人造卫星定位系统在桥梁结构健康监测
2015-07-09
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。图1显示青马管制区内的青马大桥、汲水门大桥和订九大桥的地理位置。
二、 GPS监测范围和目的[1,2]
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（见图2至8），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。
GPS接收器备有24个卫星跟踪通道，以双频（LI及L2）同步跟踪测量12颗GPS卫星的伪距与全波长的载波相位；GPS监测系统以划一的高速度采样率，利用27组的GPS测量仪同步进行定点位移测量，以每秒10次的点位更新率提供独立三维RTK实时的点位解算结果，高精度点位输出的时间延迟小于0.05秒，令到GPS信号的同步接收、RTK厘米级点位数据输出，光纤网络传输、数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在2秒内完成，提供实时位移监测。另方面，GPS监测系统可以在无人值守的情况下进行24小时作业，配合可调校的数据备份系统，将贮存的GPS位移数据与其他现存的桥梁监测数据加以整合，再作多样化的结构分析和评估；利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料，及选定时段的桥梁整体位移变化资料，来改进桥梁结构健康检测和评估工作。
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（见图3）。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（见图9至11）。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（见图12至14）。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（见图15至20）。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（见图8），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（见图8），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（见图6），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
GPS监测系统是一组不停运作的实时监测系统，当悬吊体系桥梁遇上恶劣天气和运作环境时，GPS监测系统所得的数据更为宝贵，故此对数据传输的稳定性和可靠性都有较高要求。GPS信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤网络（见图3）。由于光纤不受电磁波干扰，在恶劣作业环境下，如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等，光纤通讯网络仍能维持高水平的数据传输质素和速度，先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号，让维修人员即时知道通讯网络出现问题的位置，确保系统工作效率。信息收集总控制站设于青衣行政大楼，在每座桥上均设有一组网络接驳站，用以汇集各处GPS定位测量站的数据传输分支网络。联接总控制站与接驳站的光纤网络使用单模光纤，最长距离约3km；而联接定位测量站与接驳站的分支光纤网络则使用多模光纤，最长距离约l.3km。每组GPS测量仪需要三条非同步串列传输管道（Async Serial Channel）操作，这三条管道分别用作资料收集、差分改正信息传送及遥距监控，而每条管道传输速度达 19 200Baud。光纤传输速度能力高，一条多模光纤已能取代多条传统的铜蕊资料传输电线。GPS信号从多模光纤传送至网络接驳站后，即被汇集成更高频信号，由更高质素的单模光纤传输至信息收集总控制站，使原本需要百余条钢资料传输电线的传统通讯网络简化为每座桥只需一条单模光纤的光纤通讯网络，大大改进了网络的操作效率和养护维修工作。
4．GPS信息处理的运作
从27个GPS定点测量仪输出的GPS大地坐标经纬数据，分别以每秒10个的采样率透过光纤网络信息收集系统同步传送至信息处理和分析系统。信息处理和分析系统安装于青衣行政大楼的桥梁监察室内，由两台电脑工作站组成（见图4）：（1）第一台为运作工作站（GPS-OWS），用作信息和图像处理，以活动图像实时显示初步的桥身和塔顶三轴向位移动态，及运算桥身扭转振动的幅度（见图15及18），同时以时程数据形式显示各定点的度量位移（见图16，17，19及20），GPS一OWS亦负责系统运作和控制，用作监察GPS测量仪和光纤通讯网络的运作状况，当系统出现问题或位移数超出预设极值时，这系统会发出警号和红色灯号，提醒系统管理员。（2）第二台为分析工作站（GPS-AWS），将经过初步处理和分析的信息进行结构分析和评估，并用作进阶图像处理和执行图输入蹦出工作。这两组电脑工作站均与现存的"桥监系统’充脑系统联系在一起，供数据整台之用。表1及表2列出了这两台工作站的主要硬件和操作软件，在需要的情况下，GPS-AWS操作系统作为后备工作站以维持正常运作。
四、桥架结构侵康检测和评估的应用[1,2]
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。
GPS监测系统对大桥整体结构的位移监测，可更直接改进"桥监系统"的一般检测和评估工作，例如：（1）报告大桥整体结构的位移从而反映其工作环境和荷载的变化；（2）进一步分析运算主要构件的实际内力分布，例如主悬索缆、纵向主梁等；（3）验证不寻常荷载记录，例如台风、地震、超重交通荷载或被车船撞击事故等；（4）从而推算大桥主要构件有否损坏或累积性的损坏；（5）推算大桥的承载能力及论证设计施工假设和参数的有效性；（6）为大桥营运和维修决策者提供大桥超载的警告信息。
五、桥梁整体性营运状态监测【1，2】
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
对一般大跨度桥梁而言，交通挤塞是交通（车辆）荷载的主要设计考虑因素，而大桥的交通荷载长度（Loaded Lengths）设计是基于：（1）每天交通挤塞形成的次数；（2）交通挤塞发生的位置，持续时间和车辆的分布模式；（3）交通挤塞时的交通流量等假设。测量和论证交通荷载设计假设和参数的有效性，是大桥交通荷载监测的主要项目。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，可与"桥监系统"的交通荷载及分布状况的监测资料互相验证，协助进一步制定桥梁结构的各级应力阶段，并用作大桥主要构件的疲劳估算。
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。
致谢
对路政署署长允许本文的发表和刊登，本文作者特向他致以谢意，并特此声名，本文的任何见解和结论，只代表本文作者的个人意见而且。
