毕业论文--GPS在桥梁变形监测中的应用

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1、龙岩学院龙岩学院 资源工程学院毕业论文资源工程学院毕业论文 题 目： GPS 在桥梁变形监测中的应用 专 业： 测绘工程 班 级： 0 8 级测绘班 学 号： 姓 名： 指导教师： 职称： 助教 资源工程学院资源工程学院 2 开题报告开题报告 2012 年 4 月 6 日 论文（设计）题目：GPS 测量在桥梁变形监测中的应用 姓名年级2008 级所在院系资源工程学院 专业测绘工程指导教师 开展本课题的意义及工作内容： 背景：随着经济建设和交通事业的不断发展，全国越来越多的地方出现了大跨度的 桥梁，桥梁的安全问题变的尤为突出，同样的针对桥梁变形的测量也越来越多样化。 现状：桥梁的变形监测主要包括

2、的是桥梁的墩台的沉降，主桥梁的挠度监测，以及 横向变形监测，主要利用的全站仪，精密水准仪，激光干涉仪等对桥梁进行监测。GPS 的发展在测量中应用尤为突出，但是在变形监测中，由于精度要求很高，一时间 GPS 在变形中的作用不是特别突出 意义：随着科技的不断进步、发展，GPS 测量得到更加广泛的应用，精度也得到不 断的改进，随着一起的改进以及平差软件的发展，GPS 技术已经能广泛的应用于变形监 测项目，弥补了传统仪器在测变形监测方面的多种不足 主要工作内容：本文从传统变形监测测量技术的优缺点，GPS 技术的发展历程，以 及 GPS 测量技术的基本原理分析 GPS 在变形监测中的具体操作，同时通过分

3、析 GPS 测 量技术在桥梁变形监测点数据处理，以及精度分析。目前，传统变形测量仪器测量仪器 使用已经非常普遍，但是仍然存在缺点与不足，GPS 技术的出现，在一定程度上，弥补 了多方面的不足。 总体安排及进度： 1、4 月 05 日4 月 13 日 收集相关论文材料，在老师的指导下确定题目，并完成开题报告。 2、4 月 13 日4 月 20 日 根本个人情况，可以修改论文题目。确定指导老师。 3、4 月 21 日5 月 04 日 整理分析收集的相关论文材料，列出论文提纲，开始着手论文写作。 4、5 月 05 日5 月 20 日 完成论文内容，形成初稿，上交给指导老师。 5、5 月 21 日5

4、月 31 日 根据老师的指导对论文进行修改和完善，并最终完成论文正稿。 课题预期达到的效果： GPS 技术可以克服传统的桥梁结构监测方法的缺点，测定位移值的精度可以达到厘 米级（RTK）甚至毫米级（相对静态）的精度。GPS 可以实时的得到变形点的三维坐标， 特别是可以同时同步得到多点的坐标，大大减少了外界造成的测量误差，同时数据采集 方便，可实现实时性，自动化管理。因此可较好的应用于大型桥梁的安全管理上，实例 证明，GPS 在桥梁的变形监测中具有很广阔的前景。 指导教师意见： 签名： 3 资源工程学院 08 级测绘工程 【摘要摘要】本文阐述了传统仪器在变形测量中的诸多不足之处，同时基于 GPS

5、 在测量方面的多方优点，分 析论述了 GPS 在桥梁变形监测中的应用，以及数据采集和处理方法。包括监测过程中 GPS 基准点和变形 监测点的布设，观测精度与观测周期的技术要求，以及变形观测完成后数据的粗差剔除和精度评定，同时 通过实例证明分析了这种测量方法的可行性，GPS 在桥梁中的变形监测将成为建立桥梁监测系统的重要 手段和方法 【关键词关键词】GPS 技术 桥梁变形 变形监测 监测网 目录目录 1 1 绪论绪论 .6 1.1 传统变形测量6 4 1.2 课题研究的意义6 1.2.1 GPS 技术发展现状.6 1.2.2 GPS 应用测量的优势.7 1.3 课题研究的内容7 在桥梁变形监测中

6、的应用在桥梁变形监测中的应用 .7 2.1 桥梁变形概述.7 2.2 桥梁变形内容8 2.3 桥梁变形的限值8 2.3.1 主梁挠度变形的限值8 2.3.2 墩台沉降变形限值.8 2.4 设计方案.8 3 3 桥梁变形监测网的布设原则桥梁变形监测网的布设原则 8 3.1 桥梁变形监测网的布设特点.8 3.2 变形监测网的组成9 4 4 桥梁变形监测的数据采集桥梁变形监测的数据采集 .10 4.1 数据处理分析11 4.1.1 基线解算11 4.1.2 基线解算的质量控制12 4.1.3 GPS 基线向量网平差.13 4.1.4 GPS 数据处理过程.14 致谢语致谢语 .16 参考文献参考文献

7、 .17 1 绪论 随着经济建设和交通事业的我国不断发展，全国越来越多的地方出现了大跨度的桥梁， 5 桥梁的安全问题变的尤为突出，与此同时，针对桥梁变形的测量也越来越多样化。 桥梁的变形监测主要包括有桥梁的墩台的沉降，主桥梁的挠度监测，以及横向变形监 测，主要利用的全站仪，精密水准仪，激光干涉仪等对桥梁进行监测。GPS 的发展在测量 中应用尤为突出，但是在变形监测中，由于精度要求很高，一时间 GPS 在变形中的作用不 是特别突出。随着科技的不断进步、发展，GPS 测量得到更加广泛的应用，精度也得到不 断的改进，随着 GPS 仪器的改进以及平差软件的发展，GPS 技术已经能广泛的应用于变形 监测

8、项目，弥补了传统仪器在测变形监测方面的多种不足。 1.1 传统变形测量 目前，传统的监测工具有加速度计、位移传感器、激光干涉仪、倾斜传感器、精密水 准仪、全站仪等这些工具有其优点，但也有各自的不足。例如，全站仪、激光干涉仪和 精密水准仪受地域气候的影响比较明显而且采样率也难以符合动态测量的要求；当桥梁因 温度变化等各种因素而引起徐缓的位移以及在大风影响下引起大位移时，加速度计则无法 进行准确检测。 传统的变形监测方法主要有两大类:一是常规的测量方法(大地测量方法与摄影测量方法) ,二 是物理学传感器方法。常规的大地测量方法具有测量精度高、资料可靠等优点,但又有观测 工作量大、效率低,受气候影响

9、大,不易实现连续监测和测量过程的自动化,并要求监测点与 基点通视等缺点,这些缺点对变形监测有非常不利的影响。随着电子水准仪和全站仪的出现, 实现地面测量技术的自动化也己经成为可能;摄影测量的方法也可以用于包括桥梁在内的各 种建筑物的变形观测。数字摄影测量为该技术在变形监测中的应用开拓了更加广泛的前景。 但是,目前利用摄影方法进行变形观测的过程仍然比较复杂。物理传感器方法主要是指应力 应变计、倾斜仪等方法,这些方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度局部的 相对变形信息,并且能实现长期连续的自动化观测,这些方法的缺点是只能观测有限局部变形。 现代GPS测量技术具有高精度的三维定位能力,并

10、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。全球定位系统的应用是测量技术的一项革命性变革,它使建立三 维网的监测变得简单,而且不需要测站间的通视,可以免去建标的工作,并且使得监测网的一 类设计有更多优化的余地。全球定位系统可以提供1 10- 6的相对定位精度,可以预计, 1 10- 7或更高的精度终将可以达到。它在精度上和经济上的优越性将使它取代很多传统的 地面测量方法 1.2 课题研究的意义 1.2.1 GPS 技术发展现状 全球定位系统 GPS(Global Positioning System)卫星定位是当前卫星导航定位系统应 用最为广泛的一种。是美国陆海空三军公用

11、的新一代卫星导航系统，由空间部分、地面监 控部分和用户接收机三大部分组成。GPS 系统由 24 颗卫星组成，工作卫星分布在六个轨道 面内，这六个轨道的高度都为 20200KM，而且每个轨道上都分布了 4 颗卫星。自 1994 年全 球定位系统开始投入使用以来，任何时刻，在全球任一位置，GPS 都可以为全球不同需求 的用户连续地提供动态三维速度、三维位置和时间等各种信息，实现了全球、全天候的连 续实时定位、导航和授时。GPS 卫星发射出的无限电信号含有两种测距码，且这两种测距 码的精度不同，即 CA 码（又称粗码）和 P 码（又称精码）。相对这两种不同精度的测距 码，GPS 提供了两种不同的定位

12、服务方式，分别为精密的定位服务 PPS（precise positioning service） 和标准的定位服务 SPS(standard positioning service)。 6 1.2.2 GPS 应用测量的优势 GPS 卫星定位技术相比与传统的测绘作业及方法有着显著的特点和优越性，它不受天 气的干扰，点位间毋须通视，容易实施长距离的精确定位，可以进行实时测量，具备良好 的自动化和集成性能特别适用于动、静态的安全监测和较大工程区域内满足现代施工所需 的复杂测量工作。GPS 优秀的性能及广泛的适应性，是常规测量难以比拟的。GPS 以其精度 高、速度快、全天候等优点，成为当今最先进的监

13、测手段 基于传统测量在变形测量中的诸多不足之处以及 GPS 测量在测量当中的诸多优势，可 以想像，未来的变形测量的发展不仅仅是局限在传统仪器上面，利用新兴的 GPS 定位系统， 以及第三方 GPS 高精度数据处理软件。使得 GPS 测量在桥梁变形监测中成为一种可能 1.3 课题研究的内容 本设计采用 GPS 测高技术开展桥梁变形的的挠度监测，避免了常规测量方法效率低、观 测周期长、劳动强度大、误差容易积累的缺点；能够实施远距离、大范围桥梁变形监测。 通过本设计的开展，解决了在没有稳定高程基准、常规测量实施困难的情况下，利用 GPS 测量技术实施桥梁变形监测的技术；由于 GPS 具有全天候监测、

14、精度高、费用省、快捷迅 速等特点，因而可以得到广泛的普及应用。 进行桥梁的变形监测，在桥梁建设完毕并进入运营使用阶段，进行桥梁的变形监测， 对掌握桥梁的健康状态、减少事故的发生，具有重要意义。GPS 在现代化测绘技术中有着 广泛的应用，提出利用 GPS 测量技术进行桥梁的变形监测方法，无疑具有广阔的应用前景。 在桥梁变形监测中的应用 2.1 桥梁变形概述 桥梁按受力情况分为梁式桥拱式桥钢构桥斜拉桥悬索桥等。大型桥梁产生变 形的原因，归结起来有以下几类： (1)自然条件及其变化，即桥墩台地基的工程地质、水文地质、土壤物理性质、大气温 度、水位变化及地震等。例如，桥墩台基础的地质条件不同，引起桥墩

15、台间不均匀沉降， 使其产生倾斜或裂缝；土塑性变形引起桥台不均匀沉降，季节性的温度、水位、水流方向 的变化，也使桥梁产生有规律的变形，桥台和桥墩基础附近的河床冲刷，甚至可能造成毁 桥事故；桥梁受日照强度和方向影响，温度高的一侧膨胀，产生不均匀变形；地层构造运 动使地上或地下建筑物造成不同程度的破坏，桥梁震害主要反映在结构的各个部位。 (2)与桥梁本身相联系的原因，动荷载和风力等。车辆动荷载和人群动荷载，本质上是 强迫共振现象，桥梁结构振动影响桥面行车的舒适与安全，加大振动变形，甚至使桥梁完 全破坏；此外，洪水、船舶、水中悬浮物、北方河中浮冰等等，都可能对桥墩产生撞击， 而使桥梁产生局部变形。 桥

16、梁变形可分为静态变形和动态变形。静态变形通常是指在某一周期中变形监测结果 的变形值，也就是说，它仅仅只是时间的函数。动态变形则是指在各种外力影响下所产生 的变形，它是以外力为函数，表示动态系统对于时间的变化，其监测结果表示桥梁在某时 刻的瞬时变形。桥梁结构在荷载和环境因素作用下产生的变形分成两类：一类变形称为整 体变形，其能力可以概括出结构整个工作的总体面貌，所以，在所有桥梁监测项目中，整 体变形通常是最基本的；同时，整体变形能够反映出结构的整体工作状况，如支座位移、 转角、挠度等，桥梁不断地老化，其中桥梁挠度的变化表现最为突出。另一类变形称为局 部变形，能反映出结构的局部工作状况，例如钢筋的滑动、纤维的变形、裂缝等。裂缝是 7 最能表现老化(或缺陷)的特征，裂缝的方向、部位揭示了桥梁老化(或缺陷)的性质和部位。 2.2 桥梁变形内容 桥梁工程监测分为施工监测和运营监测。大跨度桥梁监测是桥梁施工和运营的重要组 成部分，不论何