IBIS系统与GPS的对比试验分析

1、第三部分IBIS系统与GPS的对比试验分析IBIS系统在阳逻大桥与GPS的对比试验分析武汉阳逻长江公路大桥是京珠、沪蓉两国道主干线在武汉交汇形成环形公路的一部分，是分流过境交通的重要通道，是“十五”期间的重点建设项目之一。建设里程为3.363km，其中北岸引道长213m，北岸引桥长280m，钢箱梁主桥长1280m，南岸引桥长1175m，南岸引道长415m。主桥及引桥桥面净宽33m，桥面最大纵坡2.6%，桥面横坡2。主桥总体布置为主跨1280m的悬索桥，矢跨比为1/10.5。桥塔设计采用分离式H型空间主塔，其中，南塔柱净高166.312m，桥面以上高131.792m，北塔柱净高163.312m，

2、桥面以上高136.215m，塔柱为普通钢筋砼结构，上、下横梁为预应力砼结构，剪刀撑为钢结构。加劲梁采用钢箱梁，箱梁为等高度预应力混凝土连续箱梁，梁高为3.7m。1 GPS动态监测系统测点的设置由于该桥的GPS实时位移监测系统已经投入使用，试验时可以直接利用该系统的GPS测量桥梁动挠度的数据来进行对比分析。该GPS实时监测系统包括一个基准站和4个监测点，两主塔顶各设一个，跨中桥面的上、下游侧各设一个。该系统采用了卡尔曼滤波三差解算法，能够实时提供精度较高的位移数据，垂直精度可达±2cm。本次试验时，进行挠度测量对比分析的测点为跨中上、下游的两个测点，其GPS测点安装在主缆上，安放位置如

3、图3-1所示。GPS接收机的采样率为5Hz。对比分析可用的GPS数据观测时段是2009年11月14日 09:14:00至10:00:00（跨中桥面下游测点，北京时）和10:00:00至11:10:00（跨中桥面上游测点，北京时）。 图3-1 GPS安放位置 图3-2 角反射器安放位置 图3-3雷达安放位置2 微波干涉测量布置方案微波干涉测量采用的仪器为IDS公司的IBIS-S仪器。IBIS-S的测程为0.012km，精度为±(0.10.01)mm，最大采样频率200MHz。由于技术上的原因，微波干涉测量的测点无法跟GPS的点重合，故测点的位置设置在跨中上下游正对着GPS测点的钢箱梁底

4、部。为了获得理想的测量精度，安装主动反射装置作为测点，以增强电磁波的反射强度，测点安放位置如图3-2所示。IBIS-S的仪器安在桥梁底部岸边，如图3-3所示。下游测点的IBIS-S观测开始时间是2009年11月14日的09:30:00，观测持续时间有15min，采样率为21Hz；上游测点的IBIS-S观测开始时间是2009年11月14日的10:40:00，观测持续时间有30min，采样率为26Hz。3 实测结果针对跨中下游GPS和IBIS-S测量挠度的情况，考虑到GPS测量采用的是精密时间系统，而IBIS-S仪器开机时间完全由观测人员的计时设备记录；另外，GPS的采样率为5Hz，而IBIS-S

5、的采样率为21Hz，为了使两者具有可比性，对两套系统采集的数据序列进行重采样处理，让重采样后的IBIS-S数据与GPS数据相互错动，分析两个数据序列的相关系数，当相关系数达到最大时，则认为此时的两个序列基本对齐，对齐后的跨中下游GPS测点和IBIS-S测量的挠度过程线见图3-4。1）由数据计算分析可知，图3-4中两者的互相关系数为0.8617，表明它们是强相关的；2）图3-4也反映，两者的挠度幅值存在明显差异，究其原因，主要是GPS测量结果是经过了滤波处理的。可见，IBIS-S测量挠度结果更为客观，反映出IBIS-S测量挠度的高精度和高时间分辨率特性。图3-4 跨中下游GPS与IBIS-S测量

6、挠度的对比 同样，针对跨中上游GPS和IBIS-S测量的挠度情况，由于数据量大，为了对比分析清楚起见，其挠度过程线见图3-5和图3-6。可见：1）两者测量挠度变化的相关较好；2）IBIS-S测量挠度的变化幅值范围要大于GPS测量的结果，与上述分析一致；3）在900 s1200s之间，虽然两者测量挠度变化的折点位置基本一致，但是幅值存在较大差异。图3-5 跨中上游GPS测点的挠度过程线图3-6 跨中上游IBIS测量的挠度过程线4 频谱分析根据跨中下游GPS与IBIS-S测量的挠度时程数据，采用频谱分析分析法可以直接得到其相应的频谱图，为了方便对比，去掉其高频部分，两者测量动态挠度的频谱图见图3-

7、7。其中，GPS测量挠度数据反映的主频为0.1366，幅值为8.43mm；IBIS-S测量挠度数据反映的主频为0.1368，幅值为12.43mm。可见，两者测定动态挠度的频率结果基本一致，而测定幅值的效果GPS要比IBIS-S差。 图3-7 跨中下游GPS与IBIS-S测量挠度的频谱图同样，跨中上游GPS与IBIS-S测量动态挠度的频谱图见图3-8。其中，GPS测量挠度数据反映的主频为0.1355，幅值为5.49mm；IBIS-S测量挠度数据反映的主频为0.1356，幅值为7.74mm。可见，两者测定动态挠度的频率结果是一致的，而测定幅值的效果GPS要比IBIS-S差。另外，由IBIS-S测量

8、动态挠度的频谱图可见，在主频附近，还出现了一个明显的次频，其频率为0.1078，幅值为5.07mm，而该特征在GPS的频谱图中没有得到反映。 图3-8 跨中上游GPS与IBIS-S测量挠度的频谱图根据大跨度桥梁动力特性的理论与经验计算分析方法，阳逻大桥的竖向弯曲(第一对称竖弯)的计算值为0.11Hz，根据有限元法计算值为0.1383Hz，加速度计的实测值为0.12Hz，这五种情况的对比结果如表1（需要说明的是，加速度计实测的时间与本试验的时间不同）。由表1可见，有限元法的计算值与GPS和IBIS的实测值接近，而经验公式法的计算值与加速度计的实测值接近。这五种方法的结果最大差异在0.03Hz以内。表1 桥梁主跨竖向主频比较/Hz项 目下游GPS下游IBIS有限元法经验公式法加速度计实测值上