橋梁支座檢測裝置的研制

支座是橋梁中承上啟下的構(gòu)件，其作用是將上部結(jié)構(gòu)的載荷傳遞到下部結(jié)構(gòu)，同時保證上部結(jié)構(gòu)在載荷作用下的自由變形。支座的形式多種多樣，有盆支座、鋼支座、橡膠支座、抗震支座等。由于支座受力巨大，難免會產(chǎn)生這樣或那樣的病害，因此橋梁設(shè)計(jì)者一般把支座設(shè)計(jì)成可更換構(gòu)件。

橋梁一般是為跨越道路或其他障礙物修建的，因此除第一跨外，其他位置的高度大于人體高度。立交橋90%以上的支座高于人體頭部，需借助梯子、腳手架或高架車進(jìn)行檢查。梯子檢查安全性較差，易發(fā)生側(cè)傾；腳手架和高架車檢查效率太低（平均半天時間只能查

3～4個橋墩），而且受地形的限制；橋梁檢測車效率較高，但是造價高昂，而且占用機(jī)動車道，影響交通，一般管理單位無力購買；許多支座無法進(jìn)行有效檢測。因此，急需研發(fā)一種橋梁支座檢測裝置，解決目前天津市的幾百座立交橋，共計(jì)數(shù)萬個支座檢測問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要研制一種支座檢查裝置，檢查一個支座時間要短，兩個人即可進(jìn)行檢測；對地面平整度要求較低，在微風(fēng)天氣下可以使用該設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)人體不接近支座也能拍照、錄像等操作。

目前，立交橋一般不超過3層，支座高度一般一層橋不超過6m，二層橋不超過13m，三層橋不超過18m。一、二層橋的支座占立交橋支座的80%左右，三層橋支座占很少數(shù)量。在試驗(yàn)階段，先研制能檢查二層橋的支座檢測裝置，即能檢測12m高的支座，解決大部分橋梁支座的檢測問題。

根據(jù)各部位的功能，把要研制的支座檢測裝置分為4部分，分別為固定設(shè)備、升降（伸縮）設(shè)備、連接設(shè)備和視頻采集及數(shù)據(jù)傳輸、顯示設(shè)備。

固定設(shè)備是保證拍照設(shè)備的穩(wěn)定性；升降設(shè)備是把拍照設(shè)備運(yùn)送靠近支座，是支座檢測裝置的最重要部件；連接設(shè)備是把各種部件進(jìn)行機(jī)械連接；視頻采集及數(shù)據(jù)傳輸、顯示設(shè)備是把檢查到的圖像轉(zhuǎn)化為人能方便的瀏覽及儲存的工具，是支座檢測裝置的核心部件。為減少研發(fā)費(fèi)用，研制支座檢測裝置原則上采用市面上能找到的成型產(chǎn)品進(jìn)行組裝、試驗(yàn)。

2 方案比選

研制支座檢測裝置的過程中從升降設(shè)備和視頻設(shè)備入手，對多種材料的可行性進(jìn)行了調(diào)研和比選。

2.1 升降設(shè)備

分別調(diào)研了遙控飛機(jī)、空中飛魚、魚竿、伸縮桿等材料。

1）遙控飛機(jī)。是一種重于空氣的，有尺寸限制的，帶有或不帶有發(fā)動機(jī)的，利用螺旋槳向下扇動空氣，產(chǎn)生向上推力升空的不能載人的航空器。檢測人員可以利用遙控飛機(jī)把拍照設(shè)備送至支座附近進(jìn)行拍照檢測。目前遙控飛機(jī)的遙控距離可達(dá)幾公里，見圖1。

遙控飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以遠(yuǎn)距離遙控，不受墩柱周圍環(huán)境的影響，輕易飛到支座所在的高度；可承載重量相對較高；飛行速度快；能懸浮在空中；能抗2級風(fēng)。缺點(diǎn)是造價高（好的航模價值數(shù)萬元甚至十多萬元）；操作難度大，微調(diào)困難，對操作人員技術(shù)水平要求較高；經(jīng)不起碰撞、危險性較大；不容易到達(dá)支座附近；耗電多，續(xù)航能力弱。

2）飛魚。是利用塑料魚體內(nèi)氦氣的重量比空氣小，產(chǎn)生浮力，用尾巴擺動實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或拐彎，調(diào)節(jié)配重位置實(shí)現(xiàn)向上或向下游動，利用下邊拴了魚線的飛魚，把拍照裝置送至支座附近。目前飛魚遙控距離可達(dá)數(shù)百米，見圖2。

飛魚的優(yōu)點(diǎn)是可以遠(yuǎn)距離遙控，不受墩柱周圍環(huán)境的影響，飛到任何高度任何位置；充氣塑料不怕撞擊，能依在墩頂進(jìn)行拍照；耗電較少，能長時間工作；操作簡單，新手看說明書就能工作。缺點(diǎn)是經(jīng)不起哪怕一點(diǎn)微風(fēng)；體積龐大，承載力小，30 L的飛魚僅能產(chǎn)生34.8 g的浮力；如果要制造更大的飛魚，需要重新制作模版，造價較高（2萬元）；受溫度影響大，日照有可能引起氣體膨脹爆炸；不能懸浮在空中，得時刻擺動尾巴才能保持懸空狀態(tài)；飛行速度慢，效率底下。

根據(jù)飛魚，可以聯(lián)想到用拴了魚線的氦氣氣球作為升降工具，也是一個不錯的想法。氦氣氣球可以做成任何形狀，但是要想進(jìn)行支座檢測，必須得能靠近橋墩才能進(jìn)行檢測。

3）魚竿。目前市面上魚竿多為玻璃鋼和碳纖維材料。碳纖維魚竿性能比玻璃鋼魚竿要好，目前碳纖維魚竿已經(jīng)做到22m長，能進(jìn)行三層橋支座的檢測，見圖3。

魚竿的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，便于攜帶；能達(dá)到較大的長度。缺點(diǎn)是手動伸長和閉合速度較慢；剛度小，懸空易晃動；桿端載重量較小。

還有一種撈魚抄網(wǎng)桿，一般有5～6m長，剛度較大，穩(wěn)定性較好，但是僅能進(jìn)行一層橋的支座檢測，檢測范圍受限制。

4）升降桿。調(diào)查了市面上很多升降桿，像晾衣服伸縮桿、升降燈桿。這些升降桿的適用性不太好，做工、精細(xì)度差。最終發(fā)現(xiàn)了一種軍用升降天線桿，效果較好。這種軍用升降天線桿采用輕鋁合金和航空鋼絲繩，可承受5級風(fēng)，升高最大高度可達(dá)30m；做工精密，設(shè)計(jì)合理，操作方便，移動、儲存便利，閉合后僅1.6m；承載力大，頂端可承載質(zhì)量＞5 kg。升降天線桿可分為手動和電動。在試驗(yàn)階段，選用升高高度為13m的升降桿作為試驗(yàn)升降桿，見圖4。

手動升降桿特點(diǎn)是重量輕，升13m高度質(zhì)量僅9 kg；升降快，0.5 imn即可從1.6m升至13m；人工升降可以方便的進(jìn)行高度微調(diào)；桿端承載重量較大，滿足圖像設(shè)備重量要求。

電動升降桿特點(diǎn)是自重較大，需2人抬；操作現(xiàn)場需要220V電源；高度微調(diào)麻煩。

圖1 遙控飛機(jī)

圖2 空中飛魚

圖3 魚竿

圖4 軍用天線升降桿

2.2 圖像設(shè)備

圖像設(shè)備包括升降桿頂端的采集裝置和地面顯示屏等接收裝置。采集裝置和接收裝置之間，分為有線連接和無線電連接兩種方式。由于橋梁支座檢測工作都是處于室外環(huán)境且檢測一個支座就得升降一次，數(shù)據(jù)線容易發(fā)生磨損，因此計(jì)劃采用無線連接。常用的近距離無線傳輸有藍(lán)牙、紅外、2.4G等技術(shù)。檢測需求的傳輸距離為20～50m，因此選擇2.4G技術(shù)。2.4G無線網(wǎng)絡(luò)穿透性好，傳輸距離滿足要求且不受傳輸方的影響，支持雙向通迅；屬于ISM頻段，是全球范圍內(nèi)被廣泛使用的超低輻射綠色環(huán)保頻段，傳輸速度很快（最高可達(dá)

108Mbps）；通迅指令間不會相互干擾。

為能準(zhǔn)確選擇合適的角度拍攝支座照片，要求支座必須能夠?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)控拍照。經(jīng)過5月調(diào)研，經(jīng)過無數(shù)次嘗試，總結(jié)出3套方案：照相機(jī)、航拍和安防設(shè)備方案。

1）照相機(jī)方案?；九渲脼閱畏凑障鄼C(jī)+無線遙控器+無線攝像頭+無線接收器+顯示屏。無線攝像頭固定在單反相機(jī)上，通過顯示屏實(shí)時查看要照相的范圍。目前支持無線遙控拍照的不用internet網(wǎng)絡(luò)的相機(jī)均為單反相機(jī)，重量、體積較大。

照相機(jī)方案的優(yōu)點(diǎn)是照片清晰，像素高可開閃光燈拍照。缺點(diǎn)是無線遙控距離較短，剛剛能滿足支座檢測需要；單反相機(jī)體積、重量大；頭重腳輕，升高超過10 m后，支撐桿的穩(wěn)定性較差，；相機(jī)昂貴，目前階段，升高后無法調(diào)焦，攝像頭中畫面與相機(jī)中畫面有一定錯位；沒有云臺，要想調(diào)節(jié)照相機(jī)角度只能轉(zhuǎn)動伸縮桿。

2）航拍方案?；九渲脼檎障鄼C(jī)+云臺+圖傳工具+外置電源+顯示器+硬盤刻錄機(jī)+電源。航拍方案比較成熟，市面上有成品的東西。照相機(jī)通過云臺和圖傳工具，把信號發(fā)射給地面的顯示器，在顯示器上照相、錄像并通過硬盤刻錄機(jī)進(jìn)行存儲。

航拍方案的優(yōu)點(diǎn)是比較成熟；能實(shí)現(xiàn)支座檢測裝置的所有功能。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜；重量較大；費(fèi)用較高；耗電量多，工作時間短；電路連接需要一定的專業(yè)知識。

3）安防設(shè)備方案?；九渲脼閿z像頭+發(fā)射器+電源+接收器+顯示屏+硬盤刻錄機(jī)+電源。安防設(shè)備市面上多數(shù)為有線攝像頭，少數(shù)采用2.4 G無線技術(shù)，能實(shí)時監(jiān)控，有紅外夜視功能。

安防設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是能在光線較暗的環(huán)境照相；重量輕；造價低；工作時間長；圖傳等功能集成。缺點(diǎn)是照片清晰度較差。

2.3 固定設(shè)備和連接設(shè)備

圖像設(shè)備和伸縮桿間的連接部件及升降桿的底部固定部件，市面上沒有現(xiàn)成的商品可選，因此研究人員找了一機(jī)械修理廠進(jìn)行了委托設(shè)計(jì)和加工。

3 研究成果

最理想的支座檢查裝置：升降桿重量輕，一人能輕易搬動；視頻能實(shí)時監(jiān)控，升降桿頂端裝置構(gòu)造簡單，拍照清晰；采用2.4G技術(shù)進(jìn)行無線遙控拍照、錄像；在光線較暗的梁底也能進(jìn)行拍照。

綜合方案比選，最終采用的方案組合為軍用升降天線桿+安防設(shè)備，這套設(shè)備的最大優(yōu)點(diǎn)是檢測支座不再需要搭設(shè)支架；最大缺點(diǎn)是攝像頭像素比較低。選用的支座檢測裝置方案見圖5。

圖5 支座檢測裝置

支座檢測裝置的攝像頭角度可以360°調(diào)整，因此它不僅能檢測支座，還能檢測梁體、高墩等人體不易接近的高空物體。

4 結(jié)論及展望

這套支座檢測裝置，從根本上解決了高墩支座的檢測問題，一個人即能進(jìn)行支座的檢測，唯一的缺點(diǎn)是成像像素低。攝像頭像素比較低，是因?yàn)橐话悴捎玫氖荂OMS的感光元件，成像像素不如相機(jī)采用的CCD元件。要想提高成像像素，有2種方案，一種是把攝像頭改用CCD感光原件成像；另一種是采用技術(shù)手段，提高COMS的感光元件的成像質(zhì)量。因此，最理想的支座檢測裝置方案是開發(fā)一種圖像設(shè)備，采用傻瓜數(shù)碼相機(jī)和圖傳工具集成，采用2.4G無線即時傳輸技術(shù)，遙控拍照和存儲；伸縮桿采用更輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，精密度更高的技術(shù)。

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