激光投射式橋梁墩柱位移監測系統

重慶江綦高速公路有限公司 萬 萬

1.研究目的、意義和國內外概況

橋梁作為現代交通的重要組成部分，在現代社會中正發揮著越來越重要的作用。由于工程結構設計、建造和施工過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。

我國公路橋梁大部分在建國以后建成，橋齡一般在40 年以內，病害問題正在暴露，且已有一定數量的橋梁發生老化、損壞現象，危橋逐年增多，承載能力明顯降低。

近年來，我國橋梁垮塌事件屢見不鮮，公路橋梁垮塌達數十座，造成大量生命、財產損失，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的廣泛關注。

重慶市直轄以來，交通基礎設施建設投資規模逐步擴大。“十五”期間，“八小時重慶”、“半小時主城”等交通建設項目的實施，為推動重慶社會經濟的發展創造了良好的條件。重慶是 “山城”、“江城”， 交通基礎設施建設離不開大量的橋梁建設，也使得重慶成為中國的橋都。

目前，重慶主城區在長江和嘉陵江上已有14座特大型橋，到2020年前，規劃再新建特大型橋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，造起巨大的經濟損失。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，也對重慶直轄市的形象造成了不良影響。因此，加強橋梁健康監測是重慶經濟社會快速發展的重要保障。

目前，被廣泛采用的交通基礎設施人工監控方法已經遠遠不能起到保障橋梁結構正常營運安全的作用。橋梁健康監測綜合運用現代傳感技術、光電技術、通信技術和計算機技術，在橋梁中布置傳感器，對橋梁結構的各種特征參數進行長期、實時監測，由此分析橋梁結構的健康狀態，評估橋梁結構的可靠性，為橋梁的管理與維護提供科學依據。由于橋梁健康監測實現了對橋梁狀態的長期、在線、實時安全監測，被認為是結構安全的有力保障，成為當前國內外研究的重點和熱點。

國外從20世紀80年代中后期開始建立各種規模的橋梁健康監測系統，對橋梁的性能、長短期變形、裂紋發生情況進行綜合監測，建立健康監測系統的典型橋梁包括英國Flintshire 獨塔斜拉橋、挪威Skarnsunder 斜拉橋、丹麥Great Belt East 懸索橋等。

我國自20 世紀90 年代起在一些大型重要橋梁上安裝了各種規模的健康監測系統，對橋梁的位移、應變、振動發生情況等進行關鍵部位的監測，南京潤陽長江大橋、香港青馬大橋等已安裝橋梁健康監測系統，上海徐浦大橋安裝了帶有研究性質的監測系統。

根據監測特征參數和傳感器的不同，橋梁健康監測系統可分為裂紋監測系統、撓度監測系統、應變監測系統、索力監測系統、溫度監測系統、位移監測系統等等。橋梁健康監測通常根據不同橋型的需要，選用不同監測系統組合。

橋梁結構健康狀態的一個重要指標是橋梁在載荷作用下產生的向下位移（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。當橋的撓度大到一定程度，必須采取限制重車通行，對橋進行加固等措施，否則將出現橋梁安全問題。

目前可用于實現橋梁結構長期健康監測的方法主要有張力線法、GPS、連通管法、光電成像法、全自動全站儀、傾角儀、激光圖像法等，現有的各種橋梁結構監測方法，激光圖像法相對于前述各種方法在橋梁健康監測領域中具有較大優勢，如果能在現有技術基礎上進一步加以改進，使其適用于大跨徑橋梁結構的監測，將在橋梁結構監測領域中獨占鰲頭，實現廣泛的市場應用。

為此提出利用準直半導體點光源激光發射器、具有半反射效應的投影靶、視頻采集設備和計算機，開發基于視頻采集的激光投射式橋墩位移實時監測系統。

基于視頻采集的激光投射式橋墩位移實時監測系統對前述激光圖像系統進行了兩方面的重大改進：一是通過設計高收斂性準直半導體點激光發射器，實現遠距離點激光匯聚投射，以解決目前市場上常見的點激光發射器發射光斑在距離較遠時擴散現象較嚴重的問題；二是通過采用攝像視頻采集設備和激光發射器的變化監測相結合的方式，可以由圖形監測方式驗證智能監測方式的真實性和有效性，也可以實現對被監測點工作狀態的圖像監測；三是這種監測方式實現了自動化、智能化、長期化。

橋梁結構位移變化能夠反映結構剛度、彈性以及非彈性變形及結構在荷載下的整體工作狀況，即結構是否工作于正常狀態。對處于結構壽命不同階段的橋梁結構實施長期實時監測，可及時了解結構健康狀況，確保結構在允許變形范圍內工作，從而保障橋梁結構安全。因此結構變形和位移的監測是橋梁健康監測的一個非常重要的內容。

2.系統簡介

本項目結合光電式和攝像法兩種撓度測量方法的優點，通過技術創新，準備進行大量實驗研究和工程實踐的基礎上研究激光投射式橋梁墩柱位移/撓度測量系統（以下簡稱“LPD測量系統”）。LPD測量系統能夠實現橋梁行測結構的快速自動測量，具有測量距離遠、范圍大、精度高、成本低，安裝快捷簡便的特點。

2.1 系統結構

圖1 LPD測量系統結構

LPD測量系統主要包括激光發射子系統和接收處理子系統（圖1）。進行位移測量時，激光發射子系統置于橋梁結構的被測點，接收處理子系統置于測量參考點。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投影標靶上，由高清晰攝像機獲取激光光斑的中心位置。

該系統利用激光光束良好的方向性，實現了對遠點位移信息的傳輸，同時，將激光光斑成像在一個標靶上，再通過高清晰攝像機進行識別。這種方法對物距的縮短提高了測量精度，而較大的物方視場增加了測量量程，實現了遠距離、大范圍、高精度的撓度測量（測量距離為1000m，測量精度為測量范圍的0.2‰）。

3.結論與展望

新型激光投射式橋梁位移實時監測系統具有高精度、高效率、低成本、易安裝維護的優點，相對現有的各種橋梁位移測量系統具有極好的性能價格比，可在投入較少的前提下完成相同或質量更好的橋梁位移監測，一舉解決了由于經費問題難以對各種橋梁的位移進行長期、實時、自動監測的問題，既能節約經費，又能夠有效保障橋梁結構安全。

[1]姚平.GPS在橋梁監測中的應用研究[J].同濟大學,2008(01).

[2]吳巨峰,鐘繼衛.橋梁結構云監測平臺設計與實現[J].計算機時代,2017(02).

[3]靳潔.變形監測技術在橋梁監測中的應用研究[J].信息化建設,2016(04).