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為了保證橋梁幾何、剛度狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，橋梁在施工和使用過程中，均需進(jìn)行關(guān)鍵截面的幾何狀態(tài)變形測試，這也是橋梁施工質(zhì)量控制、運(yùn)營檢測試驗(yàn)以及長期運(yùn)營監(jiān)測的重要內(nèi)容。特別是橋梁運(yùn)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(biāo)，也是評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的重要參數(shù)。

橋梁變形測試方法主要有——機(jī)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(jì)、機(jī)電百分表等；三角測量法，測試儀器如水準(zhǔn)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(yàn)中，機(jī)械測量法與電測法一般需要搭設(shè)支架等臨時(shí)設(shè)施，耗費(fèi)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(yīng)用；三角測量法只能在橋面兩側(cè)進(jìn)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測中，目前還沒有高效的變形實(shí)時(shí)監(jiān)測儀器和設(shè)備，嚴(yán)重制約著橋梁長期監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步。因此，急需研發(fā)新型變形測量設(shè)備，改進(jìn)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(chǔ)上，提出基于數(shù)字圖像技術(shù)和激光技術(shù)的變形測試新技術(shù)，研發(fā)了相關(guān)儀器設(shè)備,有效推動(dòng)了我國橋梁變形測試技術(shù)的進(jìn)步。

基于數(shù)字圖像技術(shù)的變形測試系統(tǒng)

數(shù)字圖像相關(guān)方法（DICM）是一種基于現(xiàn)代數(shù)字圖像分析技術(shù)的光學(xué)測量新方法。過去30年里，該技術(shù)在工程檢測領(lǐng)域中得到了飛速的發(fā)展。數(shù)字圖像相關(guān)方法又被稱為數(shù)字散斑相關(guān)方法，最早是在20世紀(jì)80年代初期，由美國南卡羅萊納州大學(xué)的Peters WH等人提出的。數(shù)字圖像相關(guān)方法實(shí)質(zhì)上是對變形前后結(jié)構(gòu)表面的光強(qiáng)分布圖采用相關(guān)運(yùn)算，從而測量出結(jié)構(gòu)的位移。與傳統(tǒng)的變形測量方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)方法可進(jìn)行全場非接觸性測量，測量精度高、測試過程簡單、自動(dòng)化程度高、對測量環(huán)境要求低。近些年來，眾多學(xué)者致力于數(shù)字圖像相關(guān)方法的理論研究及應(yīng)用，涌現(xiàn)出大量研究成果，推動(dòng)了該方法的發(fā)展。

基于DICM的結(jié)構(gòu)變形測試技術(shù)系統(tǒng)由CCD、鏡頭、靶標(biāo)和分析系統(tǒng)軟件組成。當(dāng)待測點(diǎn)產(chǎn)生位移時(shí)，與之連接的靶標(biāo)也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。CCD和鏡頭高頻采集靶標(biāo)上的數(shù)字化圖像，再通過計(jì)算機(jī)對采集到的圖像進(jìn)行同步處理，計(jì)算出圖像中標(biāo)靶A、B、C、D四點(diǎn)的中心坐標(biāo)的位移，通過換算就可以得到標(biāo)靶4個(gè)點(diǎn)中心點(diǎn)的實(shí)際位移，進(jìn)而得到待測點(diǎn)的實(shí)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(xué)結(jié)構(gòu)智能檢測技術(shù)研究所研發(fā)了用于橋梁荷載試驗(yàn)的QBD-A型結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)位移測試系統(tǒng)和用于橋梁長期監(jiān)測的QBD-B型結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)。QBD-A型結(jié)構(gòu)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(dòng)云臺，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高質(zhì)量成像。經(jīng)過處理可得到待測目標(biāo)的靜、動(dòng)態(tài)位移以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線，還可實(shí)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(diǎn)：（1）測試精度高，百米精度可達(dá)0.1mm，完全滿足橋梁及其他結(jié)構(gòu)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(biāo)測量模式，選點(diǎn)準(zhǔn)確、便捷，極大提高工作效率；（4）實(shí)現(xiàn)圖像內(nèi)多點(diǎn)捕捉，可同時(shí)測量多個(gè)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)靜動(dòng)態(tài)位移測試。QBD-A型結(jié)構(gòu)位移測試系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于橋梁荷載試驗(yàn)及其他結(jié)構(gòu)的相對變形測試中。

圖2 QBD-A型結(jié)構(gòu)位移測試系統(tǒng)

圖3 QBD-B型結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)

QBD-B型結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)基于單目視覺測量技術(shù),通過計(jì)算機(jī)圖形處理得到待測目標(biāo)的靜、動(dòng)態(tài)位移以及實(shí)時(shí)動(dòng)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(biāo)志件、測距模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及分析軟件?？蓪?shí)時(shí)顯示結(jié)構(gòu)二維變形動(dòng)態(tài)時(shí)程曲線，可設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)變形預(yù)警功能。結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，滿足結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測要求。QBD-B型結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的研發(fā)成功，解決了行業(yè)內(nèi)無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

基于激光基準(zhǔn)的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)

激光基準(zhǔn)圖像測量方法是將激光技術(shù)和視覺測量技術(shù)相結(jié)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)連續(xù)測量，近年來廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)變形測量和工業(yè)生產(chǎn)中。

激光基準(zhǔn)圖像測量方法是將智能激光靶標(biāo)固定在結(jié)構(gòu)待測點(diǎn)處, 從激光器發(fā)出的基準(zhǔn)激光束照射在接收靶標(biāo)的透射式接收屏上，形成一個(gè)帶圓形光斑的靶標(biāo)圖像光圖信息，被后置的CCD攝像機(jī)接收。CCD攝像機(jī)輸出的視頻信息經(jīng)過處理單元解算處理后，得到光斑在接收屏上的幾何坐標(biāo)位置。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境的影響, 沿某個(gè)方向移動(dòng)了某一個(gè)位移量，則接收靶標(biāo)上的光斑圖像產(chǎn)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(jié)構(gòu)相對多維度變形信息。

基于以上原理，長安大學(xué)結(jié)構(gòu)智能檢測研究所研發(fā)了激光基準(zhǔn)橋梁結(jié)構(gòu)撓度多維度智能實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于雙激光基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)橋梁的多維撓度參數(shù)檢測，利用光電檢測技術(shù)將橋梁結(jié)構(gòu)的多維撓變信息轉(zhuǎn)換為激光光斑中心在靶標(biāo)平面上的坐標(biāo)變換，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)求取出激光光斑中心的坐標(biāo)信息，從而間接解算出橋梁結(jié)構(gòu)的撓變信息。并通過無線4G-DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，方便用戶通過Web和App進(jìn)行信息的查看和處理。

圖4 基于雙激光基準(zhǔn)的梁體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測原理

激光基準(zhǔn)橋梁撓度多維度智能實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：（1）采用激光基準(zhǔn)，測試精度高，穩(wěn)定性好；（2）利用智能漫射靶標(biāo)，實(shí)時(shí)性高，嵌入式處理能力強(qiáng)；（3）數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)遠(yuǎn)程云平臺，無人值守，實(shí)時(shí)無線監(jiān)測；（4）檢測精度可達(dá)±0.1mm；（5）云平臺存儲，跨平臺Web和手機(jī)APP方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和處理。

基于激光基準(zhǔn)的橋梁撓度多維度智能實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)全天候橋梁多維度撓度檢測。被測橋梁的檢測數(shù)據(jù)通過GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器終端，在Web端和手機(jī)Android端便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

工程應(yīng)用

橋梁荷載試驗(yàn)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(yàn)的重要測試內(nèi)容，也是橋梁整體剛度評價(jià)的重要依據(jù)。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(yuǎn)距離橋梁變形測試系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)撓度測量。整個(gè)測試過程采用無靶標(biāo)測量模式，測試距離150m，焦距250mm。

圖5 測點(diǎn)選擇示意

圖6 靜載試驗(yàn)測試結(jié)果示意

測試結(jié)果表明，采用基于圖像法的結(jié)構(gòu)變形測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)橋梁特征點(diǎn)的非接觸、遠(yuǎn)距離、高精度、免靶標(biāo)多點(diǎn)位移測試。測試過程中，圖像清晰，測點(diǎn)捕捉簡單快捷，不易脫靶，且測試結(jié)果穩(wěn)定、精度高、速度快，極大提高了工作效率。

橋梁變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測

1.基于圖像法的實(shí)時(shí)動(dòng)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(jié)構(gòu)，主梁采用鋼桁梁。其29#橋塔采用塔梁同步施工的技術(shù)方案，如果采用傳統(tǒng)設(shè)備對橋塔變形進(jìn)行人工觀測，僅能做到對“靜態(tài)”橋塔的測量，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀測，觀測效率低、數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)時(shí)效性差，難以滿足塔梁同步施工的技術(shù)要求。

為了實(shí)時(shí)掌握橋塔施工中的縱、橫向位移和扭轉(zhuǎn)特征，在承臺對角線布置兩套QBD-B型結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)動(dòng)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(zhuǎn)變形，實(shí)現(xiàn)主塔位移的實(shí)時(shí)高精度測量。該變形實(shí)時(shí)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(biāo)志件、測距模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及分析軟件組成，可實(shí)時(shí)顯示主塔的多點(diǎn)縱橫向位移動(dòng)態(tài)時(shí)程曲線；通過設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)變形預(yù)警功能；基于WED技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)時(shí)動(dòng)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，墩高97m。為了掌握運(yùn)營期間主梁撓度變化情況，技術(shù)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(shí)時(shí)上傳多維度撓度信息，并輔以監(jiān)測軟件進(jìn)行全程撓度監(jiān)測。檢測數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器終端，在Web端和Android端實(shí)現(xiàn)對被檢測橋梁的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和狀態(tài)預(yù)警與評估。

圖9 WEB端橋梁多維度撓度數(shù)據(jù)曲線

測試結(jié)果表明，基于激光基準(zhǔn)的多維撓度檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁撓度的多維度參數(shù)高精度、全天候、實(shí)時(shí)檢測，采用網(wǎng)絡(luò)化方式，檢測參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)具有傳輸能力強(qiáng)、覆蓋范圍大、運(yùn)維成本低的優(yōu)勢，基于云平臺的數(shù)據(jù)存儲和處理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示、查詢，并能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的自動(dòng)預(yù)警，為未來大型基礎(chǔ)設(shè)施的信息化提供了基礎(chǔ)，對提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營效率，保障結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。

產(chǎn)品優(yōu)勢

（1）基于圖像技術(shù)的結(jié)構(gòu)變形測試新技術(shù)克服了傳統(tǒng)測試技術(shù)的缺陷，具有測試精度高、測量距離遠(yuǎn)、免靶標(biāo)、多點(diǎn)目標(biāo)捕捉和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量等突出優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于橋梁荷載試驗(yàn)、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(shù)的結(jié)構(gòu)變形測試新技術(shù)，為橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量提供了一種新的手段。該技術(shù)具有穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，安裝方便、成本低等特點(diǎn)。結(jié)合數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)遠(yuǎn)程云平臺系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集和分析。

（3）兩類結(jié)構(gòu)變形測試新技術(shù)已在國內(nèi)大型橋梁工程的荷載試驗(yàn)和長期監(jiān)測中推廣應(yīng)用，其優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)得到應(yīng)用單位的高度認(rèn)可，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和技術(shù)推廣價(jià)值。