第一章 绪论
1.1 研究背景和目的
在如今的交通运行中,桥梁无处不在。无论是铁路、高速铁路、高速公路甚至城市干道上都能见到各式各样的大桥。虽然它们大小不一、形态各样,但是功能都是一致的,都起到贯通和交通枢纽的作用,并且让线路保持一致性。大约 1400 多年前的隋唐时期,当外国人还只能借用船只跨过大河、大江时,工匠李春等设计、建造的赵州桥问世了,精致的外观、耐用的结构都成为当时乃至现今人们津津乐道的话题。西方国家进入工业革命以来分别设计并且首创了很多现代桥梁,诸如铁桥、悬索桥以及钢筋混泥土桥等拱桥,它们纷纷在 18 世纪涌现出来,不仅提高了运营能力,而且对于全球桥梁的发展做出了不可磨灭的作用。20 世纪中叶以来,预应力混泥土桥问世了,佛莱辛奈先后设计并建造了五座这样的平拱大桥,这对于提高高速铁路和高速公路的安全和质量都起到非常积极的推动作用。大型桥梁的发展又进入一个崭新的时代。随着技术的发展,施工工艺的不断提升,桥梁的规模和跨度在不断增加。在我国,跨江、跨海大桥陆续成功运营,诸如苏通大桥和东海大桥都得到政府的极力称赞以及民众的热烈好评。但是事故是一直存在的。由于在设计和施工上的失误造成事故的,如 2007 年的湖南凤凰的堤溪沱江大桥在施工时垮塌,场面极其残酷,并且造成 64 人的遇难;由于对于桥梁运营能力在设计和评估上的失误造成事故的,如 2012 年 6 月 19 日刚刚通车的辽宁月牙岛西跨河大桥发生了垮塌事故,造成 3 人遇难,究其原因还是对其运营能力判断上的失误;当然由于对于自然灾害缺少预见性这方面也为大桥安全性蒙上了一片阴影,如2013年7月9日四川江油市老晴莲大桥被洪水冲垮,幸运的是没有发生人员伤害。如果在这些事故的发生之前,我们及时并且准确地进行监测,那么我们可以避免很多可以避免的塌方甚至是伤害。所以监测控制对于各个大桥来说都是必不可少的。
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1.2 大跨度拱桥监测的现状
随着科技的进步越来越多的大桥在世界各地迅速地涌现,为了保证其安全和高质量,所有的大桥都有测绘人员或者测绘仪器进行监控。在欠发达区域由于测绘技术的落后,在大型桥梁自动化监测这个领域几乎是空白的。主要方法还是利用水准仪和经纬仪或者全站仪进行监测,以及位移传感器,变形加速度传感器等来探测其几何变形,来分析其结构的动态特性。利用水准仪和经纬仪或者全站仪进行监测精度的目标是可以达到的,但是在施工阶段,特别是施工活跃期以及成桥的关键时期,这样的测量方法很难到达实时监测的要求,而且对于关键部位的监测永远不会满足安全监测的需求。所以这样的方法就很难保证整个施工过程是在安全的状态下进行的,对于大型桥梁施工来说存在着很多不稳定因素。而在运营维护期,这样的简易的方法更是显示出它的劣势,不管是跨海、跨江、跨河、跨公路甚至跨铁路的桥梁来说都是无时不刻的有着巨大的车流量或者人流量。在这种情况下,甚至正常的监测都可能无法进行。只能通过部分的传感器来获取变形的位移数据以及位移变化的速度和加速度数据。但是传感器的安装和利用都是非常困难,这对于监测来说数据量是非常不足的,很难让主管部门分析出其形态现状以及安全系数。所以利用水准仪和经纬仪或者全站仪这些传统的测量仪器进行变形监测是不足的,尤其在监测大型桥梁的项目上,传统的测量方法已经不能满足安全监测的需要了。这也是在落后地区大型桥梁频频在非突发情况下发生坍塌事故的原因了。
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第二章 监测网的基准分析
2.1 提出问题
要完成大桥变形监测系统之前我们必须要完成监测网的建立,包括平面坐标系统和高程系统。而这项工作可以归纳为以下三个基本过程。
(1)将首级桥梁施工控制网点和监测的基准站和进行 GPS 联测,经过计算可以得到监测基准站的施工坐标系的坐标和坐标转换参数;
(2)为了方便识别监测数据,大桥平面位移监测采用的是自定义桥轴线的里程坐标。所以,应该将桥梁施工坐标系的坐标通过一定的方法转换到桥轴线里程坐标系里;
(3)高程方向则采用平面拟合的方法得到。
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2.2 变形监测涉及到的坐标系介绍
现阶段我国大地基准框架主要有 WGS-84 坐标系、1954 北京坐标系、1980 西安大地坐标系以及 2008 年启用的 2000 国家大地坐标系。目前,变形监测项目中所涉及到的坐标系主要包含 WGS-84 坐标系、1954 北京坐标系、1980 西安大地坐标系、地方独立坐标系、项目施工坐标系、项目监测坐标系。下面主要对变形监测项目所涉及到的坐标系做一定的介绍。1954 北京坐标系和 1980 西安大地坐标系这两者都先后作为国家坐标系,并且至今都被广泛应用。虽然两者都属于参心坐标系,但是还是存在着很大的区别的。1954 北京坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球参数,坐标原点位于普尔科沃天文台,其高程基准系统则采用的是 1956 年青岛的验潮站统计出的黄海平均海水面。而1980 西安坐标系采用的基本椭球参数 IAG1975 第十六届大会推荐的数据,其坐标原点位于陕西省泾阳县永乐镇,离西安比较近,所以被称为西安坐标系。其高程系统则采用的是 1985 高程基准。1980 西安坐标系相比于 1954 北京坐标系是有一定优势的,它表现为:采用多点定位、椭球参数为更加精确和现代的参数、原点在中部和水准面与我国大地水准面较吻合等优势可以提高内全国范围的测量和推算精度。正如上述所叙述,独立坐标系包含着地方独立坐标系、施工独立坐标系和监测坐标系,它们有着很多的共同点和区别,作为独立坐标系可以以不同的参数转换到国家坐标系。他们的存在主要为各项工程所用,所以他们的形式和形态都是比较自由的。
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第三章 大跨度拱桥监测的特殊影响因素分析.........10
3.1 高程方向形态监测分析 ......... 10
3.2 平面方向的形态监测分析 ..... 19
3.2.1 原理及思想 ........... 19
3.2.2 精度分析 ....... 20
第四章 监测数据处理和分析.....21
4.1 监测数据预处理和分析 ......... 21
4.1.1 提出问题 ....... 21
4.1.2 寻找新方法剔除粗差 ........... 22
4.2 数据的计算及成果分析 ......... 26
4.3 本章小结 ......... 30
第五章 基于时间序列数据的预测模型分析.........31
5.1 提出问题 ......... 31
5.2 时间序列的数据的分析和预测 ..... 31
5.3 基于时间序列的模态参数识别 ..... 36
5.4 本章小结 ......... 42
第六章 基于 GeoCOM 接口技术的自动化监测系统
6.1 开发准备
首先确保计算机安装 Visual Basic 6.0、Microsoft OfficeAccess 2003(或者 2003以下版本)、得到接口“GeoCOM32.dll”以及模块“Stubs32.bas”。接下来把“GeoCOM32.dll”复制到操作系统的 system32 文件夹目录下,打开 Visual Basic 6.0添加模块“Stubs32.bas”后方可进行开发。基于时间序列的数据建模预测关键在于建立合适的数学模型与所观测的数据很好的匹配。其中,Box 法是时间序列分析的比较经典的建模方法。该方法是从统计学的观点出发的,其建模过程中的数据预处理、模型识别、参数估计、检验模型、预测等步骤都是需要相关函数的。在利用此种方法建模之前必须完成观测数据的时间序列收敛,也就是利用(5.4)公式进行预处理。接下来就是时间序列的特征识别。完成此项后接下来就可以进行模型的识别,即选择 ARMA ( n, m)、AR (n )、MA (m )其中之一。经过参数估计和检验,我们就可以进行预测。下面主要从时间序列的特征识别、模型识别、参数估计和检验以及预测等方面进行论述。
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结论
本文立足于对整个大型拱桥变形监测系统建设的思路,主要表达了基于测量机器人自动化监测的方法。并且分别从监测控制网的布设、测量机器人基本的测量原理、监测数据的预处理和成果数据的表达、基于时间序列的数据分析和模态参数识别以及基于 GeoCOM 接口技术的自动化测量系统的建设原理和思路做详细的阐述。作为第六章的基础,前五章都是为其做铺垫的,除了第二章中坐标转换和第五章中的 TID 法模态参数识别没有给出相应的例子加以分析,其它的关键问题都给予了一定的数据进行了分析,更好的表达提出来的问题。其中,第二章讨论了监测控制网的基准,并且分别从平面和高程方向讲述了坐标转换的方法。由于本章作为本文的次要问题,所以叙述地较为简单,仅仅从方法上进行介绍和比较。但是作为长期的监测控制网来说,基准点的位移和调整是必须的,在这一点上本章缺少相应的介绍。在第三章中主要介绍了测量机器人三角高程和边角前方交会等基本测量原理和影响因素。要做到与监测大型拱桥问题相适应,本章重点介绍了大气折光因素对三角高程带来的影响,并且对其做精度分析。而了解测量机器人的基本原理对于开发完成测量机器人自动化监测系统来说是必不可少的。所以本章虽然不作为重点,但是这个问题对于全站仪来说是具有普遍性的,所以也利用了一定的篇幅去做了介绍。
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参考文献(略)