甘維兵，胡文彬，張 瑤，劉 芳，李 盛，符晶華

（1. 武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

基于光纖陀螺的橋梁微小形變檢測技術(shù)

甘維兵1,2，胡文彬2，張 瑤2，劉 芳2，李 盛2，符晶華2

（1. 武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

橋梁是現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)最重要的組成部分，形變又是評價橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況最重要的指標(biāo)之一。考慮到傳統(tǒng)形變檢測技術(shù)存在諸多不足，為了實(shí)現(xiàn)橋梁微小形變的快速、連續(xù)檢測，準(zhǔn)確直觀地定位橋跨最大下?lián)咸帲岢隽嘶诠饫w陀螺（FOG）的微小形變檢測新方法，設(shè)計(jì)出了基于 FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)（CDMS）。通過對標(biāo)定路段和大型跨江橋梁結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行測試，并輔以水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，結(jié)果表明：對于100 m的標(biāo)定路段，檢測精度可以達(dá)到5 mm；對于跨徑為400 m的跨江大橋，檢測精度可以達(dá)到2 cm?；贔OG的線形檢測系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)測試過程中，無需封路，不影響交通，具有方便、快捷、測量點(diǎn)連續(xù)、精度高等特點(diǎn)，尤其是在大跨橋梁的微小形變檢測中具有傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。

橋梁工程；微小形變；光纖陀螺；連續(xù)線形；最大下?lián)?/p>

橋梁是現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)最重要的組成部分。橋梁結(jié)構(gòu)在外力作用下會產(chǎn)生形變，而各種病害如裂縫、預(yù)應(yīng)力損失等最終也將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，因而形變是評價橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況最重要的指標(biāo)之一[1]。目前形變檢測的主要方法有采用光學(xué)儀器建立水準(zhǔn)控制網(wǎng)進(jìn)行測量、連通管測試系統(tǒng)、激光測量系統(tǒng)、光電圖像式測量系統(tǒng)以及GPS法等新型測試方法。

利用水準(zhǔn)測量方法實(shí)現(xiàn)對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋撓度變形的監(jiān)測已經(jīng)沿用到現(xiàn)在，然而水準(zhǔn)控制網(wǎng)的建立過程較為復(fù)雜，耗時長，受環(huán)境影響較大。王安元[2]在重慶菜園壩長江大橋橋梁荷載試驗(yàn)過程中使用了連通管測試技術(shù)，該系統(tǒng)通過測量各測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的液面壓力差來得到各測點(diǎn)的撓度值，不僅需要預(yù)鋪水管，而且在使用過程中存在著響應(yīng)時間慢，施工及維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。熊友誼[3]等人采用激光掃描的方法對橋梁形變進(jìn)行檢測，并輔以精密水準(zhǔn)測量進(jìn)行對比。楊小森、Yan Yu[4-5]等人提出了一種基于傾角儀和振型分解法的橋梁結(jié)構(gòu)撓度測試方法。激光測量系統(tǒng)和光電圖像式測量系統(tǒng)主要是通過光學(xué)系統(tǒng)捕捉光斑或成像的位置變化得出光源的相對位置變化，這兩種測量系統(tǒng)都必須在橋上安裝固定設(shè)備作為參考點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備移動后無法獲得最初的測量基準(zhǔn)狀態(tài)，無法滿足長期測量要求，而且不同氣候條件對測量均有影響。劉浩、Ting-Hua Yi[6-10]等人采用GPS技術(shù)對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行檢測，對形變部位的坐標(biāo)值進(jìn)行殘差修正補(bǔ)償，減小轉(zhuǎn)化坐標(biāo)誤差對測量的影響，并提出了采用CFRP加固方法進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)。GPS技術(shù)通過接收導(dǎo)航衛(wèi)星的載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)來實(shí)時測定站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，是一種新型的實(shí)時測量技術(shù)。GPS受外界環(huán)境影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的自動監(jiān)測。然而該技術(shù)在測量高程上精度較差，無法達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)高精度形變測量要求，且成本較高，易受橋塔或斜拉索的干擾，無法展開大規(guī)模應(yīng)用。

綜上所述，傳統(tǒng)測量方法均存在檢測周期長，實(shí)施成本高，測量點(diǎn)不連續(xù)等特點(diǎn)，很容易遺漏結(jié)構(gòu)存在的潛在病害部位，難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)對微小形變檢測的快速、連續(xù)、精準(zhǔn)需求。王立新[11]等人最早于2002年就提出了將光纖陀螺用于工程結(jié)構(gòu)形變測量，張卓敏[12]等人也于2014年提出了將光纖陀螺用于大跨橋梁連續(xù)線形檢測，兩者均采用的是結(jié)構(gòu)形變測量的近似算法，測量誤差較大，精度很難得到保證。本文根據(jù)光纖陀螺（FOG）對角速度敏感的特性，結(jié)合載體運(yùn)行時提供的高分辨率里程信息，采用微小形變檢測新算法推導(dǎo)了FOG用于形變測量的基本原理和方法，設(shè)計(jì)出了基于光纖陀螺的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)（CDMS），并將該系統(tǒng)應(yīng)用于試驗(yàn)段小型拱橋和大型跨江橋梁結(jié)構(gòu)線形測試，其檢測精度較高，測試效果良好。

1 光纖陀螺用于形變檢測的原理及算法

1.1 光纖陀螺用于形變測量的近似算法

利用光纖陀螺可精確測量載體運(yùn)動姿態(tài)角的特點(diǎn)。采集當(dāng)載體運(yùn)動時陀螺儀和加速度計(jì)相對慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度和線加速度沿運(yùn)載體坐標(biāo)系分量，結(jié)合里程儀的輸出信息，采用捷聯(lián)矩陣及積分運(yùn)算方法即可推導(dǎo)出載體的運(yùn)動軌跡[13-15]。具體描述如圖1所示。

圖1 光纖陀螺用于形變測量的基本原理Fig.1 Principle of deformation detection based on FOG

假設(shè)運(yùn)載體從i點(diǎn)運(yùn)動到i+1點(diǎn)，根據(jù)積分極限相似理論，當(dāng)其運(yùn)行時間間隔t極限小時，第i+1點(diǎn)的坐標(biāo)(Xi+1,Yi+1)可以近似表示為：

其中，運(yùn)載體的線速度為 Vi+1，角速度為 ωi+1，運(yùn)載體與結(jié)構(gòu)表面的初始夾角為θi。假設(shè)載體前后輪間距L是可以忽略不計(jì)的，將運(yùn)載體視為一個質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)式(1)和(2)建立的遞推函數(shù)關(guān)系,即可開展運(yùn)載體沿待測結(jié)構(gòu)表面運(yùn)行時連續(xù)線形軌跡的計(jì)算，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行的軌跡即為待測結(jié)構(gòu)表面形變曲線。

1.2 光纖陀螺用于微小形變檢測的改進(jìn)算法

在檢測結(jié)構(gòu)微小形變時，將載體視為一個質(zhì)點(diǎn)，用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡來代替結(jié)構(gòu)表面形變將會給測量帶來較大偏差。在實(shí)際測量時，運(yùn)載體承載平臺與待測結(jié)構(gòu)表面曲線的位置關(guān)系如圖2所示，B、A分別為運(yùn)載體前、后車輪與待測曲線的接觸點(diǎn)，前后車輪間距AB為L。當(dāng)載體沿著結(jié)構(gòu)表面運(yùn)行時，陀螺的輸出與割線AB傾斜角變化直接相關(guān)，前、后輪里程計(jì)分別記錄B、A兩點(diǎn)行進(jìn)的距離。

圖2 運(yùn)載體與待測曲線的位置關(guān)系Fig.2 Position relationship between the carrier and the curve

假定A、B兩點(diǎn)在曲線f(x)上運(yùn)動，A、B兩點(diǎn)屬于剛性連接，在運(yùn)動過程中距離保持恒定。i時刻A、 B兩點(diǎn)在處，i + 1時刻A、 B兩點(diǎn)運(yùn)動到從i到 i+1時刻，B、A兩點(diǎn)行進(jìn)的距離分別為 Δsb、Δsa，其中AiBi與Ai+1Bi+1的夾角為 θi，其輸出模型為：

由以上輸出模型可知：相比將運(yùn)載體視為一個質(zhì)點(diǎn)的近似算法，新算法中的運(yùn)載體與曲線接觸點(diǎn)A、B更好地把握了系統(tǒng)與待測曲線在實(shí)際運(yùn)動中的位置關(guān)系，客觀地采用割線AB傾斜角的變化反映陀螺的輸出，無需考慮割線AB是否近似為切線的問題，其測量結(jié)果更加真實(shí)、準(zhǔn)確，特別適合結(jié)構(gòu)微小形變的精確測量。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及檢測精度分析

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)主要由剛性四輪小車（運(yùn)載體）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、里程儀及接口電路、蓄電池、光纖陀螺五大部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 基于光纖陀螺的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)Fig.3 Line-shape detection system for based on FOG

光纖陀螺用來敏感載體運(yùn)動時的角速度變化，前、后輪高分辨率里程儀用來實(shí)時記錄載體運(yùn)行時的里程信息，輔助加裝的位置傳感器用于修正邊界點(diǎn)，減振器用來緩解路面不平整帶來的顛簸，便攜式計(jì)算機(jī)用來實(shí)時采集和分析來自車體的相關(guān)信息。采用剛性四輪小車將以上各種傳感器、裝置及FOG集成于一體，即可構(gòu)成基于FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)。其解算基本思路是將光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)及里程計(jì)的輸出信息進(jìn)行解算和航位推算就可以得到載體運(yùn)行的軌跡，再利用起始點(diǎn)位置信息對姿態(tài)角誤差、里程計(jì)標(biāo)度因數(shù)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，就可以確保系統(tǒng)的檢測精度。

2.2 檢測精度的分析

在實(shí)驗(yàn)室水平地面放置一座結(jié)構(gòu)對稱的剛性橋模，已知檢測小車的幾何尺寸長1 m、寬0.6 m，載重30 kg，考慮到檢測小車自重對剛性橋形變測試的影響，特在剛性橋底部增加剛性支撐以確保小車自重對形變的影響可忽略不計(jì)，從而有效開展形變檢測的研究。將檢測小車沿其表面推行，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及剛性橋模的結(jié)構(gòu)線形、解析式如圖4所示，小車運(yùn)行的軌跡即可表征剛性橋表面線形。

圖4 線形檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experiment of line-shape detection system

以剛性橋解析式f(x)及基于光纖陀螺形變檢測原理為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真，可以解算出基于近似、改進(jìn)算法的線形檢測系統(tǒng)經(jīng)過f(x)時的輸出曲線。在改進(jìn)算法中，將B、A兩點(diǎn)行進(jìn)的距離Δsb、Δsa和AiBi與Ai+1Bi+1之間的夾角θi代入式子(3)至(6)進(jìn)行積分推演，可得到如圖5所示的黑實(shí)線，其線形與剛性橋表面的結(jié)構(gòu)線形高度吻合。

在近似算法中，假設(shè)運(yùn)載體的前、后車輪間距L是可調(diào)的，從0.8 m逐漸減小到0.05 m，每一個L值均可對應(yīng)得到一組陀螺輸出值，根據(jù)光纖陀螺線形檢測的原理即可推演出其相應(yīng)的線形曲線，記為g(x)。該線形曲線表征了系統(tǒng)通過剛性橋f(x)時所測得的結(jié)構(gòu)表面線形，其測量結(jié)果如圖5所示的散點(diǎn)線。由圖5可知：隨著運(yùn)載體前、后車輪間距L逐漸減小，系統(tǒng)解算出的線形曲線g(x) 整體上越來越接近f(x)，當(dāng)L=0.05 m時，g(x) 與f(x) 基本吻合。

圖5 不同結(jié)構(gòu)尺寸的運(yùn)載體線形檢測曲線Fig.5 Detection curves for different sizes of vehicles

由此可知：對于結(jié)構(gòu)微小形變的檢測，切不可采用光纖陀螺形變檢測近似算法，這樣會給測量帶來較大偏差；載體前、后輪間距大小與檢測精度密切相關(guān)，輪間距越小，測量的線形曲線越接近真實(shí)值，更加能反映結(jié)構(gòu)的微小形變；改善算法充分考慮了運(yùn)載體前、后輪行走的距離和割線傾斜角的變化，其測量結(jié)果更加真實(shí)、準(zhǔn)確。

2.3 保障檢測精度重要條件

與慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中的長距離軌跡測量相比, 基于FOG的橋梁連續(xù)線形檢測系統(tǒng)在檢測過程中具有以下特殊性：1）待測橋梁距離較短，可進(jìn)行多次重復(fù)測試，提高測量精度；2）檢測過程耗時較短，環(huán)境溫度變化小，可忽略時漂、溫漂等因素對光纖陀螺自身的影響；3）待測橋梁結(jié)構(gòu)尺寸已知，可利用邊界條件對線形數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

在測試過程中，光纖陀螺的角速度變化保持在5 (°)/s 以內(nèi)，陀螺標(biāo)定因素非線性大約為10-4，對線形的影響非常小。與此同時，考慮到系統(tǒng)誤差及陀螺的隨機(jī)游走誤差，系統(tǒng)還采取了初始對準(zhǔn)、首尾約束以及已知點(diǎn)校準(zhǔn)的方法，從而確保其檢測精度。

3 系統(tǒng)的標(biāo)定與測試

3.1 試驗(yàn)場景

如圖6所示，該標(biāo)定路段為某省道的重要組成部分，雙向四車道，設(shè)計(jì)時速60 km/h，于2012年建成通車，路段全長100 m，路面寬15 m，如圖7所示。在標(biāo)定路段設(shè)置6個等距離的標(biāo)志性坐標(biāo)，以便線形檢測系統(tǒng)與水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。

圖6 標(biāo)定路段試驗(yàn)場景Fig.6 Test scenario of calibration road

圖7 參考點(diǎn)坐標(biāo)分布Fig.7 Coordinate distribution of reference points

3.2 測試方法

采用水準(zhǔn)儀按照圖7所示的位置對以上6個標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行閉合式測量，計(jì)算出其相對起點(diǎn)的高程值。然后，在標(biāo)定路段兩端分別放置位置傳感器作為檢測小車運(yùn)行的起點(diǎn)和終點(diǎn)，小車每次測試均從起點(diǎn)開始，終點(diǎn)結(jié)束，沿著馬路旁邊的白直線推行，其運(yùn)行總里程為100 m。

在線形系統(tǒng)檢測前，將檢測小車對準(zhǔn)即將運(yùn)行的方向約120 s，采集靜態(tài)數(shù)據(jù)以便消除地球自轉(zhuǎn)及系統(tǒng)本身帶來的誤差；小車檢測過程中始終沿著路邊白直線推行從而確保軌跡的一致性；通過參考水準(zhǔn)儀測試的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行校正，減少陀螺的隨機(jī)游走和發(fā)散性誤差；沿途設(shè)置若干位置傳感器準(zhǔn)確定位各已知點(diǎn)物理位置，以便檢驗(yàn)線形檢測系統(tǒng)在各已知點(diǎn)的測量精度。

3.3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

讓檢測小車沿著同一路徑在標(biāo)定路段表面空載運(yùn)行8趟，通過對8趟數(shù)據(jù)的分析和整理，可知該系統(tǒng)的重復(fù)性如圖8所示。

從圖8可知，橫坐標(biāo)表示起點(diǎn)到終點(diǎn)之間的里程距離，縱坐標(biāo)表示相對起點(diǎn)的路面標(biāo)高。從以上8趟數(shù)據(jù)曲線可以看出：該系統(tǒng)的一致性較好，基本能夠反映路面的結(jié)構(gòu)線形；路面微小的不平整度也有所體現(xiàn)；多趟數(shù)據(jù)的發(fā)散性控制在1 cm以內(nèi)，是因?yàn)椴捎昧耸孜矓?shù)據(jù)約束的處理方法，從而控制了終點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)散性，使得中間里程的數(shù)據(jù)看起來離散型較大。

考慮到每趟人為推行檢測小車帶來的不確定性誤差，將線形系統(tǒng)（CDMS）在各已知點(diǎn)檢測的8趟數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，然后與水準(zhǔn)儀測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可知該系統(tǒng)的檢測精度如表1所示。

由表1可知，線形檢測系統(tǒng)處理后的平均值與水準(zhǔn)儀測試的數(shù)據(jù)十分接近，最大誤差為5 mm。

圖8 線形系統(tǒng)重復(fù)性測試Fig.8 Repeatability of the CDMS

表1 線形檢測系統(tǒng)與水準(zhǔn)儀測試的數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of CDMS and level gauge

3.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

由圖8可知，系統(tǒng)在測試100 m路段的形變時，其重復(fù)性良好，最大偏差在1 cm以內(nèi)，且能夠檢測到路面微小不平整度；由表1可以看出：采取多趟數(shù)據(jù)平均和首尾約束的處理方法可以大大提高系統(tǒng)的檢測精度；檢測的速度很快，100 m的待測路面大約在8 min左右完成，基本上可以不考慮溫度漂移對光纖陀螺的影響；其檢測精度較高，滿足結(jié)構(gòu)工程測量對精度的要求。

4 實(shí)橋測試

4.1 工程概況

某跨江大橋是長江上第一座特大型預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，是國家“八五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。大橋全長4407.6 m，主橋?yàn)殡p塔雙索面鋼筋混凝土斜拉橋，跨徑為180 m +400 m +180 m，寬26.5 m，設(shè)6車道，H型主塔高153.6 m，高強(qiáng)平行鋼絲斜拉索。該橋日通車能力50 000輛，于1995年6月通車，如圖9所示。

圖9 某跨江大橋概貌Fig.9 Overview of a river-crossing bridge in China

4.2 主橋連續(xù)線形測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證線形系統(tǒng)在實(shí)際橋梁應(yīng)用中的可靠性和檢測精度，利用該系統(tǒng)完成某跨江大橋主體橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)線形檢測工作，且在部分區(qū)域采用水準(zhǔn)儀對控制點(diǎn)相對高程進(jìn)行復(fù)核，其主體橋梁連續(xù)線形曲線如圖10所示。

由表2可知，兩者在各控制點(diǎn)的相對誤差控制在1.5 cm以內(nèi)，相對于主跨徑（11#和12# 墩之間）為400 m 的斜拉索橋，其檢測精度已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。

圖10 主體橋梁連續(xù)線形曲線Fig.10 Major bridge’s continuous line-shape curve

表2 CDMS與全站儀在各控制點(diǎn)的相對高程對比值Tab.2 Comparison on CDMS and indicator

4.3 最大下?lián)咸幎ㄎ?/p>

由于CDMS采用連續(xù)測量方法，運(yùn)載體所經(jīng)過之處，其結(jié)構(gòu)線形隨即輸出。通過對橋梁主體結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行觀察、分析，發(fā)現(xiàn)9#~10#墩之間存在變形較大區(qū)域，我們將該段數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理、分析，發(fā)現(xiàn)兩跨之間的最大變形區(qū)域并非跨中，而是偏離跨中23 m左右，如圖11所示。通過采用水準(zhǔn)儀對該點(diǎn)進(jìn)行重新復(fù)核，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖11 橋梁結(jié)構(gòu)最大下?lián)咸幍臏?zhǔn)確定位Fig.11 Precise locate the maximum deflection of bridge structure

4.4 試驗(yàn)小結(jié)

從圖10可知，沿橋縱向主梁形變是對稱的，與橋梁結(jié)構(gòu)對稱的特性是相符的；由表2可知，線形系統(tǒng)測得的相對高程值與高精度全站儀最大偏差為 1.5 cm；由圖 11可知，線形系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的定位橋梁結(jié)構(gòu)最大下?lián)咸帲粫z漏結(jié)構(gòu)存在的任何病害處。對于400 m 跨徑橋梁而言，當(dāng)相對高程差達(dá)到米級時，該測量精度滿足工程測量要求。

5 結(jié) 論

基于光纖陀螺的連續(xù)線形檢測系統(tǒng)借助運(yùn)載平臺對結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行移動式檢測時，待測結(jié)構(gòu)表面無需安裝任何傳感器，在檢測過程中無需封路，不影響交通，具有方便、快捷、測量點(diǎn)連續(xù)、精度高等特點(diǎn)；該系統(tǒng)使用便捷、移植靈活，對于中小型橋梁可以選擇小推車作為運(yùn)載體進(jìn)行檢測，對于大跨度橋梁可以采用小汽車作為載體進(jìn)行檢測；該檢測系統(tǒng)具有測量點(diǎn)連續(xù)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確定位橋跨最大下?lián)咸?，不遺漏任何病害部位，尤其是在大跨橋梁的微小形變檢測中具有傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。

該技術(shù)已經(jīng)在30多座大、中型橋梁結(jié)構(gòu)線形測量中得到推廣使用。與此同時，該技術(shù)同樣適合高速公路路面不平整度的檢測、機(jī)場軌道和高速鐵路軌道不平順性測試以及煤礦巷道形變檢測，值得推廣應(yīng)用。

（References）：

[1] JTG/T J21-2011. 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].北京: 人民交通出版社, 2011. JTG/T J21-2011. Specification for inspection and evaluation of load-bearing capacity of highway bridges[S]. Beijing: People's Communication Press, 2011.

[2] 王安元, 陳縣偉, 張強(qiáng). 橋梁荷載試驗(yàn)撓度測量方法的運(yùn)用[J]. 工程與試驗(yàn), 2012, 52(1): 31-33. Wang An-yuan, Chen Xian-wei, Zhang Qiang. Application of defection measurement methods to bridge loading test[J]. Engineering & Test, 2012, 52(1): 31-33.

[3] 熊友誼, 陳宜金, 馮志新, 等. 基于地面激光掃描的三山南橋載荷變形監(jiān)測研究[J]. 測繪與空間地理信息, 2012, 35(8): 26-29. Xiong You-yi, Chen Yi-jin, Feng Zhi-xin, et al. The research on load-generated deformation monitoring of Sanshan South Bridge based on terrestrial laser scanning[J]. Geomatics ＆Spatial Information Technology, 2012, 35(8): 26-29.

[4] 楊小森, 閆維明, 陳彥江, 等. 基于傾角儀的橋梁撓度測試方法研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2010, 43(增): 106-111. Yang Xiao-sen, Yan Wei-ming, Chen Yan-jiang, et al. Bridge deflection testing method based on utilization of inclinometers[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43 (Supplement): 106-111.

[5] Yu Yan, Liu Hang, Li Dong-sheng, et al. Bridge deflection measurement using wireless MEMS inclination sensor systems[J]. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, 2013, 6(1): 38-57.

[6] Roberts G W, Cosser E, Meng Xiaolin, et al. High frequency deflection monitoring of bridges by GPS[J]. Journal of Global Positioning Systems, 2004, 3(1): 226-231.

[7] Yi Ting-Hua, Li Hong-Nan, Gu Ming. Experimental assessment of high-rate GPS receivers for deformation monitoring of bridge[J]. Measurement, 2013, 46(1): 420-432.

[8] 劉浩, 王婷婷. 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的承載力檢測及加固方法研究[J]. 科技通報, 2013, 29(7): 204-207. Liu hao, Wang Ting-ting. The bearing capacity of the large span bridge structure detection and strengthening methods[J]. Bulletin of Science and Technology, 2013, 29(7): 204-207.

[9] Meng X, Dodson A H, Roberts G W. Detecting bridge dynamics with GPS and triaxial accelerometers[J]. Engineering Structures, 2007, 29(2): 3178-3184.

[10] 譚慶. GPS在鐵路工程測量中的應(yīng)用探討[J]. 黑龍江交通科技, 2014(10): 70-71. Tan Qin. Discussion on the application of GPS in the measurement of the railway engineering[J]. Heilongjiang Traffic Science and Technology, 2014(10):70-71.

[11] 王立新, 胡文彬. 光纖陀螺應(yīng)用于軌跡測量的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2002, 24(8):50-52. Wang Li-xin, Hu Wen-bin. Experimental study of trajectory measurement used with fiber optical gyro[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2002, 24(8): 50-52.

[12] Zhang Zhuo-min, Hu Wen-bin, Liu Fang, et al. Vibration error research of fiber optic gyroscope in engineering surveying[J]. Telkominka-Indonesian Journal of Electrical Engineering, 2013, 11(4): 1984-1955.

[13] 戴洪德, 柳愛利, 盧建華, 等. 艦船波浪中航行時的變形分析及其IMU實(shí)時測量方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報, 2014, 22(3): 327-332. Dai Hong-de, Liu Ai-li, Lu Jian-hua, et al. Deformation analysis and IMU-based real-time measuring method for big ship sailing in wave[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2014, 22(3): 327-332.

[14] Zheng J, Qin S, Wang X, et al. Influences of gyro biases on ship angular flexure measurement[C]//Proceedings of 2011 Symposium on Photonics and Optoelectronics. Wuhan, China, May 16-18, 2011: 1-4.

[15] Yang Yun-tao, Wang Xing-shu, Huang Zong-sheng, et al. Compensation for observed coupling effect in measuring angular deformation of ship hull by laser gyroscope units[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2014, 22(5): 561-566.

Detection technique for bridge’s micro-deformation based on FOG

GAN Wei-bing1,2, HU Wen-bin2, ZHANG Yao2, LIU Fang2, LI Sheng2, FU Jing-hua2
(1. Key Laboratory of Fiber Optic Sensing Technology and Information Processing of Ministry of Education, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Bridge is an important part of modern transportation systems, and the deformation is a key index for bridge’s safety evaluation. Considering that the traditional deformation detection technology has many shortcomings, a continuous deformation measurement system (CDMS) based on fiber optic gyroscope is presented and validated to rapidly achieve the curve measurement of long-span bridge and to timely and accurately locate the bridge’s maximum deflection. Experiments on the structure profiles of the calibration road and the solid bridge are made, aided by data comparison with leveling instruments. The results show that the detection accuracy can reach 5 mm for 100 m model bridge, and the detection accuracy can reach 2 cm for the solid bridge with the span of 400 m. The CDMS has no influence on the testing process, which has the advantages of convenient, fast, continuous measurement and high accuracy, especially in large-span bridges.

bridge engineering; micro deformation; fiber optic gyroscope; continuous linear; maximum deflection

U666.1

：A

2016-01-26；

：2016-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61402345）；國家科技支撐計(jì)劃課題任務(wù)書（2014BAG07B01）；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（WUT: 2014-II-012 , WUT: 2014-IV-009）

甘維兵（1978—），男，博士，副教授，從事光纖傳感應(yīng)用研究。E-mail: ganweibing@whut.edu.cn

1005-6734(2016)03-0415-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.03.025