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斯图加特电视塔-阳光和风所引起的位移响应
Peter Breuer a, Tadeusz Chmielewski b,lowast;, Piotr Goacute;rski b, Eduard Konopka a,b, Lesław Tarczyński
University of Applied Sciences, Schellingstrasse 24, 70174 Stuttgart, Germany
Opole University of Technology, ul. Katowicka 48, 45-061 Opole, Poland
摘要: 静态、准静态和动态结构变形的监测在当今最可能使用的方法是全球定位技术(GPS)。本文介绍了斯图加特的电视塔是使用静力学、运动学GPS监测模式。塔的位移由两个因素引起。引起静态位移的因素一个是太阳辐射强度，另一个是不同季节和天气条件下变化的温度。动态位移是由风引起的。结果清楚地表明我们能利用GPS程序收集位移数据,同时还用来确定位移阀值的塔和检验振动特性的变化。这些数据对于塔的完整性和可靠性评估是宝贵的。
关键字：全球定位系统，全面测量，位移和振动性能的监测
1.引言
在过去的10年里,具有10 - 20赫兹的采样率的全球定位系统(GPS)已成为一个有用的工具，用来检测在风、地震或温度变化时土木工程结构的静、静态和动态反应。GPS不但广泛应用于常规的大地测量,而且还包括地震和地质研究、检测、测量、监控尺寸的微妙变化或地球表面的相对位置的变化(例如Helz[1])。有史以来第一次，永久也是首先安装在屋顶的两座建筑，一个在旧金山，另一个在洛杉矶。地震和强风的运动记录将用于计算这些建筑物的漂流率和动态特性-Celebi[2]等人[3]。其中，德系犹太人[4]和Roberts等人[5]，Brown等人[6]用临时安装GPS的单位来衡量大跨度索支撑桥梁在风影响下的位移响应；Breuer等人[9]，Tamura等人[10]应用GPS技术研究自身修长的建筑的位移响应，如电视发射塔，工业烟囱结构或钢塔。Kijewski和Kareem[11]，Chen等人[12]，Celebi和Sanli[3]，Bashor等人[18]应用GPS测量在风和地震作用下得高层建筑的位移响应。
最近，一些校准测试已经对GPS的精度进行了评估。NickitopoUlou等人[13]，通过旋转的GPS罗浮天线和与真实测量相近的坐标数据，进行了大量的谐波运动试验。Chen等人[14]研发了一个能够模拟不同二维运动类型的仿真转台，用来模拟在水平方向的高层建筑或在垂直方向的大跨度桥梁。Tamura[10]，Breuer[9]等一些人对其已进行了校准测试。第一项工作，GPS准确地记录高振动频率和识别多于一种的显性频率，已经由Psimoulis等人[20]完成。
在日常工程中，特别需要一个能够衡量风引起动态位移响应或太阳引起高大工业烟囱的准静态位移响应或者电视塔在水平力作用下的位移响应的装置。为了有助于解决这类问题，GPS暂时被安装在了斯图加特的电视塔上。本文介绍了在此塔上进行的实地试验，试验的目的是衡量在不同天气季节和条件的变化下，由风结合太阳辐射以及日常空气温度的影响引起的塔顶位移。这些测试提供的数据表明，从1959的预测试验开始，在第一阶固有频率下没有过大的位移和变化。因此，斯图加特电视塔在50年后整体结构仍然完好无损。
图1 拥有一个塔头和观景平台的斯图加特电视塔。小阳台上方有危险灯和灯塔设施。
2.斯图加特电视塔和先前测量的动态特性
这座电视塔是由Fritz Leonhardt教授于1953年至1955年设计建造的。这是全世界第一座以混凝土管建造的电视塔。混凝土轴高161米。管壁厚度从60厘米缩小到19厘米。在轴的上端安装了一个51米长的钢天线桅杆。1955年，电视塔的总高度是210米，其绝对海拔高度是700米。
塔的概念，结构体系，施工的一些细节，成本，对由于太阳辐射和每天的气温变化引起的基础和塔轴的准静态位移测量的假定都写在了Leonhardt的文章中[15]。在设计理念方面，Leonhardt在1953-1954年设计了项目和结构体系，而塔的静态计算又Pieckert设计室给出。他们还给出了这个塔的基本自振周期的结果：T1=4.71S-基于塔基是固定的假定；T1=6.0S-塔基础下土体按柔性考虑。
地面以上125米，塔头以下11米的一点，在1956年8月的一天（没有给出具体时间），由传统的大地测量方法进行准静态位移测量。这一点的运动路径是一个长轴为8厘米的东西方向的椭圆。这一天的天气状况并未给出。Leonhardt的文章[15]也有提示，可能的情况下应该测量风塔响应。这在3年后由Lenk实现并在50年后由作者再次实现。
第一个由风引起的振动响应的测量是由Sauer[17]完成的。这些都没有公布出来。是在1956年的5月3日到5月28日期间测出的。在155米高的电梯里，他安装了一个叫Lemag-Seismo-Schwingschreiber[16]的能够测量的仪器，然后将风振响应和东西方向的位移响应记录在了纸条上。在一个约8米/秒的风速下（在高出地面10米处衡量），他进行了风致振动的测量，确定了前两个自然振动的周期如下：T1=4.6S,T2=0.77S。
图2 斯图加特电视塔的GPS安装在观景台上方5米处的阳台扶手上。
三年后塔的自由振动响应和风致振动响应由Lenk[16]测量。风振动响应的测量从1959年6月23日持续到12月22日。他在155米高的位置安装了两个Lemag-Seismo-Schwingschreiber，用来测量塔在两个方向的响应，即东西方向和南北方向。在自由振动试验中，塔的静态平衡被一根直径为24毫米的连接塔顶和地面起重机的绳子扰动。绳子被砍断后，塔自由振动回直立位置，同时记录下数据。自由振动试验反复做了四次。Lenk[16]从自由振动记录中确定了前两个自然振动周期：T1=5.18S(f1=0.193Hz)和T2=0.79(f2=1.27Hz)和递减对数delta;1=0.039和delta;2=0.021。这些是四次试验得到的平均值。
Lenk主要测量风速和风引起塔的响应。在他的文章[16]中指出，1959年下半年的风相对较弱的风更暖和。在这样的情况下，他用在三个高度（61.0米，104.8米和140.4米）处测量出的横风的风速函数和风压分布绘出了图表。在这些级别上，他安装了6个压力传感器（在塔周围均匀分布）。基于这些测量数据，他编制了风速和风压分布的轮廓曲线。
自1998年以来，斯图加特电视塔的监测暂时由本文的作者执行。罗浮天线被牢牢固定在南面采光的阳台扶手上，图2。由于塔的直径线性变化，整体框架刚度很大。只有在强风作用下，塔自身的振动才能体现出来，事实上塔的风振响应从未被观测到。当然，一个人工激起的扶手振动有可能只是几毫米的位移变化。相对于塔顶几厘米的位移来说是非常小的。此外于2008年3月4日测量的扶手自由振动，发现了一个约11Hz的固有频率。这个频率与第一个自然频率的顺序不同，约等于0.2Hz的自然频率。因此，扶手的可能振动并没有影响到我们对风振响应的解释。
我们测量的初步结果发表在一份文章中。在本文第6-8部分给出了新的成果与以前测量的动态特性的比较。
3.GPS使用方法
塔顶端的位移测量采用光学测量方法，仅仅只能在白天有足够的能见度时使用。振动不能由传统的测量技术监测，因为振荡频率过高。
图3 24h下天空平台通过斯图加特电视塔卫星绘制的运行轨迹。在天空的北方部分没有轨道。罗浮天线被放置在了走道的南面，用于限制没有卫星出现的北面。
使用全球定位系统（GPS）数据，则不需要考虑天气的因素。使用两个双频接收机的信号，可以跟踪下降到0.05秒的数据，这可以直接并且足够非常精准地记录振动数据。自动记下数天GPS数据的采集。
GPS定位需要可行性和接收卫星信号。对于静态GPS应用程序至少需要4颗卫星；动态GPS应用程序至少需要5颗卫星。用于接收卫星信号的最佳天空条件是有一个清晰的视野。这种情况是真实地参考天线和罗浮天线。
此外，当地的建筑物和树木也可能妨碍和遮挡信号的接收。因此在狭窄的街道或靠近建筑物或接近其他障碍进行GPS定位可能很困难或不可能。问题发生在当罗浮天线不能安装在塔顶的甲板上或电视塔走道上时，水平方向很大部分会被结构自身阻挡。为了最大限度减少对信号的阻碍，罗浮天线应安装在塔的南边或尽量远离塔壁。
卫星在天空中的分布并不均匀。在北半球，卫星在天空的北边明显有缺陷。如果尽可能按安装书中所描述的有利方式来优化信号的接收，阻碍信号的数量和时间可以减少（图3）。整个白天使用的卫星数量不多（4到10个），它们在天空中的位置并不固定，但通常能找到一个成功定位的机会。
根据我们的经验，在一天内阻隔烟囱顶端甲板部分的信号接收，造成5%-10%的损失。丢失解决方案的数量，取决于当地的条件和应用GPS装置的质量。
此外，另一个GPS问题是由邻近建筑物或反光面引起的。所谓的多径效应，发生在地面电子测量距离上，有时也出现在GPS应用上。发生这种情况时，传感器接收的不仅是直接的信号，还有从附近的反射面反射的信号。这种事使定位系统在一定时间内产生偏差，即几分钟内几厘米的偏差。大地测量学和测量学企图通过延长GPS的监测时间，以尽量减少这种影响。另一种检测和避免多径影响的方法，是重复其他时间的观察，因为白天卫星的覆盖范围在变化。另一种获得独立结果的方法是使用第二个参考站。
检测和最大限度的减少系统误差，长期监测和多次的重复记录，已经应用于结构的GPS监测，这在下面的章节中有所描述。因此系统地伪造定位结果是可以识别并消除的（3%）。
此外，反映的问题已大大减少，因为相比飞机来说塔有曲面。当进行风致振动监测时，如果振动的时期，是比多路径或其他系统的影响引起的系统性伪造期间少的多时，系统化伪造的绝对位置不显著。作为一个相对位移监测结构的风振响应时间，仅几秒钟而已。因此，如果重点不是静风响应的组件时，振幅和振动频率是可以被精确的分析出来的，并不取决于流动站的绝对位置和其准确性。
所谓的静态模式或运动模式，可以确定罗浮天线的位置。假设没有罗浮天线的运动，在测量应用中静态模式是最常见的方法。由于GPS监测塔被限制在10分钟的时间间隔，加上温度的变化（4厘米/小时），建设的位置被认为是温和的转变，并在该期间是稳定的。运用模式用于监测动态效果，例如如果在风的作用下塔开始摇动。在运动模式中，改正罗浮天线的卫星信号是把附近位置另一个同时作业的天线作为参考，开始计算。
在数据采集方面，GPS为每一次静态后处理提供的提供每一个坐标记录三次。可以引进所谓的RINEX格式，对运动后处理的参数（Kinematic On-the-Fly）组装的数据进行转换。每一次记录，运动学的处理都提供了约1000个位置。1000个位置平均对应从静态解决得出的独特结果。作为第一步，对每10米记录采用静态模式进行评估。当风记录在场时，仅仅是之后尝试的一个运动模式求解方式。
4.GPS应用于实验室试验的精度
在过去的10年，我们所有的研究，专门用于Leica Geoystem GPS接收机（型号300，500,1200）。从2006年以来，只有GPS1200接收机用于斯图加特电视塔的监测。GPS1200接收机的接收器为适当的LGO软件组合提供更好的定位，即使是在不利的卫星窗口也行。在白天与老化的设备相比，悬而未决的基准线的数量明显减少了约50%。
在1998年和1999年斯图加特电视塔使用GPS之前，做了一个试验用于预测估计其精确度[19]。这个想法是通过使用一个模式或罗浮天线追踪一个知名的天线痕迹，来比较GPS的位置与给定的加工路线。一个垂直规则，或一个直角三角形的边，可以被用作一种方便的测试模板，其中罗浮天线被手动沿边缘一条直线移动。手动引导天线的缺点是引起在天线垂直边缘沿模板和表面粗糙的摩擦和损失的不确定。如果罗浮天线固定在一个绕固定中心旋转的旋转臂上，就会得到一个高精度的测试程序。
图4 罗浮天线安装在了一个三脚架的旋转臂上。背景：混凝土块上的钢天线。
图4显示了这样的建筑原型，根据从100米到1万米的不同基线长度，自1998年到1999年用于测试GPS定位的精度[19]。图5显示了两个不同的圆直径（25厘米和49厘米）罗浮天线跟踪监测结果。从给定的过程的平均方差得到如果监期限不超过5分钟约为3-4毫米，否则系统可能影响上述讨论产生系统性转变。通过在地面地图的图形分析，建议限制人数减少至最低的轨道，否则设计可能会造成混淆。图5在一个2.5分钟的时间内提
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