變形檢測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

周賓

（同濟(jì)大學(xué)，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(jì)建設(shè)、促進(jìn)區(qū)域之間經(jīng)貿(mào)交流的主要交通設(shè)施，有效地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程。然而，對(duì)于橋梁工程而言，在其長(zhǎng)期使用的過(guò)程中，由于受到各種內(nèi)外因素的影響，會(huì)發(fā)生一定程度的結(jié)構(gòu)變形，由此帶來(lái)一定的安全隱患。

因此，為了更有針對(duì)性地開(kāi)展橋梁運(yùn)維工作，保障行車(chē)安全，有必要采取科學(xué)有效的橋梁檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁變形情況進(jìn)行檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)變形隱患，了解變形成因及變形趨勢(shì)，從而有針對(duì)性地采取應(yīng)對(duì)策略，使變形問(wèn)題得到有效控制，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性提供保障。

1 橋梁變形檢測(cè)內(nèi)容

橋梁變形根據(jù)性質(zhì)和部位的不同，可分為以下兩種：

第一，墩臺(tái)基礎(chǔ)檢測(cè)，對(duì)于橋梁墩臺(tái)而言，由于長(zhǎng)期受到地基環(huán)境和水流沖刷的影響，會(huì)發(fā)生一定幅度的沉降，甚至?xí)l(fā)生水平位移，因此在針對(duì)墩臺(tái)進(jìn)行變形檢測(cè)時(shí)，著重檢測(cè)其沉降幅度或者水平位移位現(xiàn)狀。

第二，主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)，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(cè)，還要針對(duì)橋梁整體傾斜角度、伸縮量進(jìn)行檢測(cè)。上述橋梁變形檢測(cè)工作對(duì)于橋梁安全營(yíng)運(yùn)十分重要，在獲取完整的檢測(cè)數(shù)據(jù)以后，技術(shù)人員需要根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)橋梁變形狀況進(jìn)行客觀準(zhǔn)備的評(píng)判，為下一步實(shí)施橋梁運(yùn)行維護(hù)工作提供指導(dǎo)方向與參與依據(jù)[1]。

2 變形檢測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)橋梁變形檢測(cè)方法

2.1.1 大地測(cè)量方法

采用大地測(cè)量方法對(duì)橋梁關(guān)鍵部位進(jìn)行周期性、重復(fù)性的檢測(cè)，并由此獲取檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，依據(jù)此坐標(biāo)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生垂直位移和水平位移。大地測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，而且擁有較高的測(cè)量精度，可滿足不同結(jié)構(gòu)形式橋梁變形檢測(cè)精度要求。但是，該方法也存在一些弊端問(wèn)題，比如檢測(cè)速度較慢，自動(dòng)化程度較低，等等。因此，極有可能投入大量人力、物力和時(shí)間開(kāi)展檢測(cè)工作，但檢測(cè)過(guò)程卻受到當(dāng)?shù)氐匦螚l件和天氣因素的影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不夠精準(zhǔn)，實(shí)用價(jià)值大打折扣[2]。

2.1.2 物理傳感器方法

在應(yīng)用物理傳感器方法進(jìn)行橋梁變形檢測(cè)時(shí)，將物理傳感器固定在橋梁上后，便可以長(zhǎng)期性、連續(xù)性自動(dòng)獲取較高精度的局部變形信息，橋梁內(nèi)部應(yīng)力、壓力、傾斜角度以及溫度變化的數(shù)據(jù)，還可以針對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)。之后，將存儲(chǔ)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的電子水平儀連接到計(jì)算機(jī)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(yīng)的橋梁變形示意圖。該方法更適合對(duì)橋梁局部變形或者相對(duì)變形情況進(jìn)行檢測(cè)，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(shù)橋梁變形檢測(cè)方法

2.2.1 攝影測(cè)量技術(shù)

攝影測(cè)量技術(shù)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(xiàng)技術(shù)具有外業(yè)工作量小、不受自然環(huán)境和地理?xiàng)l件限制等特點(diǎn)。在測(cè)量過(guò)程中，既可以為靜態(tài)目標(biāo)提供三維空間坐標(biāo)，還可以總結(jié)出動(dòng)態(tài)目標(biāo)的變化規(guī)律?，F(xiàn)階段，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)可以快速完成攝影測(cè)量作業(yè)，不僅作業(yè)效率高，還可以自動(dòng)檢測(cè)相片系統(tǒng)誤差及觀測(cè)誤差，并且做出智能化調(diào)整，使橋梁變形檢測(cè)精度獲得可靠保障。但是，該項(xiàng)技術(shù)與全站儀檢測(cè)技術(shù)相比，檢測(cè)精度相對(duì)較低，而且測(cè)量設(shè)備的采購(gòu)價(jià)格和維護(hù)成本較高。在目前的橋梁變形檢測(cè)中，其使用率相對(duì)有限，還有待在今后的技術(shù)研究中進(jìn)一步完善與優(yōu)化[4]。

2.2.2 GPS 測(cè)量技術(shù)

該技術(shù)主要借助GPS 接收機(jī)完成對(duì)橋梁檢測(cè)，具有精度高、全天候、自動(dòng)化、檢測(cè)過(guò)程不受地面條件和距離限制等優(yōu)勢(shì)。近些年來(lái)，與GPS 技術(shù)相關(guān)的硬件、軟件應(yīng)用水平均已取得了突破性進(jìn)展。目前，其檢測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)，使得GPS 測(cè)量技術(shù)在大型橋梁變形檢測(cè)中發(fā)揮出極大的優(yōu)越性，幫助相關(guān)管理部門(mén)做好橋梁運(yùn)行維護(hù)工作。然而，GPS 檢測(cè)精度比較容易受到檢測(cè)點(diǎn)天頂通視條件的制約，而且檢測(cè)點(diǎn)成本較高。另外，GPS 垂直位移檢測(cè)精度方面還有待進(jìn)一步提高。

2.2.3 雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)

雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)主要根據(jù)雷達(dá)圖像當(dāng)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(cè)技術(shù)相比，雷達(dá)干涉檢測(cè)技術(shù)具有更高的精度和分辨率，而且憑借其自身較強(qiáng)的穿透能力強(qiáng)，可以有效規(guī)避云雨天氣對(duì)檢測(cè)過(guò)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(cè)。雷達(dá)干涉技術(shù)本身具有較為理想的檢測(cè)精度，如果再引進(jìn)差分干涉手段，其檢測(cè)精度還將獲得更大幅度的提升。因此，應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，可以檢測(cè)到非常微小的橋梁變形，對(duì)于變形問(wèn)題的二期干預(yù)具有非常大的幫助。目前，雷達(dá)干涉技術(shù)已經(jīng)在錢(qián)塘江大橋、金沙江大橋、石崆山大橋的靜態(tài)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)及自振頻率檢測(cè)中取得了非常理想的應(yīng)用效果。

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

2.3 機(jī)器人橋梁變形檢測(cè)技術(shù)

機(jī)器人橋梁變形檢測(cè)技術(shù)的誕生與應(yīng)用，得益于光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化全站儀等眾多先進(jìn)技術(shù)的同步發(fā)展與綜合應(yīng)用。具體地說(shuō)，測(cè)量機(jī)器人是以全站儀作為根基，又集結(jié)了步進(jìn)馬達(dá)、影像傳感器以及多款專業(yè)軟件的相關(guān)優(yōu)勢(shì)，對(duì)橋梁變形數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與跟蹤檢測(cè)，從其檢測(cè)過(guò)程和檢測(cè)精度上看，具有實(shí)時(shí)高效、準(zhǔn)確可靠、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可在實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的狀態(tài)下，對(duì)橋梁變形情況進(jìn)行全自動(dòng)化測(cè)量。伴隨著技術(shù)人員的不懈努力，使機(jī)器人橋梁變形檢測(cè)技術(shù)得到了二次開(kāi)發(fā)。目前，利用計(jì)算機(jī)程序可自動(dòng)完成測(cè)量、記錄、數(shù)據(jù)處理和輸出等操作。這樣一來(lái)，便可以在全天候、無(wú)人值守的狀態(tài)下，自行開(kāi)展橋梁智能檢測(cè)。但是，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，仍存在一些需要技術(shù)攻關(guān)的問(wèn)題。比如檢測(cè)精度會(huì)隨著距離的延長(zhǎng)而下降，而且粗差情況不易獲悉；測(cè)量機(jī)器人的設(shè)備及硬件系統(tǒng)成本較高，還存在較高的后續(xù)維護(hù)與升級(jí)需求。若想長(zhǎng)期固定采取該項(xiàng)檢測(cè)方法，不僅需要采取特殊的保護(hù)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(cè)技術(shù)

在我國(guó)，雖然三維測(cè)量技術(shù)誕生與應(yīng)用的時(shí)間并不短暫，但在傳統(tǒng)的技術(shù)模式下，只能針對(duì)某個(gè)測(cè)量目標(biāo)或者多個(gè)離散的三維坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式檢測(cè)。而伴隨著三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形檢測(cè)中的應(yīng)用，可通過(guò)激光器對(duì)整體橋體進(jìn)行密集掃描，由此獲得海量高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

所以，可以對(duì)橋梁任意部位進(jìn)行掃描，而且檢測(cè)過(guò)程不受時(shí)間及外界條件的限制。不論在何種情況下，都可以快速檢測(cè)實(shí)體目標(biāo)，并且立即將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。之后，直接通過(guò)CAD、三維動(dòng)畫(huà)等工具軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。目前，三維激光掃描技術(shù)憑借其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，擁有非常可觀的發(fā)展前景，但是其弊端問(wèn)題是內(nèi)部黑箱系統(tǒng)難以得到檢校，而且儀器設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，不同生產(chǎn)廠家的儀器難以兼容，導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理存在較大難度。因此，在該項(xiàng)技術(shù)今后的發(fā)展中，還需要在提高設(shè)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(cè)技術(shù)的比較

通過(guò)上述研究可以看出，盡管目前存在多種橋梁變形檢測(cè)技術(shù)可供選擇。但是，每一種方法都具有各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，或者說(shuō)在測(cè)量精度、操作難易程度、儀器設(shè)備成本、檢測(cè)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(cè)技術(shù)當(dāng)中做出合理選擇，一方面要結(jié)合橋梁變形檢測(cè)的實(shí)際要求，另一方面要全面掌握各種技術(shù)之間的差異特點(diǎn)。只有這樣，才能確保檢測(cè)技術(shù)符合檢測(cè)需求，最終獲得有效檢測(cè)數(shù)據(jù)。在當(dāng)前的橋梁垂直位移檢測(cè)中，仍以水準(zhǔn)測(cè)量方法為主，其檢測(cè)誤差約為0.3mm[8]。但是，傳統(tǒng)橋梁變形檢測(cè)方法雖然可以滿足絕大多數(shù)橋梁檢測(cè)精度要求，但其檢測(cè)效率和自動(dòng)化程度較低。為了完成檢測(cè)任務(wù)，往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力。如果橋梁變形檢測(cè)工作時(shí)間緊、任務(wù)重，則不適合采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法；3S 技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)和雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的各種弊端問(wèn)題，大大減少了外業(yè)工作量，尤其在自動(dòng)化程度、檢測(cè)范圍等方面實(shí)現(xiàn)了大幅提升。然而，在測(cè)量精度方面，卻與傳統(tǒng)大地測(cè)量技術(shù)相差甚遠(yuǎn)。但是，這并不能否定這些新型橋梁變形檢測(cè)技術(shù)存在巨大的發(fā)展?jié)摿?。比如隨著攝影測(cè)量與遙感技術(shù)的不斷向前發(fā)展，在大型橋梁變形檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值越來(lái)越高，檢測(cè)精度也愈加可靠?，F(xiàn)階段，GPS 和測(cè)量機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)可以說(shuō)是當(dāng)前橋梁變形檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)使用率最高的兩種方法。測(cè)量機(jī)器人在保留傳統(tǒng)大地測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化檢測(cè)，整個(gè)操作過(guò)程方便靈活，效率極高，而且其實(shí)測(cè)精度達(dá)到0.8mm+1ppm。對(duì)于機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)而言，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間地面通視，視距不宜過(guò)長(zhǎng)屬于其技術(shù)瓶頸問(wèn)題。GPS 測(cè)量技術(shù)在檢測(cè)精度、靈敏度、可靠性以及硬軟件兼容性等方面都實(shí)現(xiàn)了不同程度的發(fā)展。在橋梁變形檢測(cè)精度上，不論是靜態(tài)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)還是垂直檢測(cè)，其精度值都較以往實(shí)現(xiàn)了大幅提升。而且GPS 檢測(cè)不會(huì)受到地面通視時(shí)長(zhǎng)和距離上的限制，適合完成周期性、連續(xù)性、全天候檢測(cè)任務(wù)。如果測(cè)量機(jī)器人的跟蹤測(cè)量速度無(wú)法滿足橋梁振動(dòng)模態(tài)測(cè)量要求，則可以考慮采用GPS 技術(shù)，或者將兩種方法結(jié)合起來(lái)，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，便可以最大限度地提升橋梁變形檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)只能獲取局部檢測(cè)數(shù)據(jù)這一局限性，在短時(shí)間內(nèi)快速獲取橋梁結(jié)構(gòu)海量云數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)全站儀檢測(cè)相比，三維激光掃描技術(shù)雖然在測(cè)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(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

首先，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)將呈現(xiàn)出更高的自動(dòng)化應(yīng)用水平，而新技術(shù)將朝著更加精準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。比如測(cè)量機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)在保留全站儀技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)之上，具備更高的自動(dòng)化程度；而IBIS-S 遙測(cè)系統(tǒng)在傳承干涉雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更高精度的檢測(cè)，并且檢測(cè)成本較以往有所下降，以此來(lái)滿足更多的橋梁變形檢測(cè)需求。

其次，將與多學(xué)科、多領(lǐng)域之間相互融合。任何一項(xiàng)新技術(shù)的成熟與完善，甚至完全取代其他技術(shù)，都不能依靠自身單一的發(fā)展，而是需要與更多的技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源整合與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，在橋梁變形檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)積極探索各種新型橋梁變形檢測(cè)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科之間的相互融合。屆時(shí)，將實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)性、高精度、自動(dòng)化檢測(cè)。

最后，隨著科學(xué)技術(shù)水平的整體提升，在數(shù)據(jù)傳輸與控制主面，將朝著遠(yuǎn)程化、智能化的方向邁進(jìn)。尤其伴隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整體發(fā)展，必將為橋梁變形檢測(cè)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(lái)橋梁安全管理的發(fā)展方向。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前的橋梁變形檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，雖然擁有眾多檢測(cè)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(shí)際的橋梁變形檢測(cè)過(guò)程中，需要技術(shù)人員結(jié)合檢測(cè)需求、環(huán)境因素等實(shí)際情況，在幾種檢測(cè)技術(shù)中做出合理選擇、科學(xué)搭配。與此同時(shí)，科研人員還需要持續(xù)不斷地開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，盡快彌補(bǔ)新型檢測(cè)技術(shù)的問(wèn)題與不足，推動(dòng)其技術(shù)應(yīng)用水平的大幅度提升。