變形檢測技術在橋梁檢測中的應用

周賓

（同濟大學，上海200092）

0 引言

近幾年，大大小小的橋梁工程已經(jīng)成為支持城市經(jīng)濟建設、促進區(qū)域之間經(jīng)貿交流的主要交通設施，有效地推動了社會經(jīng)濟發(fā)展進程。然而，對于橋梁工程而言，在其長期使用的過程中，由于受到各種內外因素的影響，會發(fā)生一定程度的結構變形，由此帶來一定的安全隱患。

因此，為了更有針對性地開展橋梁運維工作，保障行車安全，有必要采取科學有效的橋梁檢測技術對橋梁變形情況進行檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)變形隱患，了解變形成因及變形趨勢，從而有針對性地采取應對策略，使變形問題得到有效控制，為橋梁結構的安全可靠性提供保障。

1 橋梁變形檢測內容

橋梁變形根據(jù)性質和部位的不同，可分為以下兩種：

第一，墩臺基礎檢測，對于橋梁墩臺而言，由于長期受到地基環(huán)境和水流沖刷的影響，會發(fā)生一定幅度的沉降，甚至會發(fā)生水平位移，因此在針對墩臺進行變形檢測時，著重檢測其沉降幅度或者水平位移位現(xiàn)狀。

第二，主體結構檢測，具體包括橋面垂直位移、橋面水平位移、橋面撓度以及斜拉橋塔柱水平位移檢測，還要針對橋梁整體傾斜角度、伸縮量進行檢測。上述橋梁變形檢測工作對于橋梁安全營運十分重要，在獲取完整的檢測數(shù)據(jù)以后，技術人員需要根據(jù)檢測結果對橋梁變形狀況進行客觀準備的評判，為下一步實施橋梁運行維護工作提供指導方向與參與依據(jù)[1]。

2 變形檢測技術在橋梁檢測中的應用

2.1 傳統(tǒng)橋梁變形檢測方法

2.1.1 大地測量方法

采用大地測量方法對橋梁關鍵部位進行周期性、重復性的檢測，并由此獲取檢測點的三維坐標，依據(jù)此坐標，判斷橋梁結構是否發(fā)生垂直位移和水平位移。大地測量方法在實際應用過程中具有較強的靈活性和適應性，而且擁有較高的測量精度，可滿足不同結構形式橋梁變形檢測精度要求。但是，該方法也存在一些弊端問題，比如檢測速度較慢，自動化程度較低，等等。因此，極有可能投入大量人力、物力和時間開展檢測工作，但檢測過程卻受到當?shù)氐匦螚l件和天氣因素的影響，導致檢測結果不夠精準，實用價值大打折扣[2]。

2.1.2 物理傳感器方法

在應用物理傳感器方法進行橋梁變形檢測時，將物理傳感器固定在橋梁上后，便可以長期性、連續(xù)性自動獲取較高精度的局部變形信息，橋梁內部應力、壓力、傾斜角度以及溫度變化的數(shù)據(jù)，還可以針對周邊環(huán)境進行觀測。之后，將存儲大量檢測數(shù)據(jù)的電子水平儀連接到計算機系統(tǒng)中，便可以讀取到橋梁變形數(shù)據(jù)，并且繪制出相應的橋梁變形示意圖。該方法更適合對橋梁局部變形或者相對變形情況進行檢測，在獲取橋梁變形的整體信息方面還存在一定的局限性[3]。

2.2 3S 技術橋梁變形檢測方法

2.2.1 攝影測量技術

攝影測量技術可以在非接觸情況下快速獲取到橋梁的幾何信息和物理信息，所以該項技術具有外業(yè)工作量小、不受自然環(huán)境和地理條件限制等特點。在測量過程中，既可以為靜態(tài)目標提供三維空間坐標，還可以總結出動態(tài)目標的變化規(guī)律。現(xiàn)階段，借助計算機技術已經(jīng)可以快速完成攝影測量作業(yè)，不僅作業(yè)效率高，還可以自動檢測相片系統(tǒng)誤差及觀測誤差，并且做出智能化調整，使橋梁變形檢測精度獲得可靠保障。但是，該項技術與全站儀檢測技術相比，檢測精度相對較低，而且測量設備的采購價格和維護成本較高。在目前的橋梁變形檢測中，其使用率相對有限，還有待在今后的技術研究中進一步完善與優(yōu)化[4]。

2.2.2 GPS 測量技術

該技術主要借助GPS 接收機完成對橋梁檢測，具有精度高、全天候、自動化、檢測過程不受地面條件和距離限制等優(yōu)勢。近些年來，與GPS 技術相關的硬件、軟件應用水平均已取得了突破性進展。目前，其檢測精度已經(jīng)達到毫米級，使得GPS 測量技術在大型橋梁變形檢測中發(fā)揮出極大的優(yōu)越性，幫助相關管理部門做好橋梁運行維護工作。然而，GPS 檢測精度比較容易受到檢測點天頂通視條件的制約，而且檢測點成本較高。另外，GPS 垂直位移檢測精度方面還有待進一步提高。

2.2.3 雷達干涉測量技術

雷達干涉測量技術主要根據(jù)雷達圖像當中的相位數(shù)據(jù)，獲取地面高程信息。與傳統(tǒng)橋梁變形檢測技術相比，雷達干涉檢測技術具有更高的精度和分辨率，而且憑借其自身較強的穿透能力強，可以有效規(guī)避云雨天氣對檢測過程的影響，即便是在南方的雨季，同樣可以做到全天候不間斷檢測。雷達干涉技術本身具有較為理想的檢測精度，如果再引進差分干涉手段，其檢測精度還將獲得更大幅度的提升。因此，應用該項技術，可以檢測到非常微小的橋梁變形，對于變形問題的二期干預具有非常大的幫助。目前，雷達干涉技術已經(jīng)在錢塘江大橋、金沙江大橋、石崆山大橋的靜態(tài)檢測、動態(tài)檢測及自振頻率檢測中取得了非常理想的應用效果。

比如可以檢測出橋墩任意位置的微小變形；或者在斜拉橋檢測中，可在不影響車輛正常通行的狀態(tài)下，同時完成多根索的精準檢測。但是，此項技術的應用成本較高，而且需要借助投影方可獲取檢測目標的三維信息。因此，在實際應用中，仍存在一定的局限性[5]。

2.3 機器人橋梁變形檢測技術

機器人橋梁變形檢測技術的誕生與應用，得益于光電技術、計算機技術、自動化全站儀等眾多先進技術的同步發(fā)展與綜合應用。具體地說，測量機器人是以全站儀作為根基，又集結了步進馬達、影像傳感器以及多款專業(yè)軟件的相關優(yōu)勢，對橋梁變形數(shù)據(jù)進行自動識別與跟蹤檢測，從其檢測過程和檢測精度上看，具有實時高效、準確可靠、操作簡便等特點，可在實現(xiàn)無人值守的狀態(tài)下，對橋梁變形情況進行全自動化測量。伴隨著技術人員的不懈努力，使機器人橋梁變形檢測技術得到了二次開發(fā)。目前，利用計算機程序可自動完成測量、記錄、數(shù)據(jù)處理和輸出等操作。這樣一來，便可以在全天候、無人值守的狀態(tài)下，自行開展橋梁智能檢測。但是，在實際的檢測過程中，仍存在一些需要技術攻關的問題。比如檢測精度會隨著距離的延長而下降，而且粗差情況不易獲悉；測量機器人的設備及硬件系統(tǒng)成本較高，還存在較高的后續(xù)維護與升級需求。若想長期固定采取該項檢測方法，不僅需要采取特殊的保護措施，還需要付出較高的成本[6]。

2.4 三維激光掃描橋梁變形檢測技術

在我國，雖然三維測量技術誕生與應用的時間并不短暫，但在傳統(tǒng)的技術模式下，只能針對某個測量目標或者多個離散的三維坐標進行點對點式檢測。而伴隨著三維激光掃描技術在橋梁變形檢測中的應用，可通過激光器對整體橋體進行密集掃描，由此獲得海量高精度點云數(shù)據(jù)。

所以，可以對橋梁任意部位進行掃描，而且檢測過程不受時間及外界條件的限制。不論在何種情況下，都可以快速檢測實體目標，并且立即將檢測結果轉換成可以處理的數(shù)據(jù)。之后，直接通過CAD、三維動畫等工具軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。目前，三維激光掃描技術憑借其強大的技術優(yōu)勢，擁有非?？捎^的發(fā)展前景，但是其弊端問題是內部黑箱系統(tǒng)難以得到檢校，而且儀器設備的價格非常昂貴，不同生產(chǎn)廠家的儀器難以兼容，導致后期數(shù)據(jù)處理存在較大難度。因此，在該項技術今后的發(fā)展中，還需要在提高設備兼容性、降低成本、加快數(shù)據(jù)處理效率等方面加大研究力度[7]。

3 各種橋梁檢測技術的比較

通過上述研究可以看出，盡管目前存在多種橋梁變形檢測技術可供選擇。但是，每一種方法都具有各自的優(yōu)勢與劣勢，或者說在測量精度、操作難易程度、儀器設備成本、檢測工作環(huán)境要求等諸多方面都存在差異。因此，要想在幾種檢測技術當中做出合理選擇，一方面要結合橋梁變形檢測的實際要求，另一方面要全面掌握各種技術之間的差異特點。只有這樣，才能確保檢測技術符合檢測需求，最終獲得有效檢測數(shù)據(jù)。在當前的橋梁垂直位移檢測中，仍以水準測量方法為主，其檢測誤差約為0.3mm[8]。但是，傳統(tǒng)橋梁變形檢測方法雖然可以滿足絕大多數(shù)橋梁檢測精度要求，但其檢測效率和自動化程度較低。為了完成檢測任務，往往需要耗費大量的人力、物力。如果橋梁變形檢測工作時間緊、任務重，則不適合采用傳統(tǒng)檢測方法；3S 技術、攝影測量技術和雷達干涉測量技術有效彌補了傳統(tǒng)檢測技術的各種弊端問題，大大減少了外業(yè)工作量，尤其在自動化程度、檢測范圍等方面實現(xiàn)了大幅提升。然而，在測量精度方面，卻與傳統(tǒng)大地測量技術相差甚遠。但是，這并不能否定這些新型橋梁變形檢測技術存在巨大的發(fā)展?jié)摿?。比如隨著攝影測量與遙感技術的不斷向前發(fā)展，在大型橋梁變形檢測中的應用價值越來越高，檢測精度也愈加可靠。現(xiàn)階段，GPS 和測量機器人檢測技術可以說是當前橋梁變形檢測領域內使用率最高的兩種方法。測量機器人在保留傳統(tǒng)大地測量優(yōu)勢的同時，又實現(xiàn)了全自動化檢測，整個操作過程方便靈活，效率極高，而且其實測精度達到0.8mm+1ppm。對于機器人檢測技術而言，無法長時間地面通視，視距不宜過長屬于其技術瓶頸問題。GPS 測量技術在檢測精度、靈敏度、可靠性以及硬軟件兼容性等方面都實現(xiàn)了不同程度的發(fā)展。在橋梁變形檢測精度上，不論是靜態(tài)檢測、動態(tài)檢測還是垂直檢測，其精度值都較以往實現(xiàn)了大幅提升。而且GPS 檢測不會受到地面通視時長和距離上的限制，適合完成周期性、連續(xù)性、全天候檢測任務。如果測量機器人的跟蹤測量速度無法滿足橋梁振動模態(tài)測量要求，則可以考慮采用GPS 技術，或者將兩種方法結合起來，針對橋梁結構變形情況進行實時動態(tài)測量，便可以最大限度地提升橋梁變形檢測精度和檢測效率。三維激光掃描技術突破了傳統(tǒng)檢測技術只能獲取局部檢測數(shù)據(jù)這一局限性，在短時間內快速獲取橋梁結構海量云數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)全站儀檢測相比，三維激光掃描技術雖然在測量精度方面還待于提升，但不妨礙其擁有廣闊的發(fā)展前景。

4 橋梁變形檢測技術發(fā)展趨勢

首先，傳統(tǒng)檢測技術將呈現(xiàn)出更高的自動化應用水平，而新技術將朝著更加精準性、經(jīng)濟性方向發(fā)展。比如測量機器人檢測技術在保留全站儀技術優(yōu)勢的基礎之上，具備更高的自動化程度；而IBIS-S 遙測系統(tǒng)在傳承干涉雷達檢測技術優(yōu)勢的基礎上，實現(xiàn)更高精度的檢測，并且檢測成本較以往有所下降，以此來滿足更多的橋梁變形檢測需求。

其次，將與多學科、多領域之間相互融合。任何一項新技術的成熟與完善，甚至完全取代其他技術，都不能依靠自身單一的發(fā)展，而是需要與更多的技術領域相結合，實現(xiàn)資源整合與優(yōu)勢互補。因此，在橋梁變形檢測技術的未來發(fā)展中，應積極探索各種新型橋梁變形檢測技術與地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等多個學科之間的相互融合。屆時，將實現(xiàn)真正意義上的連續(xù)性、高精度、自動化檢測。

最后，隨著科學技術水平的整體提升，在數(shù)據(jù)傳輸與控制主面，將朝著遠程化、智能化的方向邁進。尤其伴隨著微電子技術、計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術的整體發(fā)展，必將為橋梁變形檢測數(shù)據(jù)傳輸與控制智能化提供了更多種可能，這也是未來橋梁安全管理的發(fā)展方向。

5 結語

在當前的橋梁變形檢測領域內，雖然擁有眾多檢測方法可供選擇。但是，每一種方法又存在一定的弊端和創(chuàng)新研究空間。因此，在實際的橋梁變形檢測過程中，需要技術人員結合檢測需求、環(huán)境因素等實際情況，在幾種檢測技術中做出合理選擇、科學搭配。與此同時，科研人員還需要持續(xù)不斷地開展技術創(chuàng)新，盡快彌補新型檢測技術的問題與不足，推動其技術應用水平的大幅度提升。