基于GPS与ICA技术的大跨柔性桥梁动态变形监测研究

GPS/GNSS技术能克服传统桥梁结构动态监测方法的不足，易实现全自动、连续、高采样率、低成本、三维桥梁结构动态监测，但其测量精度和稳定性有待进一步提高。本项目重点开展了网络RTK、多传感器、混合数字信号处理等方面的研究，提高GPS动态监测精度和稳定性，取得了以下研究成果：（1）提出网络RTK-GPS桥梁结构动态监测方法，评估网络RTK静态、动态测量精度，对比研究网络RTK-GPS与加速度计实桥监测性能指标；（2）设计自适应滤波与I型切比雪夫滤波相结合的信号处理方法，削弱信号处理中的随机噪声和多路径影响，提取的结构动态位移精度优于1mm；（3）采用联合GPS和加度计的方法进行桥梁结构动态监测，利用组合法融合GPS和加速度计信号，实现0.1Hz~10Hz工程结构振动范围内的结构动态监测，提高监测的完整性和准确性；（4）设计监测点笼状装置保证多传感器同轴，设计数据采集器使多传感器采集GPS时间，并用皮尔逊矩阵相关系数法修正时滞，实现多传感器信号同步采集；（5）使用改进的高通滤波和梯形法则数值积分方法，从加速度计采集的加速度计信号中获取位移信号；（6）提出联合RTS和加速度计的结构动态监测方法，升级RTS内置软件，设计FIR滤波方法分离RTS准静态位移和动态位移，对比评估RTS和加速度计测量精度，监测实桥结构动态响应，距离小于300米时RTS动态测量精度优于2mm，多传感器监测的动态位移和振动频率吻合；（7）以英国诺丁汉威尔福德悬索桥为研究对象，建立以GPS为主的多传感器桥梁结构监测原型系统，实现桥梁实时动态监测。 2100433B

大跨柔性桥梁健康监测中存在加速度传感器无法测量桥体结构整体偏移、测量机器人无法测量高频位移、位移传感器不能测量三维位移以及激励源不明确的问题，为此研究了基于GPS与ICA技术的大跨柔性桥梁动态变形监测新方法。项目研究利用GPRS建立GPS无线网络传输子系统，实现GPS信号远程无线网络传输；研究Static GPS 代替RTK GPS 的方法，降低监测系统成本；建立整周算法和搜索算法相结合的GPS单历元优化解算方法，提高监测稳定性；建立ICA、小波、EMD相结合的GPS信号混合降噪法，提高监测精度；建立附有约束条件的ICA信号分离方法，实现盲源信号分离。通过本项目的研究，可望实现高精度、低成本、高采样率、全自动、三维的桥梁动态变形监测，实现GPS信号的盲分离，该法有望成为一种较理想的桥梁变形监测新手段，具有广阔的应用前景。

本书系统地阐述了采用全球导航卫星系统(GNSS)和自动型全站仪(RTS)来监测桥梁动态变形的理论和方法。主要内容包括：将网络实时动态测量技术应用于桥梁结构振动监测，建立集成GNSS和加速度计的桥梁结构动态位移监测方法；构建RTS桥梁动态变形监测的流程，建立集成RTS与加速度计的监测方法；并成功应用于英国诺丁汉威尔福德悬索桥、长沙湘江三汊矶大桥的振动监测试验。 2100433B

本项目拟瞄准重大研究计划培育项目中优先资助领域：抗灾设计理论。针对斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁结构，根据大跨度桥梁寿命期内组成结构各部分的重要性、可检性、可修性和可换性以及地震破坏后桥梁结构修复工作（抢修）的难易程度和结构所能承受的损伤、破坏风险，初步建立大跨度桥梁基于性能的抗震设计理论和方法，实现对大跨度桥梁工程地震灾变合理有效控制，提升大跨度桥梁结构防灾减灾能力。重点研究内容为：（1）地震作用下，大跨度桥梁主要结构构件的损伤与性能目标的定量关系；（2）大跨桥梁结构地震易损性分析和地震损伤、破坏风险；（3）大跨桥梁抗震设防标准与相应的性能要求；（4）大跨桥梁基于性能抗震设计方法。 2100433B