全球定位系统（GPS）在工程结构振动频率检测中的应用

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1、·96·2014年第5期2014年10月SichuanBuildingMaterials第40卷总第181期DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2014.05.045全球定位系统(GPS)在工程结构振动频率检测中的应用杨锋,译(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都610031)[4,5,11-14]摘要:全球定位系统(GPS)已成功应用于测量长吊监测到高达1~2Hz以及变形量超过5~10mm的振桥和高层建筑等长大建筑物的位移,并获得它们的模态频动,同时表明GPS可以监测到信

2、号与噪声的增加以及振动[5,14]率,获取频率通常能达到1Hz,但有证据表明,使用高频频率的降低。GPS接收机可以实现更高频率的监测。利用计算机进行实由于现代接收机的测量频率是以10~20Hz的趋势增加验,分别观察在1个和3个自由度情况下GPS的应用潜力,的,一个随之而来的问题是,GPS是否可以用于监控更高首先记录仪器处于高频状态时在振动物体(≥5mm)上的应频率(大于1~2Hz)的振动,并克服由加速度计计算的位移用,仪器在最低分辨率水平上频率至少要达到4Hz;其次,[15]包含的误差。最近的研究主要集中在利

3、用GPS进行监控找出以上所有实验频率中的主频。数据处理采用最小二乘[4,12]时位移测量的范围和精度方面,研究表明GPS可以测法为基础的频谱分析,并用小波技术对整个时间序列进行[14]量一个更广泛范围内最多4Hz的振动位移。尽管如此,分析,该技术在时限过短或者频率和时间域差别很小时仍[16]从GPS数据来识别振动频率(比如是否存在大位移信号然能够得出结果。[7-8,10,14]尚未经过详细的验证。以两座振动监测比较严格(1-4Hz)的桥梁为例,对这对不少地面研究留下了下列问题:①GPS的模态频GPS在工程结构

4、振动频率监测中的应用作了详细的阐述。率的精度范围和精度等级如何?②这样的精度是否依赖于这项研究的结论表明,即使建筑物受风力、交通、地记录的振动频率?③模态频率的变化以及加载一个单位移震等因素的影响位移过大时,GPS仍然可以对建筑物的振的多模态频率是否能够被检测出来?动进行监测。通过GPS在建筑物振动监测上的应用研究,为了解决这些问题,我们做了大量的实验来测试GPS建筑物位移的监控范围变得更宽。的极限范围,使用的实验技术与其他某些研究人员没有太关键词:GPS;测量;振动频率;工程结构;天线大的不同。首先,①为了

5、涵盖更广泛的土木结构,不仅仅中图分类号:P258文献标志码:B是大吊桥和高层建筑,采用GPS记录的扩展范围振荡频率文章编号:1672-4011(2014)05-0096-09高达4Hz(更高的记录频率是20Hz);②记录振动不同的频率多达三种模态频率。其次,我们不仅采用传统的FFT技0前言术分析了我们的数据,而且采用以最小二乘法为基础的频在过去几年,自Lovse[1]、Roberts等[2]用GPS来测量谱分析技术对数据进行分析,该技术在时限过短或者频率主要建筑结构的振动的开创性研究之后,Celebi和San

6、li[3]和时间域差别很小时仍然能够得出结果。与其他人也提供了独立的证据来评估这项技术的潜在可行本研究的结果以及对某些桥梁监测的一些初步结果表性,GPS似乎已经成为一个研究监测半静态和动态大型工明,GPS可用于对相对刚性的工程建筑结构进行监测,并程结构(如高层建筑和大型建筑物)的位移和变形的解决方可以识别模态频率高达4Hz(厘米级甚至更小)的变形。[4-8]良好的观测条件是基本要求,即接收机可以顺利接收案。通常,此类结构的主模态频率小于1Hz。更重要的是,GPS被证明是对现代高层建筑进行混沌振荡观察的一卫星信

7、号。如果要求可见卫星多于5个的话,在野外进行[9][10]试验比较容易成功。可排除在城市、峡谷或者高纬度地区个必要工具,因为有风、温度变化、起重机振动加载的影响,使得精确测定静态下竖直方向上的变化变得几乎进行实验,因为在高纬度地区经度和纬度的精确度很难得[17]不可能。出于这个原因,在施工期间GPS主要是用来定义到保证。[11]与时间相关的几何结构。1方法GPS能否被用来监测位移超过5~10mm的建筑已经被大多数实验所探究,这个实验是将一个GPS接收机安装在本文的研究方法很简单,基本上与其他地方使用的没固定而

8、且稳定的基础上,采用相对测量的方法与周围稳固有什么太大的区别[5,9-10,14]。在我们的实验中,生成了平面地表上的基站联测。这些实验表明GPS能够在一定时期内的单轴正弦振荡图,并根据GPS测量的结果记录了振动物体三维坐标的变化。对由此产生的时间序列进行了分析,译者简介:杨锋(1965-),男,四川简阳人,高级工程师,本科,研究方向:测绘工程。并且比较了计算结果与实际(预定)值的振动幅度和频率。原