桥梁变形监测数据处理学习报告

桥梁变形监测数据处理学习报告

姓名：

学号：

班级：

指导老师：潘雄

2014年6月22 日

一、桥梁变形监测意义

我国，由于我国正处在大规模建设时期，每年开工新建的桥梁数量众多，发生的桥梁工程事故也非常多；另外，对于早期建设的桥梁，由于年代久远、本身就存在质量问题或者使用过程中远超设计负荷，很多桥梁结构也暴露出很多质量问题。我国每年发生的桥梁安全事故数不胜数，影响较大的事故每年都有很多报道，诸如此类的重大事故和惨痛教训，时有发生，不胜枚举，令人极其痛心。这些重大事故的发生，一方面是人民群众生命和国家财产的重大损失，同时也从反面以一种很沉重的方式体现了桥梁变形监测工作的重要性。由于灾害的发生与变形有着极为密切的关系，因而，桥梁变形监测研究在国内外受到了广泛的高度重视。

二、桥梁监测技术的发展现状

大型桥梁结构是高度超静定的构筑物，结构复杂，因此大型桥梁结构的变形监测是一件庞大而复杂的工程。对大型桥梁的变形监测手段有多种。常规的地面变形测量是获取观测数据的主要手段，采用测量仪器对所监测的物体上布设的点位进行观测，获取变形值。而其中测量仪器对整个观测的数据获取的关键因素。

随着科学技术的进步以及对变形测量要求的不断提高，变形测量技术也在不断的发展。更先进的数据采集设备的出现，计算机、无线电、空间技术以及地球科学等的迅猛发展，推动变形测量技术的不断发展。不断涌现的变形测量数据采集新技术以及他们自身的不断发展完善是推动变形测量技术进步的巨大动力，如数字近景摄影测量、GPS、自动全站仪、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、激光雷达、关节式坐标测量机、Indoor GPS 等。此外，在大地测量领域还有甚长基线射电干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月技术（LLR）、卫星重力探测技术（卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）、合成孔径干涉雷达（InSAR）等技术手段。在工程建筑物的变形自动化测量方面，自动全站仪正渐渐成为首选的自动化测量技术设备。

三、桥梁变形监测规范要求

桥梁的种类较多，主要以梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥为主。十多年来，

我国各种桥梁的建设速度发展很快，桥梁的变形监测是桥梁施工安全和运营安全必不可少的内容。《工程测量规范（GB50026-2007）》规定，桥梁变形监测的内容，应根据桥梁结构类型选择。

桥梁变形监测项目

桥梁变形监测的精度，应根据桥梁的类型、结构、用途等因素综合确定，特大型桥梁的精度，不宜低于二等，大型桥梁不宜低于三等，中小型桥梁可采用四等。特大桥、大型、中小型桥梁划分方法，可参考相关公路、铁路桥梁设计和施工规范的划分方法确定。

变形监测可采用 GPS 测量、极坐标法、精密测(量)距、导线测量、前方交会法、正垂线法、电垂直梁法、水准测量等。

大型桥梁的变形监测，必要时应同步观测梁体和桥墩的温度、水位和流速、风力和风向。

桥梁变形观测点的布设，应满足下列要求：

（1） 桥墩的垂直位移变形观测点，宜沿桥墩的纵横轴线布设在外边缘，也可布设在墩面上。每个桥墩的变形观测点数，视桥墩大小布设 1~4 点。

（2） 梁体和构件的变形观测点，宜布设在其顶板上。每块箱体或板块，宜按左、中、右分别布设三点，构件的点位宜布设在其 1/4、1/2、3/4 处。

悬臂法浇注或安装梁体的变形观测点，宜沿梁体纵向轴线或两侧边缘布设在每段梁体的前端和后端。

类型 施工期主要监测内容

运营期主要监测内容 梁式桥 桥墩垂直位移

悬臂法浇注的梁体水平、垂直位移

悬臂法安装的梁体水平、垂直位移

支架法浇注的梁体水平、垂直位移

桥墩垂直位移 桥面水平、垂直位移 拱桥

桥墩垂直位移

装配拱圈水平、垂直位移 桥墩垂直位移 桥面水平、垂直位移 悬索桥、斜拉桥 索塔倾斜、塔顶水平位移、塔基垂直位移

主缆线性形变（拉伸变形）

索夹滑动位移 梁体水平、垂直位移 散索鞍相对转动

锚碇水平、垂直位移

索塔倾斜、垂直位移 桥面水平、垂直位移

桥梁两岸边坡 桥梁两岸边坡水平、垂直位移 桥梁两岸边坡水平、垂直位移

支架法浇注梁体的变形观测点，可沿梁体纵向轴线或两侧边缘布设在每个桥墩和墩间梁体的1/2、1/4 处。

装配式拱架的变形观测点可沿拱架纵向轴线布设在每段拱架的两端和拱架的1/2 处。

（3）索塔垂直位移变形观测点，宜布设在索塔底部的四角；索塔倾斜变形观测点，宜在索塔的顶部、中部和下部并沿索塔横向轴线对称布设。

（4）桥面变形观测点，应在桥墩（索塔）和墩间均匀布设，点位间距以10~50米为宜。大型桥梁，应沿桥面的两侧布点。

（5）桥梁两岸边坡变形观测点，宜成排布设在边坡的顶部、中部和下部，点位间距以10~20 米为宜。

桥梁施工期的变形监测周期，应根据桥梁的类型、施工工序、设计要求等因素确定。

桥梁运营期的变形监测，每年应观测一次。也可在每年的夏季和冬季各观测一次。当洪水、地震强台风等自然灾害发生时，应适当增加观测次数。

四、监测内容

桥梁结构体的承重部分，例如桥墩、拱圈、索塔、梁体、锚碇、桥面等承重结构的垂直位移，也称为沉降，特别是不均匀沉降；桥梁结构体的承重部分，例如梁体、拱圈、索塔、锚碇、桥面等的水平位移是桥梁结构体是否处于安全状态的重要指标，对桥梁结构重要部位的变形监测，具有非常重大的意义。

1.垂直位移监测内容

桥梁结构竖向位移主要包括梁式桥施工期间桥墩、梁体以及运营期间桥墩、桥面的竖向位移测量；拱桥施工期间的桥墩、拱圈以及运营期间的桥墩、桥面垂直位移；悬索桥、斜拉桥施工期间索塔、梁体、锚碇以及运营期间索塔、桥面垂直位移；桥梁两岸边坡垂直位移。

2.水平位移监测内容

桥梁结构水平位移监测主要包括梁式桥施工期间梁体以及运营期间桥面的水平位移监测；拱桥施工期间的拱圈以及运营期间的桥面水平位移监测；悬索桥、

斜拉桥施工期间索塔倾斜，塔顶、梁体、锚碇以及运营期间索塔倾斜、桥面水平位移；桥梁两岸边坡水平位移。

五、监测资料奇异值的检验与插补

1. 监测资料的奇异值检验

在任意一次测量工作之中，其最终观测结果中或多或少都会存在一定的奇异值，在对其进行变形分析的之前有必要将这些奇异值一一剔除。考虑到监测数据是连续进行观测得来的，所以这里相对简单的方法就是采用“3 σ准则”去奇异值进行剔除。对于观测数据的中误差，我们既可以通过对观测值序列本身进行估计来得到，也可以对长期观测结果进行统计分析得到，或者取一个经验数值。下面对两种实用的奇异值检验方法进行介绍：

（1）对于观测数据序列x1，x2，……，xN ，其序列数据的变化特征可以描述如下：

）

1,,3,2)((211-=+-=-+N j x x x d j j j j 这样，由N 个观测数据可以得到N - 2个d j 。通过对 N-2个d j 值进行计算可以得出该序列数据变化的统计均值d 和均方差σ

?： ∑---=122N j j N d d

∑----=1223)(?N j j d N d d σ

将d j 的偏差取绝对值并与均方差做比得 d j j d d q σ?-=

当q j > 3时，说明x j 是奇异值，需要对其进行舍弃。

（2）对于观测数据序列x1，x2，……，xN ，我们在对其进行预测时使用一级差分方程的方法，其表达式如下：

）

1,,4,3()(?211-=-+=---N j x x x x j j j j 令任一数据的实际值与其对应的预测值之差为：

j j j x

x d ?-= 对任一观测数据，令其中误差为m （对m 的取值既可以通过对长期观测资料进行计算获得，也可以凭经验对其赋值），通过对上面两式进行计算可得到实

际值与其对应的预测值之差d j 的均方差为 m d 2?=σ。对于实际值与其对应的预测值之差的绝对值

j d ，当 d j d σ?3>时，将x j 作为奇异值处理，需要对其进

行舍弃。 2. 监测资料的插补

因为各种主、客观因素的存在，当出现实测数据漏测或者需要对等间隔观测值进行处理时，则需要根据已有的相邻期或物理位置相邻的监测点的监测数据对空缺处进行插补。

1、根据内在物理联系进行插补

在对已测数据进行逻辑分析的基础上，参照相关的物理意义，得到有关原因量之间的函数关系，通过对相关函数关系的分析，对缺漏的施测值进行相应的插补。

2、利用数学方法进行插补

（1）线性内插法

主要通过对某两个实测值的研究来实现这两个值之间的观测值的内插工作， 可用式 )(11i i i

i i i y y t t t t y y ---+=++ 式中，1,,+i i y y y —效应量；1,,+i i t t t ——时间。

（2）拉格朗日内插计算

对于变化情况比较复杂的效应量，可根据下式进行内插

)(

11∑∑==--=n i j

i j n i i x x x x y y 式中， y ——效应量；x ——自变量。

（3）通过多项式进行曲线拟合

n n x a x a x a a x f y +++==2210)(

式中未知量的方次和拟合所用点数需要根据实际情况进行适当选择。

六、基准点稳定性分析

在处理监测数据时，采用不同的平差方法时，会得到不同的平差结果。我们不能的笼统的说那种方法更好，当已知固定点时，采用经典平差可以得到满意的结果；当知道某些点稳定时，采用拟稳平差可以得到满意的结果；当没有稳定点时，采用自由网平差可以得到满意的结果;关键是根据实际的变形监测网的基准点状况选择合适的平差方法。所以基准点稳定性分析是变形监测平差分析的基础。

七、数据计算

桥墩一个点的观测沉降数据：

2.79 4.34 5.17 6.97 7.63 8.4 9.13 9.74 10.09 10.46 10.74 10.93 11.57 11.6

1.奇异值检验

用matlab将观测数据导入向量yy中

dd = zeros(1，12)

for i = 1:12

dd(i) = yy(i+1)*2 - (yy(i)+yy(i+2));

end

mean_dd = mean(dd)

sum_tm = 0;

for i = 1:12

sum_tm = (dd(i) - mean_dd)^2+ sum_tm;

end

sigma = sum_tm / 11

for i = 1:12

if dd(i)>sigma*3

disp( '超限数据为')

disp(yy(i+1))

end

End

得到结果

超限数据为

6.9700

得到第4次观测值可能为粗差，需要结合其它因素进行判断

2.使用拉格朗日插值

（1）定义拉格朗日函数

function y=lagrange(x0，y0，x)

n=length(x0);m=length(x);

for i=1:m

z=x(i);

s=0.0;

for k=1:n

p=1.0;

for j=1:n

if j~=k

p=p*(z-x0(j))/(x0(k)-x0(j));

end

end

s=p*y0(k)+s;

end

y(i)=s;

end

（2）使用拉格朗日函数插值

%yy(4) = [] 去除之前的粗差数据

xx = 1:14

xx(4) = []

plotX = 1.2:0.2:14

plotY = lagrange(xx，yy，plotX)

plot(plotX，plotY)

八、总结

各种变形观测都是通过对变形特征点进行定期的观测，然后对这些数据进行整理、分析、处理，找出变形体的变形规律、变形解释，最后根据其规律预测以后的发展趋势，以便最大限度的减少经济损失。变形监测的核心是观测数据的后处理。为了监测桥梁变形，需要对桥梁变形网进行多次高精度的重复观测，并对各期观测进行平差计算，求得各点在不同期的变化量。水平变化或高程变化可能是由于随机误差的干扰，也可能是点位确实存在移动，因此，要对变化量作显著性检验。如果存在显著位移，再利用曲线拟合的方法找出它的变化规律，预报今后的变化量。

九、参考文献

姚海敏.大型桥梁结构变形监测应用研究. 中国地质大学(北京)，2009

曾令永,张世青等.桥梁变形监测研究.2007

王建.大型工程GPS变形监测数据处理关键技术研究.西南交通大学，2012

《工程测量规范》编号GR50026一2007，2007

《建筑变形测量规范》编号JGJ8-2007，2007