重慶江綦高速公路有限公司 萬(wàn) 萬(wàn)

1.研究目的、意義和國(guó)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(huì)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。由于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造和施工過(guò)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(guó)公路橋梁大部分在建國(guó)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(lái)，我國(guó)橋梁垮塌事件屢見不鮮，公路橋梁垮塌達(dá)數(shù)十座，造成大量生命、財(cái)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(huì)的廣泛關(guān)注。

重慶市直轄以來(lái)，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資規(guī)模逐步擴(kuò)大?！笆濉逼陂g，“八小時(shí)重慶”、“半小時(shí)主城”等交通建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，為推動(dòng)重慶社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guó)的橋都。

目前，重慶主城區(qū)在長(zhǎng)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(yùn)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(jì)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(xùn)，也對(duì)重慶直轄市的形象造成了不良影響。因此，加強(qiáng)橋梁健康監(jiān)測(cè)是重慶經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能起到保障橋梁結(jié)構(gòu)正常營(yíng)運(yùn)安全的作用。橋梁健康監(jiān)測(cè)綜合運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、光電技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，在橋梁中布置傳感器，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的各種特征參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由此分析橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。由于橋梁健康監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁狀態(tài)的長(zhǎng)期、在線、實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)安全的有力保障，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

國(guó)外從20世紀(jì)80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋梁的性能、長(zhǎng)短期變形、裂紋發(fā)生情況進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型橋梁包括英國(guó)Flintshire 獨(dú)塔斜拉橋、挪威Skarnsunder 斜拉橋、丹麥Great Belt East 懸索橋等。

我國(guó)自20 世紀(jì)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(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋梁的位移、應(yīng)變、振動(dòng)發(fā)生情況等進(jìn)行關(guān)鍵部位的監(jiān)測(cè)，南京潤(rùn)陽(yáng)長(zhǎng)江大橋、香港青馬大橋等已安裝橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，上海徐浦大橋安裝了帶有研究性質(zhì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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

橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)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(dāng)橋的撓度大到一定程度，必須采取限制重車通行，對(duì)橋進(jìn)行加固等措施，否則將出現(xiàn)橋梁安全問題。

目前可用于實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的方法主要有張力線法、GPS、連通管法、光電成像法、全自動(dòng)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(cè)方法，激光圖像法相對(duì)于前述各種方法在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中具有較大優(yōu)勢(shì)，如果能在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步加以改進(jìn)，使其適用于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，將在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭，實(shí)現(xiàn)廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。

為此提出利用準(zhǔn)直半導(dǎo)體點(diǎn)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(jì)算機(jī)，開發(fā)基于視頻采集的激光投射式橋墩位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

基于視頻采集的激光投射式橋墩位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)前述激光圖像系統(tǒng)進(jìn)行了兩方面的重大改進(jìn)：一是通過(guò)設(shè)計(jì)高收斂性準(zhǔn)直半導(dǎo)體點(diǎn)激光發(fā)射器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離點(diǎn)激光匯聚投射，以解決目前市場(chǎng)上常見的點(diǎn)激光發(fā)射器發(fā)射光斑在距離較遠(yuǎn)時(shí)擴(kuò)散現(xiàn)象較嚴(yán)重的問題；二是通過(guò)采用攝像視頻采集設(shè)備和激光發(fā)射器的變化監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，可以由圖形監(jiān)測(cè)方式驗(yàn)證智能監(jiān)測(cè)方式的真實(shí)性和有效性，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)工作狀態(tài)的圖像監(jiān)測(cè)；三是這種監(jiān)測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化、長(zhǎng)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(duì)處于結(jié)構(gòu)壽命不同階段的橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)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(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)非常重要的內(nèi)容。

2.系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目結(jié)合光電式和攝像法兩種撓度測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，準(zhǔn)備進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上研究激光投射式橋梁墩柱位移/撓度測(cè)量系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“LPD測(cè)量系統(tǒng)”）。LPD測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁行測(cè)結(jié)構(gòu)的快速自動(dòng)測(cè)量，具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、范圍大、精度高、成本低，安裝快捷簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 LPD測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LPD測(cè)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(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，激光發(fā)射子系統(tǒng)置于橋梁結(jié)構(gòu)的被測(cè)點(diǎn)，接收處理子系統(tǒng)置于測(cè)量參考點(diǎn)。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(biāo)靶上，由高清晰攝像機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)點(diǎn)位移信息的傳輸，同時(shí)，將激光光斑成像在一個(gè)標(biāo)靶上，再通過(guò)高清晰攝像機(jī)進(jìn)行識(shí)別。這種方法對(duì)物距的縮短提高了測(cè)量精度，而較大的物方視場(chǎng)增加了測(cè)量量程，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、大范圍、高精度的撓度測(cè)量（測(cè)量距離為1000m，測(cè)量精度為測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高精度、高效率、低成本、易安裝維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)現(xiàn)有的各種橋梁位移測(cè)量系統(tǒng)具有極好的性能價(jià)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(cè)，一舉解決了由于經(jīng)費(fèi)問題難以對(duì)各種橋梁的位移進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問題，既能節(jié)約經(jīng)費(fèi)，又能夠有效保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。

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