市政橋梁支架預壓沉降量檢測方法

摘 要： 由于現有的橋梁支架預壓沉降量檢測方法易受到路面干擾導致檢測的數據不準確，因此本文提出市政橋梁支架預壓沉降量檢測方法。對市政橋梁支架預壓沉降量方法進行設計，其中包括收集沉降圖像、對沉降類型進行檢測分析、對沉降量進行計算。為驗證市政府橋梁支架預壓沉降量檢測方法是否準確，本文對此進行對比試驗，將市政橋梁支架預壓沉降量檢測方法與傳統方法、模擬算法進行對比，結果表明市政橋梁支架預壓沉降量檢測方法更準確，可以推廣使用。

關鍵詞：橋梁支架；預壓沉降量；檢測方法；市政橋梁

中圖分類號：U 443" " 文獻標志碼：A

中國水上制造業非常發達，而橋梁已成為連接跨水道路的關鍵技術。根據住房和農村建設部的最新統計，僅江蘇、浙江和上海3個城市就有515座橋梁。以西安市為代表的規模項目基礎以軟土居多，因此，在這種形式基礎上建設的路面和橋梁開通運行時會出現鹿橋連接處的差異下沉，從而導致橋梁下沉，汽車通過時出現碰撞情況，這將影響行駛順暢度，嚴重時甚至可能威脅行人安全[1]。

本項目擬利用車載探測技術，在高速采集橋梁坡度及縱斷面圖像的基礎上，生成道路縱斷面，并與連續圖像相結合，對線路上橋梁進行定位。在此基礎上，提出了一種用于城市橋梁支架沉降監測的新方法，進行多組試驗與數值分析，并與人工測量結果進行對比驗證。表面平整度測量是橋梁支架沉降監測中一項重要而有效的手段。但是，目前橋梁支架沉降監測裝置的適應性弱，在該領域仍存在一些技術故障。因此新的研究方法是通過車輛和人體研究間接量化橋頭嵌入，從而準確檢測沉降。

1 現有橋梁沉降監測方法的探討與分析

目前，我國橋梁結構健康監測技術得到了長足的發展，其沉降監測技術也有了較大突破。橋梁的變形監測是橋梁工程中的一項重要內容。橋墩是橋梁與地基之間的關鍵構件，其豎向及橫向變形對整個橋梁的穩定性起至關重要的作用。對橋梁進行沉降監測，能夠及時發現橋梁的缺陷，為橋梁建設與使用期間的安全性評價奠定基礎。本文主要對目前橋梁工程中常見的檢測方法（三角高程測量、水準測量、GPS、激光測距法和干涉測量法等）進行簡要介紹。這些技術可以對橋梁進行沉降檢測，保障橋梁的安全。

1.1 三角高程測量

以圖1為例，假設A點和B點是兩個距離較近（通常不大于300m）但高度不同的地面點。設置全站儀高度為i，而反射棱鏡高度為1。將全站儀放置在A點，并將反射棱鏡放在B點上。通過測量垂直角α和斜距S進行檢測。

從上述測量中可以得到A點和B點之間的相對高差hAB，如公式（1）所示。

hAB=S·sinλ+i-1 " " （1）

針對橋梁沉降變化的具體監測方法是通過對A點和B點之間的高差變化進行反復確認，再計算橋梁的沉降量?h。

全站儀已經得到廣泛應用，在測量領域使用全站儀可以提高精度和便利性，但在每次使用全站儀的過程中，安置點仍然需要安置在已知高程的位置上，另外測量儀器的高度差加上棱鏡的高度差，會給測量造成誤差。因此為了消除誤差影響，使用一種新型的全站儀測量方法，如圖2所示，設置全站儀為A點，以已知高程點為后視點，標記為B點，以須測量的高程點為前視點，標記為C點，使用三角高程測量，得到待測點C的高程HC。這種方法有助于減少誤差來源，提高測量效率。

通過利用已知高程點HB，可以準確測量出A點的高程值。如公式（2）所示。

HA=HB-S后·sin?-k+1 " "（2）

假設前后兩個棱鏡的高度相同（假設為1），并且儀器的高度保持不變，那么可以求解C點的高程值，如公式（3）所示。

HC=HA+S前·sinβ+k-l=HB-S后·sin?+S前·sinβ （3）

這種方法使全站儀可以放置在任意位置，并減少了誤差來源。雖然這種測量縮小了測量結果的誤差，但是都不能解決全站儀使用過程容易受到外界因素影響的問題。在惡劣環境下，測量圖像可能有陰影或模糊現象，導致測量效果不佳。因此，這些方法無法滿足長期實時監測橋梁沉降的需求。

1.2 激光測距法

激光測距儀具有操作簡便、測距精度高、可進行遠距離、實時監控等優點，在航天、科學研究等領域具有廣闊的應用前景。隨著激光測距技術的發展，其性能價格比也逐步提高，已逐步應用于軌道交通等地面測繪與工程測繪。脈沖式激光測距技術是連續將脈沖光信號發送到被測物體上，再對被測物體的運動軌跡進行測量，從而得到與被測物體之間的距離。

通過計數，可以獲得飛行時間t，而計數器通過對從發送到接收信號的時間段進行計數，來獲得實際的飛行時間。假設一個周期時間內，鐘脈沖的周期為T，能夠計數的實際脈沖個數為n，運用觀察定理，被測距離S可以由公式（4）計算得出。

（4）

脈沖式激光測距儀是一種新型的測距裝置，它具有測距范圍廣、使用方便、快速等優點。但是，脈沖式激光測距儀經常會受到電路限制，從而影響測量速度，測距也比較短，實際測量精確度較差。此外，激光測距儀的價格昂貴且存在一定程度的能量損耗，這些因素在某種程度上限制了其在橋梁沉降監測方面的應用發展。

2 市政橋梁支架預壓沉降量檢測方法

2.1 收集沉降圖像

本文為了避免傳統有刻度線量筒對檢測的影響，采用平底玻璃試管和矩形玻璃容器作為代替，以此保證測量橋梁支架沉降比精準度。為了保證識別結果的準確性，本文使用的平底玻璃試管和矩形玻璃容器均無刻度標識，在容器旁增設標尺。沉降率的圖像是用手機的后置攝像頭拍下來的，拍攝設備則是在攝影棚里，以上形式獲得的污泥沉降率像素和圖像原始像素均為3024px×3024px，原始圖像可縮至756px×756px，以便迅速獲得檢測結果，減少計算開銷。為驗證該方法的準確性，本項目擬將包括刻度的部分用刀具從原始圖像中剪去，并將有刻度的圖像與原始圖像進行比對，從而判斷無刻度圖像的準確性[2]。

采用該方法獲得的所有圖像都是RGB色彩的，利用圖像處理算法對其進行灰度化處理，利用加權平均法來保證圖像的灰度化平衡，從而達到均衡圖像灰度值的目的，將3個分量進行加權計算，保證其加權平均值作為灰度值，從而完成圖像收集。

2.2 檢測沉降類型

該方法采用“化線為點”的原理，主要研究試驗段均勻選點前后的縱坡差數值，以超過縱坡差的點占采集點總數的比例，觀察城市橋梁支座的沉降狀態。橋梁支架沉降主要是由于公路與橋梁交叉部位的差異沉降所致，因此按其線形特點，可將其劃分為漸變型、折線型和曲線型3種。橋梁沉降示意圖如圖3所示。

交錯沉降是指道路與橋梁間的差異沉降或道路物質部分形成導致在道路與橋梁的連接處形成“階梯”狀態的沉降。線路斷裂沉降常發生在有引橋板的道路和橋梁的過渡段，表現為縱坡變化相對均勻。埋置在橋頭后的道路縱斷面線呈現彎曲特征，這種埋置在橋頭上的情況稱為彎曲沉積物[3]。

在以上3種類型的橋梁沉降中，非誤差臺型橋梁的沉降表現為部分凸起，而此類橋梁支架縱斷面高程有明顯的差異，標準的橋梁支架沉降研究部分中已經對其測量與分析進行標準檢測。但折線型和曲線型橋梁的沉降存在漸變性和區段特性，已經不再應用于橋梁支架預壓沉降的研究中，因此將這2類非誤差臺型橋梁沉降作為主要研究范圍和熱點。

3種類型的無級橋頭埋置具有不同的道路平整特性，因此提出了一種基于道路縱斷面線的橋頭埋置檢測方法。為了檢測兩種類型嵌入，安裝在車輛上的橋頭嵌入檢測系統應采用橫斷面檢測技術，無臺階安裝，并配備道路圖像檢測設備。車內測量控制系統包括檢測車、慣導系統、熱線掃描相機、DMI光電編碼器、GPS、工業自動化控制計算機和電腦顯示屏等。其中，慣導系統用來收集縱向坡度數據，而DMI光電編碼器則用來收集實際行車車速和距離。綜合起來，構成了道路縱剖面曲線統計與獲取的基礎數據。線掃描相機是一種用于道路圖像探測的裝置，它能采集連續的道路圖像。當道路輪廓線與路面圖像的位置相對應時，就能在地圖上迅速確定橋梁連接的位置。和上述說法不一樣的是，已有的研究成果包括公路橋梁銜接段拖車高度、路橋過渡段建設后的效應、橋接前后的縱向坡度等。該方法利用橋梁接縫前后縱坡差值這個指標來數據化計算橋梁的沉降情況 [4]，從而完成沉降類型檢測。

2.3 沉降變形測量點的布置技術要求

沉降變形測量點可分為以下3種。①基準點。當對橋梁沉降變形進行監測時，為了保證穩定性，需要在沉降變形區域以外建立基準點。這些基準點可以采用全線的巖石基點、CPI（控制性基準點）或CPII（受控制基準點）、二等水準點和深埋水準點等。②水準基點。為滿足橋梁沉降變形監測的需求，參考點應位于穩定性較好的地區，且在監測過程中應基本穩定。這些參考點可以作為轉換的高度和坐標，用來確定橋梁的沉降和變形。若水準基點間距在200 m以內，則基本可以滿足豎向變形監測的需要。③沉降變形監測點。在對沉降和變形有要求的建筑物上設置沉降變形監測點。對施工地點選取來說，要注意能反映地基沉降變形特點的部位，并保證點位設置穩固，便于進行檢測。同時，還需要保證點位的外觀美，設計合理，對沉降變形體的使用及外形無損害。根據實際情況，按路基、橋梁等專業的布置要求，確定沉降變形點位。

考慮人為因素造成的損壞，或者是自然情況的改變，因此在不同的情況下，測點與水準基點之間可能會有不同的位置變化。為了保證定位準確可靠，有必要對它們進行周期性的穩定性檢查。

每個監測網必須包括若干個穩定參考點。對有區域沉降的地區來說，要實時監控水準基點的沉降變形。若兩次復測時，觀測到水準基點變形大于誤差二倍，則應檢查檢驗資料。經校核后，每一期水準基點及沉降變形監測點的實測高程應予以適當修正。

2.4 沉降檢測注意事項

選擇合適的水準儀與水準尺，并進行檢驗。市政橋梁支架預壓沉降量檢測對精度要求較高，只有高精度的檢測才能準確反映沉降規律。因此，當進行沉降檢測時，須選用符合規范要求的水準儀和水準尺，應由有資格的機構進行檢查，并經驗收合格后方可在外業進行沉降變形測試，否則檢測數據無法滿足要求。

降低i角對檢測產生的影響：在外業沉降變形檢測中，角度i是一種重要的誤差源。由于很難保證視軸線和水平軸線的絕對平行，因此即使對其進行了檢查修正，也無法完全排除i角誤差。

i角誤差是與視線距離成正比例的，當i角度不變時，若同一測站點前、后視距離相同，或同一站點前、后視距離之和相同，則可排除i角誤差對測量精度的影響。但是，要做到前后視距完全相等較為困難。因此當野外勘測時，必須嚴格按規定進行作業，使前后視距差和前、后視距的累計差均符合規定，并盡量縮小這種差異，以減少i角誤差的影響。

2.5 計算邊緣沉降量

首先對經過濾波的圖像進行邊緣提取，其次用Sobel算子對圖像進行卷積，最后提取圖像的邊緣。當Sobel算子卷積時，橫向卷積的圖像更好地反映了縱向卷積的圖像，而縱向卷積的圖像更好地反映了橫向的邊界。在進一步加工過程中，縱向邊沿更能滿足判斷的需要。

因此，將橫向權重設定為一個固定的數值，豎向權重是反向的，對卷積后的圖像進行邊緣提取。綜合考慮，本文需要采用邊緣檢測法來進行檢測[5]。

在圖像處理中，邊緣檢測能識別圖像中的邊界和物體的輪廓。然而，有時不僅需要檢測邊緣，還需要識別圖像中的直線。在這種情況下，可以使用霍夫變換來檢測直線并進行后續處理。當檢測邊緣沉降量時，需要對大量的圖像進行統計分析。具體來說，將從數百幅圖像中隨機選擇一幅，并對其作Hough變換，計算垂直線的個數。若在原圖中加入刻度，則Hough變換后的垂線數目將多于原圖。相反，如果原始圖像中沒有標尺，那么經過霍夫變換后垂線的數量會比原始圖像中的數量更少。因此，設置一個固定的閾值，當垂線的數量超過這個閾值時，可以判定原始圖像中包括標尺。當垂線的數量低于這個閾值時，判定原始圖像中不包括標尺。

在圖像分析中，ROH是從圖像中選擇一幅圖像來進行圖像分析的一個重要環節。ROH能準確地判斷目標的位置，縮短搜索的時間，提高搜索的準確性。本文研究的ROI區域是貯存污泥混合物的容器。根據上述結果可得沉降部分的高度，從而計算邊緣沉降量。

3 對比試驗

3.1 試驗說明

為證明文中所提檢測方法的實用性，須進行對比試驗驗證。將文中方法與傳統測量方法以及模型算法進行對比。

3.2 試驗準備

選擇一條全長約160 m、縱坡變化較大的線形試驗橋，在其起始點、終點處設明顯標志，沿行駛方向每20m標出一處測點位置。利用DSZOS型探測器，在車輛行進方向上，對相鄰兩個測點逐一進行沉降測量，根據公式（5）計算沉降量的數值。

（5）

式中：IHM為橋梁支架預壓沉降量測量的具體數值；hAB為水平沉降量測量的兩個相鄰測量點之間的高度差；LAB為兩個相鄰測量點之間的距離長度，此處的長度為10m。

使用這個結果作為兩個測量點之間的已知縱向坡度。收集1m的縱向坡度數據，并發送10m內的平均縱向坡度作為自動縱向坡度測量結果。

在橋梁設置的多個測量點上分別進行3種檢測形式，每一種檢測形式均進行多次試驗，最終取平均值，得到的數據是基于所用的方法最準確的數據，更能具體地表現檢測真實性。

根據上述試驗計劃、測試內容和參數選取原則，選定陜西省西安市的一百座橋梁。利用車載測量設備獲取了縱向斜坡信息和連續路面信息，并利用新建立的計算模式和方法，得到200組SPR的嵌入點信息（上橋和下橋）。另外，還通過手動測試計劃，根據每個測量數據的上下橋距離計算過渡段和橋段間的縱坡一型的絕對誤差，并得出4組自動測量數據。

3.3 試驗結果

試驗結果見表1。

由表1可知，傳統方法和模擬算法計算的橋梁沉降值與實際情況不符，且相差較大。而利用文中方法測量的橋梁沉降值較為準確，且與實際情況相符合，有效檢測了橋梁支架預壓沉降量。

4 結語

本文提出的橋梁支架預壓沉降量檢測方法方法填補了橋梁支架預壓沉降量檢測技術的研究空白，對橋梁支架預壓沉降量的自動定量檢測技術具有重要的應用價值。經過試驗得出，與傳統方法相比，該方法提高了效率，且操作起來更簡便，并且由試驗結果可以看出，該方法準確性更高，可以大力推行。在此基礎上，結合我國其他區域的觀測數據，對所提方法進行改進，使其具有更廣泛的應用前景。本文提出的方法及參數選取準則可對地面沉降進行精確定量描述。

參考文獻

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