中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
為了保證橋梁幾何、剛度狀態(tài)滿足設計要求，橋梁在施工和使用過程中，均需進行關鍵截面的幾何狀態(tài)變形測試，這也是橋梁施工質量控制、運營檢測試驗以及長期運營監(jiān)測的重要內容。特別是橋梁運營階段的活載撓度，是橋梁抵抗外荷載變形能力的重要指標，也是評價橋梁結構整體剛度的重要參數(shù)。
橋梁變形測試方法主要有——機械式測量法，測試儀器如千分表、百分表、連通管等；電測法，測試儀器如電測變形計、機電百分表等；三角測量法，測試儀器如水準儀、全站儀等，還有傾角儀檢測法、激光三角位移檢測法等。在橋梁荷載試驗中，機械測量法與電測法一般需要搭設支架等臨時設施，耗費大量人力物力，且無法在水上橋梁、通航（車）橋梁和高墩大跨橋梁應用；三角測量法只能在橋面兩側進行變形測試，無法反映橫向多片主梁撓度分布狀況。在橋梁實時動態(tài)位移監(jiān)測中，目前還沒有高效的變形實時監(jiān)測儀器和設備，嚴重制約著橋梁長期監(jiān)測技術的進步。因此，急需研發(fā)新型變形測量設備，改進和解決目前橋梁變形測試的不足。本文在傳統(tǒng)變形測試方法的基礎上，提出基于數(shù)字圖像技術和激光技術的變形測試新技術，研發(fā)了相關儀器設備,有效推動了我國橋梁變形測試技術的進步。
基于數(shù)字圖像技術的變形測試系統(tǒng)
數(shù)字圖像相關方法（DICM）是一種基于現(xiàn)代數(shù)字圖像分析技術的光學測量新方法。過去30年里，該技術在工程檢測領域中得到了飛速的發(fā)展。數(shù)字圖像相關方法又被稱為數(shù)字散斑相關方法，最早是在20世紀80年代初期，由美國南卡羅萊納州大學的Peters WH等人提出的。數(shù)字圖像相關方法實質上是對變形前后結構表面的光強分布圖采用相關運算，從而測量出結構的位移。與傳統(tǒng)的變形測量方法相比，數(shù)字圖像相關方法可進行全場非接觸性測量，測量精度高、測試過程簡單、自動化程度高、對測量環(huán)境要求低。近些年來，眾多學者致力于數(shù)字圖像相關方法的理論研究及應用，涌現(xiàn)出大量研究成果，推動了該方法的發(fā)展。
基于DICM的結構變形測試技術系統(tǒng)由CCD、鏡頭、靶標和分析系統(tǒng)軟件組成。當待測點產生位移時，與之連接的靶標也隨之產生相應的移動。CCD和鏡頭高頻采集靶標上的數(shù)字化圖像，再通過計算機對采集到的圖像進行同步處理，計算出圖像中標靶A、B、C、D四點的中心坐標的位移，通過換算就可以得到標靶4個點中心點的實際位移，進而得到待測點的實際位移。
圖1 基于DICM的變形測試系統(tǒng)組成示意
基于該原理，長安大學結構智能檢測技術研究所研發(fā)了用于橋梁荷載試驗的QBD-A型結構靜動態(tài)位移測試系統(tǒng)和用于橋梁長期監(jiān)測的QBD-B型結構變形實時動態(tài)測試系統(tǒng)。QBD-A型結構位移測試系統(tǒng)采用高精度圖像采集器、高性能變焦長焦鏡頭及自動云臺，可實現(xiàn)遠距離高質量成像。經過處理可得到待測目標的靜、動態(tài)位移以及實時動態(tài)曲線，還可實現(xiàn)沖擊系數(shù)、基頻及阻尼比測試。該測試系統(tǒng)具有如下突出優(yōu)點：（1）測試精度高，百米精度可達0.1mm，完全滿足橋梁及其他結構相對變形測試；（2）極限測試距離大于1000m，可用于超大跨徑橋梁變形測試；（3）采用免靶標測量模式，選點準確、便捷，極大提高工作效率；（4）實現(xiàn)圖像內多點捕捉，可同時測量多個測點，實現(xiàn)多點靜動態(tài)位移測試。QBD-A型結構位移測試系統(tǒng)可廣泛應用于橋梁荷載試驗及其他結構的相對變形測試中。
圖2 QBD-A型結構位移測試系統(tǒng)
圖3 QBD-B型結構變形實時動態(tài)測試系統(tǒng)
QBD-B型結構變形實時動態(tài)測試系統(tǒng)基于單目視覺測量技術,通過計算機圖形處理得到待測目標的靜、動態(tài)位移以及實時動態(tài)曲線。該系統(tǒng)主要包括高性能處理器、圖像采集裝置、長焦鏡頭、云臺、特征標志件、測距模塊、數(shù)據傳輸模塊及分析軟件?？蓪崟r顯示結構二維變形動態(tài)時程曲線，可設置閾值，實現(xiàn)變形預警功能。結合無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制，滿足結構長期監(jiān)測要求。QBD-B型結構變形實時動態(tài)測試系統(tǒng)的研發(fā)成功，解決了行業(yè)內無法進行遠距離實時監(jiān)測結構變形的難題，并首次在我國最大的公鐵兩用斜拉橋——滬蘇通長江大橋施工監(jiān)控中成功應用。
基于激光基準的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)
激光基準圖像測量方法是將激光技術和視覺測量技術相結合的一種非接觸變形測量方法。激光圖像測量方法具有測量速度快、精度高、穩(wěn)定性好等特點，可實現(xiàn)遠距離自動連續(xù)測量，近年來廣泛應用于結構變形測量和工業(yè)生產中。
激光基準圖像測量方法是將智能激光靶標固定在結構待測點處, 從激光器發(fā)出的基準激光束照射在接收靶標的透射式接收屏上，形成一個帶圓形光斑的靶標圖像光圖信息，被后置的CCD攝像機接收。CCD攝像機輸出的視頻信息經過處理單元解算處理后，得到光斑在接收屏上的幾何坐標位置。當被測結構受外界環(huán)境的影響, 沿某個方向移動了某一個位移量，則接收靶標上的光斑圖像產生相對位移。通過采集和處理前后兩次的圖像信息， 就可解析出結構相對多維度變形信息。
基于以上原理，長安大學結構智能檢測研究所研發(fā)了激光基準橋梁結構撓度多維度智能實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于雙激光基準實現(xiàn)橋梁的多維撓度參數(shù)檢測，利用光電檢測技術將橋梁結構的多維撓變信息轉換為激光光斑中心在靶標平面上的坐標變換，通過數(shù)字圖像處理技術求取出激光光斑中心的坐標信息，從而間接解算出橋梁結構的撓變信息。并通過無線4G-DTU實現(xiàn)數(shù)據遠程傳輸，方便用戶通過Web和App進行信息的查看和處理。
圖4 基于雙激光基準的梁體結構變形監(jiān)測原理
激光基準橋梁撓度多維度智能實時監(jiān)測系統(tǒng)具有如下技術特點：（1）采用激光基準，測試精度高，穩(wěn)定性好；（2）利用智能漫射靶標，實時性高，嵌入式處理能力強；（3）數(shù)據網聯(lián)遠程云平臺，無人值守，實時無線監(jiān)測；（4）檢測精度可達±0.1mm；（5）云平臺存儲，跨平臺Web和手機APP方便用戶進行數(shù)據查詢和處理。
基于激光基準的橋梁撓度多維度智能實時監(jiān)測系統(tǒng)，結構簡單、安裝方便、抗干擾能力強。系統(tǒng)采用太陽能光伏系統(tǒng)供電，安裝不受環(huán)境的限制，可實現(xiàn)全天候橋梁多維度撓度檢測。被測橋梁的檢測數(shù)據通過GPRS/4G網絡傳輸?shù)皆品掌鹘K端，在Web端和手機Android端便可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。
工程應用
橋梁荷載試驗中的相對變形測試
橋梁控制截面位移測試是橋梁荷載試驗的重要測試內容，也是橋梁整體剛度評價的重要依據。依托某五跨鋼管混凝土系桿拱橋（跨徑組合為50+50+80+50+50m），采用QBD-A型遠距離橋梁變形測試系統(tǒng)進行靜態(tài)撓度測量。整個測試過程采用無靶標測量模式，測試距離150m，焦距250mm。
圖5 測點選擇示意
圖6 靜載試驗測試結果示意
測試結果表明，采用基于圖像法的結構變形測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)橋梁特征點的非接觸、遠距離、高精度、免靶標多點位移測試。測試過程中，圖像清晰，測點捕捉簡單快捷，不易脫靶，且測試結果穩(wěn)定、精度高、速度快，極大提高了工作效率。
橋梁變形實時動態(tài)監(jiān)測
1.基于圖像法的實時動態(tài)變形監(jiān)測
依托工程——滬蘇通大橋主航道橋。該橋主跨1092m，是世界上最大跨度公鐵兩用斜拉橋。大橋主塔高330m，采用鉆石形混凝土塔柱結構，主梁采用鋼桁梁。其29#橋塔采用塔梁同步施工的技術方案，如果采用傳統(tǒng)設備對橋塔變形進行人工觀測，僅能做到對“靜態(tài)”橋塔的測量，無法實現(xiàn)動態(tài)觀測，觀測效率低、數(shù)據量少、數(shù)據時效性差，難以滿足塔梁同步施工的技術要求。
為了實時掌握橋塔施工中的縱、橫向位移和扭轉特征，在承臺對角線布置兩套QBD-B型結構變形實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于觀測橋塔順橋向變形、橫橋向變形、扭轉變形，實現(xiàn)主塔位移的實時高精度測量。該變形實時測試系統(tǒng)主要由高性能處理器、圖像采集裝置、長焦鏡頭、云臺、特征標志件、測距模塊、數(shù)據傳輸模塊及分析軟件組成，可實時顯示主塔的多點縱橫向位移動態(tài)時程曲線；通過設置閾值，實現(xiàn)變形預警功能；基于WED技術，可實現(xiàn)遠程測試，滿足長期監(jiān)測要求。
圖7 監(jiān)測系統(tǒng)布置
圖8 監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面
2.基于激光法的實時動態(tài)位移監(jiān)測
金水溝九龍大橋位于陜西省渭南市合陽縣108國道1110km處，是一座大跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋，墩高97m。為了掌握運營期間主梁撓度變化情況，技術人員在主梁安裝了激光撓度測試系統(tǒng)。采用雙激光檢測平臺，可以實時上傳多維度撓度信息，并輔以監(jiān)測軟件進行全程撓度監(jiān)測。檢測數(shù)據可通過網絡傳輸?shù)皆品掌鹘K端，在Web端和Android端實現(xiàn)對被檢測橋梁的實時在線監(jiān)測和狀態(tài)預警與評估。
圖9 WEB端橋梁多維度撓度數(shù)據曲線
測試結果表明，基于激光基準的多維撓度檢測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)橋梁撓度的多維度參數(shù)高精度、全天候、實時檢測，采用網絡化方式，檢測參數(shù)實時傳輸。系統(tǒng)具有傳輸能力強、覆蓋范圍大、運維成本低的優(yōu)勢，基于云平臺的數(shù)據存儲和處理，可以實現(xiàn)數(shù)據的遠程顯示、查詢，并能夠實現(xiàn)橋梁結構狀態(tài)的自動預警，為未來大型基礎設施的信息化提供了基礎，對提高工程結構的運營效率，保障結構的安全具有重要意義。
產品優(yōu)勢
（1）基于圖像技術的結構變形測試新技術克服了傳統(tǒng)測試技術的缺陷，具有測試精度高、測量距離遠、免靶標、多點目標捕捉和實時動態(tài)測量等突出優(yōu)勢，可廣泛應用于橋梁荷載試驗、橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測等長期變形監(jiān)測中。
（2）基于激光技術的結構變形測試新技術，為橋梁結構實時動態(tài)測量提供了一種新的手段。該技術具有穩(wěn)定性好、實時性高、精度高等優(yōu)點，安裝方便、成本低等特點。結合數(shù)據網聯(lián)遠程云平臺系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程變形實時動態(tài)采集和分析。
（3）兩類結構變形測試新技術已在國內大型橋梁工程的荷載試驗和長期監(jiān)測中推廣應用，其優(yōu)良的技術指標得到應用單位的高度認可，具有廣闊的工程應用前景和技術推廣價值。
