激光投射式桥梁墩柱位移监测系统

重庆江綦高速公路有限公司 万 万

1.研究目的、意义和国内外概况

桥梁作为现代交通的重要组成部分，在现代社会中正发挥着越来越重要的作用。由于工程结构设计、建造和施工过程中难以避免的失误，以及工程材料的自然老化和缺陷，造成桥梁事故屡屡出现。

我国公路桥梁大部分在建国以后建成，桥龄一般在40 年以内，病害问题正在暴露，且已有一定数量的桥梁发生老化、损坏现象，危桥逐年增多，承载能力明显降低。

近年来，我国桥梁垮塌事件屡见不鲜，公路桥梁垮塌达数十座，造成大量生命、财产损失，2004年成都温江三渡水大桥垮塌、2004年辽宁盘锦大桥垮塌事件、2006 年4月广东深汕高速公路桥梁垮塌、2006年5月甘肃岷县洮河大桥垮塌等事件引起了社会的广泛关注。

重庆市直辖以来，交通基础设施建设投资规模逐步扩大。“十五”期间，“八小时重庆”、“半小时主城”等交通建设项目的实施，为推动重庆社会经济的发展创造了良好的条件。重庆是 “山城”、“江城”， 交通基础设施建设离不开大量的桥梁建设，也使得重庆成为中国的桥都。

目前，重庆主城区在长江和嘉陵江上已有14座特大型桥，到2020年前，规划再新建特大型桥18座，其余大中型桥梁更是近3000座。每座桥梁在公路运输中都具有巨大的作用，任何一座桥梁的事故都可能引起整条公路交通的中断，造起巨大的经济损失。1999年的重庆彩虹桥垮塌事件给重庆市民留下了惨痛的教训，也对重庆直辖市的形象造成了不良影响。因此，加强桥梁健康监测是重庆经济社会快速发展的重要保障。

目前，被广泛采用的交通基础设施人工监控方法已经远远不能起到保障桥梁结构正常营运安全的作用。桥梁健康监测综合运用现代传感技术、光电技术、通信技术和计算机技术，在桥梁中布置传感器，对桥梁结构的各种特征参数进行长期、实时监测，由此分析桥梁结构的健康状态，评估桥梁结构的可靠性，为桥梁的管理与维护提供科学依据。由于桥梁健康监测实现了对桥梁状态的长期、在线、实时安全监测，被认为是结构安全的有力保障，成为当前国内外研究的重点和热点。

国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统，对桥梁的性能、长短期变形、裂纹发生情况进行综合监测，建立健康监测系统的典型桥梁包括英国Flintshire 独塔斜拉桥、挪威Skarnsunder 斜拉桥、丹麦Great Belt East 悬索桥等。

我国自20 世纪90 年代起在一些大型重要桥梁上安装了各种规模的健康监测系统，对桥梁的位移、应变、振动发生情况等进行关键部位的监测，南京润阳长江大桥、香港青马大桥等已安装桥梁健康监测系统，上海徐浦大桥安装了带有研究性质的监测系统。

根据监测特征参数和传感器的不同，桥梁健康监测系统可分为裂纹监测系统、挠度监测系统、应变监测系统、索力监测系统、温度监测系统、位移监测系统等等。桥梁健康监测通常根据不同桥型的需要，选用不同监测系统组合。

桥梁结构健康状态的一个重要指标是桥梁在载荷作用下产生的向下位移（挠度）情况。桥在相同载荷作用下的挠度越大，桥的承载力越低。当桥的挠度大到一定程度，必须采取限制重车通行，对桥进行加固等措施，否则将出现桥梁安全问题。

目前可用于实现桥梁结构长期健康监测的方法主要有张力线法、GPS、连通管法、光电成像法、全自动全站仪、倾角仪、激光图像法等，现有的各种桥梁结构监测方法，激光图像法相对于前述各种方法在桥梁健康监测领域中具有较大优势，如果能在现有技术基础上进一步加以改进，使其适用于大跨径桥梁结构的监测，将在桥梁结构监测领域中独占鳌头，实现广泛的市场应用。

为此提出利用准直半导体点光源激光发射器、具有半反射效应的投影靶、视频采集设备和计算机，开发基于视频采集的激光投射式桥墩位移实时监测系统。

基于视频采集的激光投射式桥墩位移实时监测系统对前述激光图像系统进行了两方面的重大改进：一是通过设计高收敛性准直半导体点激光发射器，实现远距离点激光汇聚投射，以解决目前市场上常见的点激光发射器发射光斑在距离较远时扩散现象较严重的问题；二是通过采用摄像视频采集设备和激光发射器的变化监测相结合的方式，可以由图形监测方式验证智能监测方式的真实性和有效性，也可以实现对被监测点工作状态的图像监测；三是这种监测方式实现了自动化、智能化、长期化。

桥梁结构位移变化能够反映结构刚度、弹性以及非弹性变形及结构在荷载下的整体工作状况，即结构是否工作于正常状态。对处于结构寿命不同阶段的桥梁结构实施长期实时监测，可及时了解结构健康状况，确保结构在允许变形范围内工作，从而保障桥梁结构安全。因此结构变形和位移的监测是桥梁健康监测的一个非常重要的内容。

2.系统简介

本项目结合光电式和摄像法两种挠度测量方法的优点，通过技术创新，准备进行大量实验研究和工程实践的基础上研究激光投射式桥梁墩柱位移/挠度测量系统（以下简称“LPD测量系统”）。LPD测量系统能够实现桥梁行测结构的快速自动测量，具有测量距离远、范围大、精度高、成本低，安装快捷简便的特点。

2.1 系统结构

图1 LPD测量系统结构

LPD测量系统主要包括激光发射子系统和接收处理子系统（图1）。进行位移测量时，激光发射子系统置于桥梁结构的被测点，接收处理子系统置于测量参考点。利用激光良好的方向性，将激光光斑投射到接收处理子系统投影标靶上，由高清晰摄像机获取激光光斑的中心位置。

该系统利用激光光束良好的方向性，实现了对远点位移信息的传输，同时，将激光光斑成像在一个标靶上，再通过高清晰摄像机进行识别。这种方法对物距的缩短提高了测量精度，而较大的物方视场增加了测量量程，实现了远距离、大范围、高精度的挠度测量（测量距离为1000m，测量精度为测量范围的0.2‰）。

3.结论与展望

新型激光投射式桥梁位移实时监测系统具有高精度、高效率、低成本、易安装维护的优点，相对现有的各种桥梁位移测量系统具有极好的性能价格比，可在投入较少的前提下完成相同或质量更好的桥梁位移监测，一举解决了由于经费问题难以对各种桥梁的位移进行长期、实时、自动监测的问题，既能节约经费，又能够有效保障桥梁结构安全。

[1]姚平.GPS在桥梁监测中的应用研究[J].同济大学,2008(01).

[2]吴巨峰,钟继卫.桥梁结构云监测平台设计与实现[J].计算机时代,2017(02).

[3]靳洁.变形监测技术在桥梁监测中的应用研究[J].信息化建设,2016(04).