桥梁监测的“火眼金睛”——桥梁变形测试新技术及工程应用

2021-01-21 08:30:19 1

为了保证桥梁几何、刚度状态满足设计要求,桥梁在施工和使用过程中,均需进行关键截面的几何状态变形测试,这也是桥梁施工质量控制、运营检测试验以及长期运营监测的重要内容。特别是桥梁运营阶段的活载挠度,是桥梁抵抗外荷载变形能力的重要指标,也是评价桥梁结构整体刚度的重要参数。


桥梁变形测试方法主要有——机械式测量法,测试仪器如千分表、百分表、连通管等;电测法,测试仪器如电测变形计、机电百分表等;三角测量法,测试仪器如水准仪、全站仪等,还有倾角仪检测法、激光三角位移检测法等。在桥梁荷载试验中,机械测量法与电测法一般需要搭设支架等临时设施,耗费大量人力物力,且无法在水上桥梁、通航(车)桥梁和高墩大跨桥梁应用;三角测量法只能在桥面两侧进行变形测试,无法反映横向多片主梁挠度分布状况。在桥梁实时动态位移监测中,目前还没有高效的变形实时监测仪器和设备,严重制约着桥梁长期监测技术的进步。因此,急需研发新型变形测量设备,改进和解决目前桥梁变形测试的不足。本文在传统变形测试方法的基础上,提出基于数字图像技术和激光技术的变形测试新技术,研发了相关仪器设备,有效推动了我国桥梁变形测试技术的进步。


基于数字图像技术的变形测试系统:


数字图像相关方法(DICM)是一种基于现代数字图像分析技术的光学测量新方法。过去30年里,该技术在工程检测领域中得到了飞速的发展。数字图像相关方法又被称为数字散斑相关方法,最早是在20世纪80年代初期,由美国南卡罗莱纳州大学的Peters WH等人提出的。数字图像相关方法实质上是对变形前后结构表面的光强分布图采用相关运算,从而测量出结构的位移。与传统的变形测量方法相比,数字图像相关方法可进行全场非接触性测量,测量精度高、测试过程简单、自动化程度高、对测量环境要求低。近些年来,众多学者致力于数字图像相关方法的理论研究及应用,涌现出大量研究成果,推动了该方法的发展。


基于DICM的结构变形测试技术系统由CCD、镜头、靶标和分析系统软件组成。当待测点产生位移时,与之连接的靶标也随之产生相应的移动。CCD和镜头高频采集靶标上的数字化图像,再通过计算机对采集到的图像进行同步处理,计算出图像中标靶A、B、C、D四点的中心坐标的位移,通过换算就可以得到标靶4个点中心点的实际位移,进而得到待测点的实际位移。

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图1 基于DICM的变形测试系统组成示意

基于该原理,长安大学结构智能检测技术研究所研发了用于桥梁荷载试验的QBD-A型结构静动态位移测试系统和用于桥梁长期监测的QBD-B型结构变形实时动态测试系统。QBD-A型结构位移测试系统采用高精度图像采集器、高性能变焦长焦镜头及自动云台,可实现远距离高质量成像。经过处理可得到待测目标的静、动态位移以及实时动态曲线,还可实现冲击系数、基频及阻尼比测试。该测试系统具有如下突出优点:(1)测试精度高,百米精度可达0.1mm,完全满足桥梁及其他结构相对变形测试;(2)极限测试距离大于1000m,可用于超大跨径桥梁变形测试;(3)采用免靶标测量模式,选点准确、便捷,极大提高工作效率;(4)实现图像内多点捕捉,可同时测量多个测点,实现多点静动态位移测试。QBD-A型结构位移测试系统可广泛应用于桥梁荷载试验及其他结构的相对变形测试中。

QBD-B型结构变形实时动态测试系统基于单目视觉测量技术,通过计算机图形处理得到待测目标的静、动态位移以及实时动态曲线。该系统主要包括高性能处理器、图像采集装置、长焦镜头、云台、特征标志件、测距模块、数据传输模块及分析软件。可实时显示结构二维变形动态时程曲线,可设置阈值,实现变形预警功能。结合无线数据传输系统,可实现远程监测与控制,满足结构长期监测要求。QBD-B型结构变形实时动态测试系统的研发成功,解决了行业内无法进行远距离实时监测结构变形的难题,并首次在我国最大的公铁两用斜拉桥——沪苏通长江大桥施工监控中成功应用。



基于激光基准的桥梁挠度监测系统:

激光基准图像测量方法是将激光技术和视觉测量技术相结合的一种非接触变形测量方法。激光图像测量方法具有测量速度快、精度高、稳定性好等特点,可实现远距离自动连续测量,近年来广泛应用于结构变形测量和工业生产中。


激光基准图像测量方法是将智能激光靶标固定在结构待测点处, 从激光器发出的基准激光束照射在接收靶标的透射式接收屏上,形成一个带圆形光斑的靶标图像光图信息,被后置的CCD摄像机接收。CCD摄像机输出的视频信息经过处理单元解算处理后,得到光斑在接收屏上的几何坐标位置。当被测结构受外界环境的影响, 沿某个方向移动了某一个位移量,则接收靶标上的光斑图像产生相对位移。通过采集和处理前后两次的图像信息, 就可解析出结构相对多维度变形信息。


基于以上原理,长安大学结构智能检测研究所研发了激光基准桥梁结构挠度多维度智能实时监测系统。该系统基于双激光基准实现桥梁的多维挠度参数检测,利用光电检测技术将桥梁结构的多维挠变信息转换为激光光斑中心在靶标平面上的坐标变换,通过数字图像处理技术求取出激光光斑中心的坐标信息,从而间接解算出桥梁结构的挠变信息。并通过无线4G-DTU实现数据远程传输,方便用户通过Web和App进行信息的查看和处理。





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