激光投射式橋梁墩柱位移監(jiān)測系統(tǒng)

重慶江綦高速公路有限公司 萬 萬

1.研究目的、意義和國內(nèi)外概況

橋梁作為現(xiàn)代交通的重要組成部分，在現(xiàn)代社會中正發(fā)揮著越來越重要的作用。由于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造和施工過程中難以避免的失誤，以及工程材料的自然老化和缺陷，造成橋梁事故屢屢出現(xiàn)。

我國公路橋梁大部分在建國以后建成，橋齡一般在40 年以內(nèi)，病害問題正在暴露，且已有一定數(shù)量的橋梁發(fā)生老化、損壞現(xiàn)象，危橋逐年增多，承載能力明顯降低。

近年來，我國橋梁垮塌事件屢見不鮮，公路橋梁垮塌達數(shù)十座，造成大量生命、財產(chǎn)損失，2004年成都溫江三渡水大橋垮塌、2004年遼寧盤錦大橋垮塌事件、2006 年4月廣東深汕高速公路橋梁垮塌、2006年5月甘肅岷縣洮河大橋垮塌等事件引起了社會的廣泛關(guān)注。

重慶市直轄以來，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資規(guī)模逐步擴大?！笆濉逼陂g，“八小時重慶”、“半小時主城”等交通建設(shè)項目的實施，為推動重慶社會經(jīng)濟的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。重慶是 “山城”、“江城”， 交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)離不開大量的橋梁建設(shè)，也使得重慶成為中國的橋都。

目前，重慶主城區(qū)在長江和嘉陵江上已有14座特大型橋，到2020年前，規(guī)劃再新建特大型橋18座，其余大中型橋梁更是近3000座。每座橋梁在公路運輸中都具有巨大的作用，任何一座橋梁的事故都可能引起整條公路交通的中斷，造起巨大的經(jīng)濟損失。1999年的重慶彩虹橋垮塌事件給重慶市民留下了慘痛的教訓，也對重慶直轄市的形象造成了不良影響。因此，加強橋梁健康監(jiān)測是重慶經(jīng)濟社會快速發(fā)展的重要保障。

目前，被廣泛采用的交通基礎(chǔ)設(shè)施人工監(jiān)控方法已經(jīng)遠遠不能起到保障橋梁結(jié)構(gòu)正常營運安全的作用。橋梁健康監(jiān)測綜合運用現(xiàn)代傳感技術(shù)、光電技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，在橋梁中布置傳感器，對橋梁結(jié)構(gòu)的各種特征參數(shù)進行長期、實時監(jiān)測，由此分析橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，評估橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護提供科學依據(jù)。由于橋梁健康監(jiān)測實現(xiàn)了對橋梁狀態(tài)的長期、在線、實時安全監(jiān)測，被認為是結(jié)構(gòu)安全的有力保障，成為當前國內(nèi)外研究的重點和熱點。

國外從20世紀80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁的性能、長短期變形、裂紋發(fā)生情況進行綜合監(jiān)測，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁包括英國Flintshire 獨塔斜拉橋、挪威Skarnsunder 斜拉橋、丹麥Great Belt East 懸索橋等。

我國自20 世紀90 年代起在一些大型重要橋梁上安裝了各種規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁的位移、應(yīng)變、振動發(fā)生情況等進行關(guān)鍵部位的監(jiān)測，南京潤陽長江大橋、香港青馬大橋等已安裝橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，上海徐浦大橋安裝了帶有研究性質(zhì)的監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)監(jiān)測特征參數(shù)和傳感器的不同，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可分為裂紋監(jiān)測系統(tǒng)、撓度監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、索力監(jiān)測系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、位移監(jiān)測系統(tǒng)等等。橋梁健康監(jiān)測通常根據(jù)不同橋型的需要，選用不同監(jiān)測系統(tǒng)組合。

橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的一個重要指標是橋梁在載荷作用下產(chǎn)生的向下位移（撓度）情況。橋在相同載荷作用下的撓度越大，橋的承載力越低。當橋的撓度大到一定程度，必須采取限制重車通行，對橋進行加固等措施，否則將出現(xiàn)橋梁安全問題。

目前可用于實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測的方法主要有張力線法、GPS、連通管法、光電成像法、全自動全站儀、傾角儀、激光圖像法等，現(xiàn)有的各種橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法，激光圖像法相對于前述各種方法在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域中具有較大優(yōu)勢，如果能在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進一步加以改進，使其適用于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，將在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中獨占鰲頭，實現(xiàn)廣泛的市場應(yīng)用。

為此提出利用準直半導體點光源激光發(fā)射器、具有半反射效應(yīng)的投影靶、視頻采集設(shè)備和計算機，開發(fā)基于視頻采集的激光投射式橋墩位移實時監(jiān)測系統(tǒng)。

基于視頻采集的激光投射式橋墩位移實時監(jiān)測系統(tǒng)對前述激光圖像系統(tǒng)進行了兩方面的重大改進：一是通過設(shè)計高收斂性準直半導體點激光發(fā)射器，實現(xiàn)遠距離點激光匯聚投射，以解決目前市場上常見的點激光發(fā)射器發(fā)射光斑在距離較遠時擴散現(xiàn)象較嚴重的問題；二是通過采用攝像視頻采集設(shè)備和激光發(fā)射器的變化監(jiān)測相結(jié)合的方式，可以由圖形監(jiān)測方式驗證智能監(jiān)測方式的真實性和有效性，也可以實現(xiàn)對被監(jiān)測點工作狀態(tài)的圖像監(jiān)測；三是這種監(jiān)測方式實現(xiàn)了自動化、智能化、長期化。

橋梁結(jié)構(gòu)位移變化能夠反映結(jié)構(gòu)剛度、彈性以及非彈性變形及結(jié)構(gòu)在荷載下的整體工作狀況，即結(jié)構(gòu)是否工作于正常狀態(tài)。對處于結(jié)構(gòu)壽命不同階段的橋梁結(jié)構(gòu)實施長期實時監(jiān)測，可及時了解結(jié)構(gòu)健康狀況，確保結(jié)構(gòu)在允許變形范圍內(nèi)工作，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。因此結(jié)構(gòu)變形和位移的監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的一個非常重要的內(nèi)容。

2.系統(tǒng)簡介

本項目結(jié)合光電式和攝像法兩種撓度測量方法的優(yōu)點，通過技術(shù)創(chuàng)新，準備進行大量實驗研究和工程實踐的基礎(chǔ)上研究激光投射式橋梁墩柱位移/撓度測量系統(tǒng)（以下簡稱“LPD測量系統(tǒng)”）。LPD測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁行測結(jié)構(gòu)的快速自動測量，具有測量距離遠、范圍大、精度高、成本低，安裝快捷簡便的特點。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 LPD測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LPD測量系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射子系統(tǒng)和接收處理子系統(tǒng)（圖1）。進行位移測量時，激光發(fā)射子系統(tǒng)置于橋梁結(jié)構(gòu)的被測點，接收處理子系統(tǒng)置于測量參考點。利用激光良好的方向性，將激光光斑投射到接收處理子系統(tǒng)投影標靶上，由高清晰攝像機獲取激光光斑的中心位置。

該系統(tǒng)利用激光光束良好的方向性，實現(xiàn)了對遠點位移信息的傳輸，同時，將激光光斑成像在一個標靶上，再通過高清晰攝像機進行識別。這種方法對物距的縮短提高了測量精度，而較大的物方視場增加了測量量程，實現(xiàn)了遠距離、大范圍、高精度的撓度測量（測量距離為1000m，測量精度為測量范圍的0.2‰）。

3.結(jié)論與展望

新型激光投射式橋梁位移實時監(jiān)測系統(tǒng)具有高精度、高效率、低成本、易安裝維護的優(yōu)點，相對現(xiàn)有的各種橋梁位移測量系統(tǒng)具有極好的性能價格比，可在投入較少的前提下完成相同或質(zhì)量更好的橋梁位移監(jiān)測，一舉解決了由于經(jīng)費問題難以對各種橋梁的位移進行長期、實時、自動監(jiān)測的問題，既能節(jié)約經(jīng)費，又能夠有效保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。

[1]姚平.GPS在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].同濟大學,2008(01).

[2]吳巨峰,鐘繼衛(wèi).橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機時代,2017(02).

[3]靳潔.變形監(jiān)測技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].信息化建設(shè),2016(04).