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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: 现在可以使用全球定位系统（GPS）技术监测长周期结构的静态，准静态和动态变形。本文介绍了使用静态和动态GPS模式监控斯图加特电视塔的方式。塔的位移是由两个因素引起的。准静态位移是由不同天气季节和条件下太阳辐射与日常气温变化的综合影响引起的。动态位移是由风引起的。结果清楚地表明，使用GPS测量的程序允许我们收集位移数据，该位移数据可用于确定塔的位移阈值和/或检查振动特性的变化。该数据对于评估塔的完整性和可靠性是有价值的。
1.引言
在过去的十年里, 具有10-20 Hz采样率的全球定位系统（GPS）已成为测量和监测暴露于阵风，地震或地震的长期土木工程结构中的静态，准静态和动态响应的有用工具。GPS主要应用于传统的大地测量，也用于地震和地质研究，以探测，测量和监测地球表面形状或相对位置的细微变化（例如Helz [1]).在洛杉矶和旧金山的两座建筑物的屋顶上首次安装了永久性和先锋性的GPS装置，现已完成。地震和强风引起的运动记录将用于计算这些建筑物的漂移率和动态特性的变化。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。
在日常工程生活中，非常需要测量高工业烟囱或电视塔的风致动态位移响应或太阳引起的准静态位移响应，主要是在水平面上。为了解决这些问题，GPS装置暂时安装在斯图加特电视塔顶部。本文描述了在该塔上进行的现场测试，以测量由风引起的塔顶位移以及在不同天气季节和条件下太阳辐射与日常气温变化的综合影响。这些测试提供的数据表明，自1959年实验估计以来，第一固有频率没有过度位移和变化。因此，斯图加特电视塔在使用寿命50年后似乎在结构上完好无损。
图1 斯图加特电视塔，塔顶和观景台。平台上方设有带危险灯和灯塔装置的小阳台。
2.斯图加特电视塔和先前测量的动态特性
斯图加特电视塔由弗里茨莱昂哈特教授于1953年至1955年设计和建造。这是世界上第一座被建造成混凝土管的电视塔。混凝土轴高161米。其底部直径为10.8米，末端直径为5.04米。壁厚从60厘米减小到19厘米。在轴的上端安装一个钢制天线桅杆（图。1），高51米。1955年电视塔的总高度为212米。它的海拔绝对高度为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，Lenk对塔的自由振动响应和风响应进行了测量.风力响应的测量是在1959年6月23日至12月22日期间连续进行的。他安装了两个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，斯图加特电视塔一直受到本文作者的临时监控。罗孚天线紧紧地固定在南光阳台的扶手上，图2。由于其外壳形成的直径，框架的刚度非常高。只有在强风期间才能假设扶手本身的振动，但实际上从未观察到该框架的风引起的振动。当然，扶手的手动激励振动可以达到几毫米的横向位移。这是一个非常小的位移，相对于几厘米的塔顶的预期位移。此外，在2008年3月4日测量了扶手的自由振动，发现其具有约11Hz的第一固有频率。该频率与塔的第一固有频率的顺序大致相等0.2Hz。因此扶手的可能振动不应影响我们对风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。
无论能见度或天气如何，都可以使用全球定位系统（GPS）。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。
G GPS定位需要卫星信号的可用性和接收。对于静态GPS应用，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，诸如建筑物或树木之类的局部障碍物可能通过遮蔽和阻挡广播信号来阻碍接收。因此，在狭窄的街道中或靠近建筑物或靠近其他障碍物的GPS定位可能是困难的或不可能的。当漫游天线无法安装在塔台上方时，会出现此问题，但仅在该塔的图库上，其中大部分地平线被结构本身阻挡。为了最大限度地减少阻塞信号的数量，罗孚天线应安装在结构的最南端，并尽可能远离塔壁。
卫星在天空中的分布不均匀。在北半球，天空的北部区域明显缺乏卫星。如果可以以所描述的有利方式安装天线以优化信号接收，则可以减少阻塞信号的数量和持续时间（图3).在白天，可用卫星的数量变化（从4到多达10）并且它们在天空中的位置不是恒定的，但通常会出现成功定位的机会。
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。
为了检测并最小化所提到的系统误差，在结构的GPS监测中应用了长监测会话（最多100小时）和大量重复（最多200个），如以下部分所述。因此通过多径效应系统地伪造的结果可以被识别和消除（大约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，因此，如果焦点不是针对风响应的静态分量，则可以精确地分析振动的幅度和频率，并且与绝对流动站位置及其精度无关。
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。运动模式用于监测动态效果，例如，如果塔开始被风摇动。在运动模式中，对漫游天线的卫星信号的校正是从另一个同时操作的参考天线计算的，该天线固定在附近的位置。
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，尝试使用静态模式评估每个10米的会话。仅在风存在的那些会话中，之后尝试了运动模式解决方案。
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）。自2006年以来，只有GPS1200用于监控斯图加特电视塔。即使在不利的卫星窗口期间，接收器GPS1200与适当的LGO软件相结合也能提供更好的定位。与旧设备相比，白天未解决的基线数量（无模糊度分辨率）明显降低了约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。直线规则或直角三角形的边缘可以用作方便测试的模板，沿着其边缘手动地以直线移动流动站天线。手动引导天线的缺点是跟随边缘的不准确性以及由沿模板的摩擦和表面粗糙度引起的天线垂直度的损失。如果将罗孚天线固定在绕固定中心转动的旋转臂上，则给出了高精度的测试程序。
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.显示监控Rover天线轨道的结果，具有两个不同的圆直径（25和49 cm）。如果监测时间不超过5分钟，则给定过程的均方差约为3-4毫米;否则上面讨论的可能的系统性影响会产生系统的转变。对于地图中的图形分析，建议将轨道数限制在最小值，否则设计可能会造成混淆。图5在2.5
资料编号：[5979]
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