极端台风下特大悬索桥的GNSS实时振动监测及动力响应分析
作者：余加勇1，2，彭志豪1，2，孟晓林* 3 ，谢轶伦 1，2，方振4，谢义林5
单位：
1. 湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082
2. 桥梁工程安全与韧性全国重点实验室，湖南 长沙 410082
3. 伦敦帝国理工大学工程学部，伦敦 英国 SW7 2AZ
4. 湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015
5. 江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017
1 引言
随着我国公路桥梁规模的不断扩大，以及三、四类桥及危桥数量的不断增加，桥梁运维面临巨大挑战。在极端环境下，实施高精度振动位移监测对桥梁结构至关重要，可实时获取大跨桥梁结构状态信息，确保桥梁运营安全性，避免重大财产损失和人员伤亡。因此，急需一种高精度、高可靠性、低时延的桥梁振动位移监测方法。为此，本文构建了全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）特大悬索桥实时振动监测和改进经验小波变换（Empirical Wavelet Transform，EWT）的结构动力响应分析方法。
2 苏格兰福斯公路桥GeoSHM监测系统
2.1 集成GNSS/加速度计的监测设备研制
为实现GNSS与加速度计数据同步采集，孟晓林教授和所领导的GeoSHM团队开展了集成GNSS/加速度计的监测设备研究，并在欧洲空间局和商业合作伙伴的支持下开发出首款桥梁监测专用传感器—GeoSHM-Pro。GeoSHM-Pro由低成本GNSS天线、GNSS接收器板卡、三轴加速度计和无线通讯模块等组成，是一种经济有效的桥梁健康监测解决方案，如图1所示。
图1 GNSS/加速度计一体化机GeoSHM-Pro
苏格兰福斯公路桥是连接爱丁堡和苏格兰北部的一座特大悬索桥，于1964年建成。6套Leica GR10 GNSS接收机分别安装在主梁上下游跨中、1/4跨及索塔顶部，分别监测主梁和索塔的位移。2套GeoSHM-Pro接收机安装在主梁上游1/4跨，用于同步监测主梁振动位移和加速度。3套风速仪分别安装在主梁上游跨中和南/北索塔顶部，分别测量主梁和索塔位置的风速。1套环境仪安装在主梁下游跨中，测量主梁位置的温湿度。1套GNSS接收机安装在福斯公路桥控制大楼屋顶，作为GNSS监测系统参考站,如图2所示。
图2 苏格兰福斯公路桥GeoSHM系统
2020年2月8日-11日席亚拉台风（Storm Ciara）席卷了英格兰和威尔士地区，最强阵风超过30 m·s-1。造成英国大范围的破坏和巨额的经济损失，严重影响英国人民的生命和财产安全。期间GeoSHM变形监测系统对福斯公路桥的健康运营状况进行持续监测，本文选取了2020年2月8日-11日席亚拉台风下福斯公路桥的监测数据。监测数据包括10 Hz 采样率GNSS位移数据，100 Hz采样率加速度计数据。
3 福斯公路桥索塔振动响应分析
对两座索塔的原始位移进行分析，识别出索塔纵向振动位移最大幅值为7.91 cm。通过改进EWT算法分解得到准静态位移，如图3所示。
图3 苏格兰福斯公路桥南北侧索塔的三维位移
图4 ANE2风速玫瑰图及SHM5位移玫瑰图
图5 最大风速与索塔最大水平位移的相关性分析
4 福斯公路桥主梁振动响应分析
选取主梁东侧的3个GNSS接收机（SHM3、SHM6和SHM7）的观测数据进行位移分析，识别出主梁三维（纵向、横向和竖向）振动位移最大幅值分别为5.51 cm、152.47 cm和68.17 cm。采用改进EWT算法分解得到主梁的三维动态和准静态位移，如图6所示。
图6 苏格兰福斯公路桥主梁三维位移分析
图7 主梁GNSS测量位移与加速度计算位移对比及其频谱分析
图8 最大风速与主梁最大三维位移的相关性分析
5 总结
（1）依托孟晓林教授团队前期建立的苏格兰福斯公路桥GNSS变形监测系统-GeoSHM，实现特大型桥梁结构全天候、全天时、全自动的实时监测，重点分析了席亚拉台风下桥梁结构动力响应。
（2）建立基于改进协方差自回归功率谱的频带划分方法和 Pearson相关系数有效IMF筛选准则，提出改进EWT算法实现监测数据的降噪滤波、位移分解及风振响应分析。
（3）成功识别苏格兰福斯公路桥索塔纵向振动位移最大幅值为7.91 cm，动态位移最大幅值为2.84 cm，2座索塔模态频率基本吻合，索塔的水平位移沿风向增加明显；主梁三维（纵向、横向和竖向）振动位移最大幅值分别为5.51 cm、152.47 cm和68.17cm。
（4）GNSS监测方法不仅能够实现极端环境下特大型桥梁的实时振动监测和动力响应分析，而且能为桥梁模态识别、损伤探测和安全评估提供重要参数信息和决策依据，从而预警桥梁突发事故和避免损失。
作者简介
余加勇：博士，湖南大学土木工程学院副教授，博士生导师，诺丁汉大学访问学者。主要研究方向：交通基础设施智能监测、无人机巡检技术、北斗/GNSS监测技术等。
彭志豪：湖南大学土木工程学院硕士研究生，主要研究方向：交通基础设施智能监测
孟晓林（通讯作者）：国家级人才，东南大学首席教授/博导，帝国理工大学荣誉教授，入选英国研究理事会“百人计划”、 英皇家特许工程师（CEng） 、英工程技术学会（IET） 会士、英皇家导航学会（RIN） 会士及未来导航主席，是英国首位智能移动终身教授。担任国际测量师协会、国际大地测量协会特别工作组组长、全球华人导航定位协会（CPGPS）主席、曾担任美国导航协会（ION）分会主席、中国卫星导航定位协会科技委委员、中国卫星导航年会分会主席等，担任英国皇家导航学会《Journal of Navigation》副主编和 Springer Nature《城市生命线》执行主编。研究方向包括卫星导航定位理论、车路协同/智能移动、基础设施智能运维等，发表论文 350 余篇，成果被科技日报、 BBC 等专题报道 16 次，获 ION 最佳论文奖。
本文主要内容出自于《中国公路学报》2024年第9期，点击查看文章全文：
余加勇, 彭志豪, 孟晓林, 谢轶伦, 方振, 谢义林. 极端台风下特大悬索桥的GNSS实时振动监测及动力响应分析[J]. 中国公路学报, 2024, 37(9): 133-146.
https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2024.09.011
CHINA JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORT
排版：王馥远 苏书杰
编辑/校对：马勇
审核：王磊
