关键词：
GPS
形变监测
小波包
温度变化
有限元分析
摘要：
高层建筑物在长期的运营管理中,由于某些外界因素的作用致使建筑结构产生损伤,随着时间的推移,结构损伤逐渐累积可能会造成建筑物处于危险状态。因此,如何实时、准确、高效的掌握高层建筑物的健康状况具有非常重要的社会效益。目前,GPS(global positioning system)技术由于其众多的优势(高精度、全天候监测、不受视线条件限制等)成为高层建筑物形变监测中最常用的方法之一,但其也存在一些不足之处。例如,GPS对建筑物进行监测时,会受到卫星星历、电离层及对流层延迟、卫星及接收机钟差等误差的影响,导致其定位精度降低;差分技术虽然可以有效消除上述系统测量误差,但受到测站周围环境影响,GPS形变监测数据中会存在多路径误差,从而影响建筑物形变信息的精确提取;同时GPS技术仅可以获取监测对象的几何形变信息,为了更加合理可靠的掌握高层建筑物的健康状况还需结合影响形变的外界因素进行科学地解释和分析。基于上述问题,本文详细阐述了GPS的基本误差源与载波相位差分模型;研究了GPS多路径误差的特性,提出了一种抗多路径误差的方法;研究了温度变化与高层建筑物形变间的相互关系。本文的主要研究内容与成果如下:
(1)本文提出了一种基于小波包(wavelet packet,WPT)分解重构算法的GPS抗多路径误差方法。利用实测GPS数据,确定了算法的最优参数,包括小波基函数、分解尺度、阈值法则以及阈值函数等,并与经验模态分解法(empirical mode decomposition,EMD)、小波变换(wavelet transform,WT)方法相比较,验证了本文WPT算法在去噪、抗差以及提取多路径误差序列方面具有一定优越性。实验结果表明,采用本文方法对实测GPS数据进行处理后,N、E、U三个方向上的精度分别提升23.5%、39.2%、18.5%,有效提高了GPS的定位精度。
(2)本文以某一高层建筑物(58m)为研究对象,研究建立了一套基于GPS进行高层建筑物动态特性监测以及形变规律分析的技术方法。采用GPS静态相对定位技术监测楼顶固定点的几何位移信息,并基于抗多路径误差方法,以及时序分析法提取了监测点的形变幅度、水平与高程方向位移、水平位移轨迹等动态特性信息。研究时段内可以发现随着气温的升高,监测点的形变幅度会逐渐增大;同时当气温达到最大值时,水平与高程方向的位移量达到最大值,分别为3.2mm与3.8mm;同时获取了大楼楼顶监测点的水平位移轨迹情况,发现温度变化会导致监测点产生短期的形变趋势,当气温上升时,监测点可能朝某一方向发生形变,但随着气温的下降,又回到初始位置。研究结果表明,正常的温度变化会造成建筑物结构的微小形变,但这种形变是在可允许的范围之内。
(3)本文基于ANSYS软件对温度场中建筑物的结构形变进行了有限元数值模拟分析,研究了温度变化与建筑物形变间的相互关系。数值仿真结果与实测数据结果一致,验证了本文结论的可靠性,为掌握高层建筑物的健康状况提供了重要的数据支持。图38幅,表19个,参考文献63篇。
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