影響大橋的承載能力和構(gòu)件的內(nèi)力分布。目前香港的三座懸吊體系橋梁，均設(shè)有橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱"橋監(jiān)系統(tǒng)"。用以監(jiān)測(cè)大橋在營運(yùn)期間的結(jié)構(gòu)健康變化，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估。雖然大橋主梁及索塔軸線監(jiān)測(cè)已包括在大橋每年一次的大地測(cè)量范圍內(nèi)，可是現(xiàn)存的"橋監(jiān)系統(tǒng)"還未能對(duì)大橋主梁和索塔軸線作實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。鑒于近年人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System or GPS）的實(shí)時(shí)位移測(cè)量精度有顯著的提升（垂直面誤差約20mm，而水平面差誤約10mm），因此香港特別行政區(qū)政府路政署引進(jìn)GPS技術(shù)用作監(jiān)測(cè)大橋主梁及索塔軸線，提供全橋整體的度量位移。路政署在擬定橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和評(píng)估項(xiàng)目的過程中，亦曾考慮其他測(cè)量技術(shù)方案，如運(yùn)用紅外光線和激光科技，可是這些技術(shù)均需要一定視野清晰度，故在現(xiàn)階段仍未適合在惡劣天氣下操作。
二、 GPS監(jiān)測(cè)范圍和目的[1,2]
在上述三座懸吊體系橋梁上本已設(shè)置傳統(tǒng)的傳感器來測(cè)量橋身的位移狀況。包括在橋身兩端的位移儀用作量度橋身的縱向位移，及高精度加速儀用作量度橋身的垂直和橫向加速度。高頻率的加速數(shù)據(jù)經(jīng)過二次積分運(yùn)算后只能提供局部振幅的導(dǎo)量，未能準(zhǔn)確地運(yùn)算橋身整體的擺動(dòng)幅度，這是因?yàn)闃蛏碚w的慣性偏移速度較緩慢，加速儀不能準(zhǔn)確測(cè)量；另一方面，在監(jiān)測(cè)橋身固溫度變化而產(chǎn)生的相應(yīng)位移時(shí)，雖然另設(shè)有一組創(chuàng)新設(shè)計(jì)的水平儀系統(tǒng)來直接量度橋身的垂直位移，但由于這系統(tǒng)是利用液壓原理運(yùn)作，鑒于液體的慣性限制，系統(tǒng)只能以每秒一數(shù)據(jù)的采樣率來提供位移信息，未能錄取瞬間的振幅，錯(cuò)過了一些較大的瞬間振幅，因而數(shù)據(jù)難免有誤差。以往路政署曾考慮應(yīng)用GPS技術(shù)在懸吊體系橋梁監(jiān)測(cè)上。經(jīng)過近年在青馬大橋上安排的多次實(shí)地測(cè)試為驗(yàn)證及改進(jìn)精度，最后決定在"橋監(jiān)系統(tǒng)"中增設(shè)備有RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量功能的GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，直接量度橋梁的獨(dú)立三維實(shí)時(shí)位移，增強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可靠度。現(xiàn)時(shí)GPS系統(tǒng)安裝工程已接近完成階段、數(shù)據(jù)收集會(huì)在竣工后立即開始。這GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用作度量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬時(shí)位移，以及推算其相應(yīng)的導(dǎo)量（截面中線）位移及各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。
三、GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介[3]
1．GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概要
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由四組系統(tǒng)組成，通過固定光纖綱絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)而進(jìn)行運(yùn)作。這四個(gè)系統(tǒng)分別是：（l）GPS測(cè)量系統(tǒng)；（2）信息收集系統(tǒng)；（3）信息處理和分析系統(tǒng)；（4）系統(tǒng)運(yùn)作和控制系統(tǒng)。其硬件包括：GPS測(cè)量?jī)x（其中包括GPS天線和GPS接收器），接駁站，信息收集總控制站，光纖網(wǎng)絡(luò)，GPS電腦系統(tǒng)，顯示屏幕等。
GPS接收器備有24個(gè)衛(wèi)星跟蹤通道，以雙頻（LI及L2）同步跟蹤測(cè)量12顆GPS衛(wèi)星的偽距與全波長(zhǎng)的載波相位；GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以劃一的高速度采樣率，利用27組的GPS測(cè)量?jī)x同步進(jìn)行定點(diǎn)位移測(cè)量，以每秒10次的點(diǎn)位更新率提供獨(dú)立三維RTK實(shí)時(shí)的點(diǎn)位解算結(jié)果，高精度點(diǎn)位輸出的時(shí)間延遲小于0.05秒，令到GPS信號(hào)的同步接收、RTK厘米級(jí)點(diǎn)位數(shù)據(jù)輸出，光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)及圖像處理及橋梁位移圖像屏幕顯示之過程都在2秒內(nèi)完成，提供實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)。另方面，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在無人值守的情況下進(jìn)行24小時(shí)作業(yè)，配合可調(diào)校的數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，將貯存的GPS位移數(shù)據(jù)與其他現(xiàn)存的橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以整合，再作多樣化的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估；利用大橋主梁及索塔軸線的整體變化周期和幅度資料，及選定時(shí)段的橋梁整體位移變化資料，來改進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和評(píng)估工作。
2．GPS定點(diǎn)測(cè)量
GPS測(cè)量?jī)x的定點(diǎn)測(cè)量位置主要安裝在橋身的兩旁和橋塔的頂端，在三座橋上總共有27個(gè)定點(diǎn)測(cè)量位置。GPS測(cè)量?jī)x的選位配合現(xiàn)存位于跨中的加速儀。在青馬大橋橋面上共裝有四對(duì)GPS測(cè)量?jī)x，主懸索纜有一對(duì)。另外在汲水門大橋橋面及訂九大橋橋面上分別裝有一對(duì)及兩對(duì)GPS測(cè)量?jī)x。除了提供每秒10個(gè)的定點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更能運(yùn)算橋身主軸線的三維瞬間位移，和橋身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的時(shí)程數(shù)據(jù)。同樣，從塔頂?shù)狞c(diǎn)位解算結(jié)果，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能運(yùn)算出汀九大橋單腳塔頂?shù)奈灰疲土硗鈨勺鶚蛑p腳塔頂?shù)膫€(gè)別位移。經(jīng)數(shù)據(jù)及圖像處理后，信息屏幕可顯示全橋?qū)崟r(shí)擺動(dòng)的活動(dòng)圖像。現(xiàn)時(shí)路政署采用GPS接收器的定位延遲誤差為0.03秒，突破早期GPS定位數(shù)據(jù)與實(shí)際點(diǎn)位不能完全一致的難題，這技術(shù)可應(yīng)用于速度不均的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，
足夠應(yīng)付高速度實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)的基本要求。
GPS接收器采用抗電磁干擾金屬外殼密閉封裝，并加上振動(dòng)隔離裝置，進(jìn)一步減除振動(dòng)操作環(huán)境對(duì)GPS設(shè)備的影響，加強(qiáng)其抗震性能。在橋上的GPS定點(diǎn)測(cè)量位置均采用精密微帶天線，為減低對(duì)人造衛(wèi)星信號(hào)接收的障礙，所有天線的安裝高度須維持水平15度以上的無屏障朝天范圍，及避免頻繁的雙層和高身車輛在使用慢線行車道時(shí)形成的障礙。位于貯物大樓房頂?shù)幕鶞?zhǔn)站則采用扼流圈環(huán)狀天線，進(jìn)一步減少多路徑效應(yīng)對(duì)定位測(cè)量的影響，確保不斷發(fā)送至定點(diǎn)測(cè)量站的差分改正信息準(zhǔn)確無誤。基本上GPS測(cè)量?jī)x在出廠后毋須定期校對(duì)，從而減省養(yǎng)護(hù)工作。
3．GPS信息傳輸系統(tǒng)
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一組不停運(yùn)作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)懸吊體系橋梁遇上惡劣天氣和運(yùn)作環(huán)境時(shí)，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得的數(shù)據(jù)更為寶貴，故此對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性都有較高要求。GPS信息傳輸系統(tǒng)采用了高效率和高穩(wěn)定性的光纖網(wǎng)絡(luò)。由于光纖不受電磁波干擾，在惡劣作業(yè)環(huán)境下，如雷暴、高壓電流的電磁場(chǎng)影響、強(qiáng)風(fēng)等，光纖通訊網(wǎng)絡(luò)仍能維持高水平的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)素和速度，先進(jìn)的光纖收發(fā)儀器更能偵測(cè)光纖網(wǎng)絡(luò)信息的中斷并發(fā)出警號(hào)，讓維修人員即時(shí)知道通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題的位置，確保系統(tǒng)工作效率。信息收集總控制站設(shè)于青衣行政大樓，在每座橋上均設(shè)有一組網(wǎng)絡(luò)接駁站，用以匯集各處GPS定位測(cè)量站的數(shù)據(jù)傳輸分支網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)接總控制站與接駁站的光纖網(wǎng)絡(luò)使用單模光纖，最長(zhǎng)距離約3km；而聯(lián)接定位測(cè)量站與接駁站的分支光纖網(wǎng)絡(luò)則使用多模光纖，最長(zhǎng)距離約l.3km。每組GPS測(cè)量?jī)x需要三條非同步串列傳輸管道（Async Serial Channel）操作，這三條管道分別用作資料收集、差分改正信息傳送及遙距監(jiān)控，而每條管道傳輸速度達(dá) 19 200Baud。光纖傳輸速度能力高，一條多模光纖已能取代多條傳統(tǒng)的銅蕊資料傳輸電線。GPS信號(hào)從多模光纖傳送至網(wǎng)絡(luò)接駁站后，即被匯集成更高頻信號(hào)，由更高質(zhì)素的單模光纖傳輸至信息收集總控制站，使原本需要百余條鋼資料傳輸電線的傳統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為每座橋只需一條單模光纖的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，大大改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的操作效率和養(yǎng)護(hù)維修工作。
4．GPS信息處理的運(yùn)作
從27個(gè)GPS定點(diǎn)測(cè)量?jī)x輸出的GPS大地坐標(biāo)經(jīng)緯數(shù)據(jù)，分別以每秒10個(gè)的采樣率透過光纖網(wǎng)絡(luò)信息收集系統(tǒng)同步傳送至信息處理和分析系統(tǒng)。信息處理和分析系統(tǒng)安裝于青衣行政大樓的橋梁監(jiān)察室內(nèi)，由兩臺(tái)電腦工作站組成：（1）第一臺(tái)為運(yùn)作工作站（GPS-OWS），用作信息和圖像處理，以活動(dòng)圖像實(shí)時(shí)顯示初步的橋身和塔頂三軸向位移動(dòng)態(tài)，及運(yùn)算橋身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度，同時(shí)以時(shí)程數(shù)據(jù)形式顯示各定點(diǎn)的度量位移，GPS一OWS亦負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)作和控制，用作監(jiān)察GPS測(cè)量?jī)x和光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作狀況，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題或位移數(shù)超出預(yù)設(shè)極值時(shí)，這系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警號(hào)和紅色燈號(hào)，提醒系統(tǒng)管理員。（2）第二臺(tái)為分析工作站（GPS-AWS），將經(jīng)過初步處理和分析的信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估，并用作進(jìn)階圖像處理和執(zhí)行圖輸入蹦出工作。這兩組電腦工作站均與現(xiàn)存的"橋監(jiān)系統(tǒng)'充腦系統(tǒng)聯(lián)系在一起，供數(shù)據(jù)整臺(tái)之用。表1及表2列出了這兩臺(tái)工作站的主要硬件和操作軟件，在需要的情況下，GPS-AWS操作系統(tǒng)作為后備工作站以維持正常運(yùn)作。
四、橋架結(jié)構(gòu)侵康檢測(cè)和評(píng)估的應(yīng)用[1,2]
GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為"橋監(jiān)系統(tǒng)"中的一個(gè)新增設(shè)施，其主要作用為直接測(cè)量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬間度量位移，并推算其截面中線相應(yīng)的導(dǎo)量位移，繼而再配合其他結(jié)構(gòu)分析軟件來評(píng)估各相應(yīng)主要構(gòu)件的應(yīng)力狀況。目前"橋監(jiān)系統(tǒng)"對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的評(píng)估有三大方面，分別為承載能力、營運(yùn)狀態(tài)和耐久能力。承載能力是有關(guān)大橋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性能等，其評(píng)估目的是要找出大橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備，以避<
