橋梁支座檢測裝置的研制

支座是橋梁中承上啟下的構件，其作用是將上部結構的載荷傳遞到下部結構，同時保證上部結構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，難免會產生這樣或那樣的病害，因此橋梁設計者一般把支座設計成可更換構件。

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、腳手架或高架車進行檢查。梯子檢查安全性較差，易發生側傾；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，而且占用機動車道，影響交通，一般管理單位無力購買；許多支座無法進行有效檢測。因此，急需研發一種橋梁支座檢測裝置，解決目前天津市的幾百座立交橋，共計數萬個支座檢測問題。

1 結構設計

要研制一種支座檢查裝置，檢查一個支座時間要短，兩個人即可進行檢測；對地面平整度要求較低，在微風天氣下可以使用該設備，可以實現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量。在試驗階段，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，分別為固定設備、升降（伸縮）設備、連接設備和視頻采集及數據傳輸、顯示設備。

固定設備是保證拍照設備的穩定性；升降設備是把拍照設備運送靠近支座，是支座檢測裝置的最重要部件；連接設備是把各種部件進行機械連接；視頻采集及數據傳輸、顯示設備是把檢查到的圖像轉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。為減少研發費用，研制支座檢測裝置原則上采用市面上能找到的成型產品進行組裝、試驗。

2 方案比選

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

2.1 升降設備

分別調研了遙控飛機、空中飛魚、魚竿、伸縮桿等材料。

1）遙控飛機。是一種重于空氣的，有尺寸限制的，帶有或不帶有發動機的，利用螺旋槳向下扇動空氣，產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把拍照設備送至支座附近進行拍照檢測。目前遙控飛機的遙控距離可達幾公里，見圖1。

遙控飛機的優點是可以遠距離遙控，不受墩柱周圍環境的影響，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。缺點是造價高（好的航模價值數萬元甚至十多萬元）；操作難度大，微調困難，對操作人員技術水平要求較高；經不起碰撞、危險性較大；不容易到達支座附近；耗電多，續航能力弱。

2）飛魚。是利用塑料魚體內氦氣的重量比空氣小，產生浮力，用尾巴擺動實現前進或拐彎，調節配重位置實現向上或向下游動，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數百米，見圖2。

飛魚的優點是可以遠距離遙控，不受墩柱周圍環境的影響，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。缺點是經不起哪怕一點微風；體積龐大，承載力小，30 L的飛魚僅能產生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；飛行速度慢，效率底下。

根據飛魚，可以聯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，但是要想進行支座檢測，必須得能靠近橋墩才能進行檢測。

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做到22m長，能進行三層橋支座的檢測，見圖3。

魚竿的優點是重量輕，便于攜帶；能達到較大的長度。缺點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。

還有一種撈魚抄網桿，一般有5～6m長，剛度較大，穩定性較好，但是僅能進行一層橋的支座檢測，檢測范圍受限制。

4）升降桿。調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、精細度差。最終發現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，升高最大高度可達30m；做工精密，設計合理，操作方便，移動、儲存便利，閉合后僅1.6m；承載力大，頂端可承載質量＞5 kg。升降天線桿可分為手動和電動。在試驗階段，選用升高高度為13m的升降桿作為試驗升降桿，見圖4。

手動升降桿特點是重量輕，升13m高度質量僅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行高度微調；桿端承載重量較大，滿足圖像設備重量要求。

電動升降桿特點是自重較大，需2人抬；操作現場需要220V電源；高度微調麻煩。

圖1 遙控飛機

圖2 空中飛魚

圖3 魚竿

圖4 軍用天線升降桿

2.2 圖像設備

圖像設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境且檢測一個支座就得升降一次，數據線容易發生磨損，因此計劃采用無線連接。常用的近距離無線傳輸有藍牙、紅外、2.4G等技術。檢測需求的傳輸距離為20～50m，因此選擇2.4G技術。2.4G無線網絡穿透性好，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，是全球范圍內被廣泛使用的超低輻射綠色環保頻段，傳輸速度很快（最高可達

108Mbps）；通迅指令間不會相互干擾。

為能準確選擇合適的角度拍攝支座照片，要求支座必須能夠實時傳輸數據，進行監控拍照。經過5月調研，經過無數次嘗試，總結出3套方案：照相機、航拍和安防設備方案。

1）照相機方案?；九渲脼閱畏凑障鄼C+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上，通過顯示屏實時查看要照相的范圍。目前支持無線遙控拍照的不用internet網絡的相機均為單反相機，重量、體積較大。

照相機方案的優點是照片清晰，像素高可開閃光燈拍照。缺點是無線遙控距離較短，剛剛能滿足支座檢測需要；單反相機體積、重量大；頭重腳輕，升高超過10 m后，支撐桿的穩定性較差，；相機昂貴，目前階段，升高后無法調焦，攝像頭中畫面與相機中畫面有一定錯位；沒有云臺，要想調節照相機角度只能轉動伸縮桿。

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

航拍方案的優點是比較成熟；能實現支座檢測裝置的所有功能。缺點是結構復雜；重量較大；費用較高；耗電量多，工作時間短；電路連接需要一定的專業知識。

3）安防設備方案。基本配置為攝像頭+發射器+電源+接收器+顯示屏+硬盤刻錄機+電源。安防設備市面上多數為有線攝像頭，少數采用2.4 G無線技術，能實時監控，有紅外夜視功能。

安防設備優點是能在光線較暗的環境照相；重量輕；造價低；工作時間長；圖傳等功能集成。缺點是照片清晰度較差。

2.3 固定設備和連接設備

圖像設備和伸縮桿間的連接部件及升降桿的底部固定部件，市面上沒有現成的商品可選，因此研究人員找了一機械修理廠進行了委托設計和加工。

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；視頻能實時監控，升降桿頂端裝置構造簡單，拍照清晰；采用2.4G技術進行無線遙控拍照、錄像；在光線較暗的梁底也能進行拍照。

綜合方案比選，最終采用的方案組合為軍用升降天線桿+安防設備，這套設備的最大優點是檢測支座不再需要搭設支架；最大缺點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，一個人即能進行支座的檢測，唯一的缺點是成像像素低。攝像頭像素比較低，是因為一般采用的是COMS的感光元件，成像像素不如相機采用的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；另一種是采用技術手段，提高COMS的感光元件的成像質量。因此，最理想的支座檢測裝置方案是開發一種圖像設備，采用傻瓜數碼相機和圖傳工具集成，采用2.4G無線即時傳輸技術，遙控拍照和存儲；伸縮桿采用更輕質高強的材料，精密度更高的技術。

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