基于数字图像处理技术的多点动态位移检测系统试验研究

程 斌，程 辉

（1. 武汉城市职业学院，湖北 武汉 430064；2. 中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034）

在桥梁健康监测系统及荷载试验中，变形是一个极其重要的指标。挠度作为变形的一种描述形式，可以评价桥梁质量及运营状态，反映桥梁的刚度，是桥梁整体变形最明显的反应。尤其是桥梁的动挠度，更是对桥梁刚度最为实时的反应，是桥梁在车辆荷载作用下最为真实的反应。在车辆荷载作用下，桥梁结构将产生比相同静荷载作用下更大的变形和应力。因此，对动挠度进行研究有着重要的科研价值和实用价值［1-2］。

1 工程概况

武汉中法友谊大桥桥址位于武汉市外环线和三环线之间，上距蔡甸桥约4.2 km，下距三环线长丰桥约8 km，北岸为武汉市东西湖区胡家台，南岸为武汉市蔡甸区三官村。大桥起点位于蔡甸区知音大道与十永线交叉处，止于东西湖区16 支沟与107 国道交叉处。主桥为主跨190 m双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥（斜拉刚构桥），全桥跨度组合为21 m × 30 m 等截面砼连续小箱梁+ 3 m × 60 m 连续梁+ （120 m + 190 m + 120 m）PC 斜拉刚构桥+ 3 m × 60 m 连续梁+ 14 m × 30 m 等截面砼连续小箱梁，武汉中法友谊大桥布置图见图1，按一级公路兼城市主干道功能设计双向6 车道，主桥及引桥宽33.5 m，接线路基宽50 m，设计行车速度80 km/h。

图1 武汉中法友谊大桥布置图Fig.1 The layout of Wuhan Sino-French Friendship Bridge

2 基于数字图像处理技术的多点动态位移监测系统简介

图像处理技术（digital image processing）通常是指用计算机对数字图像进行处理，也称为计算机图像处理，它是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行系列操作，从而获得某种结果的技术。常用的图像处理方法有以下几种：灰度化、直方图均衡化、滤波、图像分割、目标表示与描述、特征提取等［3］。

采用数字图像相关算法，对桥梁、建筑物等大型结构上多个目标点的位移进行实时监控，可方便实现远距离、多点动态检测。数字摄影测量具有非接触、远距离、高精度的特点，为结构位移测量提供了一种比较好的方法［4］。

数字图像相关法是一种基于数字图像处理和数值计算的非接触、全场变形光学计量方法。通过变形前后的两幅图像来测量物体表面的二维变形。利用这种测量方法可以直接测量桥梁在荷载作用下的位移和变形场，图像视觉新技术原理见图2。为了数据的准确性，大跨径桥梁的荷载试验通常在晚上进行［5-7］。

测量前期准备仅需要十几分钟即可，整个测量过程，仅需使用一台图像采集器，拍摄变形过程中待测物的图像，即可通过笔记本电脑实时高速计算出视场范围内所有点的二维动态变形。全场动态多点位移测量系统在室内室外均可适用，位移测量范围从0.02 mm 到几百米，仪器与被测点之间距离为1 ～500 m。原则上来说只要能取得图像，即可进行位移测量［8］。

图2 图像视觉新技术原理图Fig.2 Schematic diagram of the new technology of image vision

3 对比试验介绍

为保证试验的对比性，现场光电挠度仪试验测试的位置与中法友谊大桥健康监测液位挠度测点现场安装位置一致。本次试验主要对中法友谊大桥东西湖侧支座位移、1/3 断面（支座方向为起点）、3/4 断面（支座方向为起点）以及中跨跨中等4 个点的竖向位移进行对比监测，试验测点布置图见图3，每个测点的监测时间大约为15 min，测试方案采用实时观测，主要对重载车辆通过桥梁的挠度变化进行观测及对比，基准点选择在岸边，基站设置及设备见图4。

试验时间段主要在夜间，试验过程中的有效数据在17∶00- 20∶00 之间测得，本次试验主要对光电挠度仪的夜间数据进行对比。

图3 试验测点布置图Fig.3 The layout of test points

图4 基站设置及设备图Fig.4 Settings and equipment of the base station

4 实测工况

4.1 中跨跨中断面监测对比分析

中跨跨中测点距离测站207 m，测量时间为759 s，采样频率设置为1 Hz，采样参数见表1。

表1 中跨跨中断面光电挠度仪参数表Tab.1 Parameter table of photoelectric deflectometer for mid-span and mid-section

图5 为中跨跨中光电挠度仪时程曲线图，图6 为中跨跨中液位挠度时程曲线图。由图5 和图6 可以看出，光电挠度仪虽然与液位挠度测点采用同一采样频率，但采集数据时程曲线之间仍然存在一定差别。两者之间的区别主要来源于车辆的横向布置及测点在桥梁的横向布置位置。

图5 中跨跨中光电挠度仪时程曲线图Fig.5 Time history curve of photoelectric deflectometer of mid-span and mid-section

图6 中跨跨中液位挠度时程曲线图Fig.6 Time history curve of the liquid level deflection of mid-span and mid-section

中跨跨中断面挠度监测对比结果见表2。由表2 可以看出，时刻1 ～3 对比结果最大挠度差值为0.211 mm，相对差值比在4% 以内。时刻4 形成差别较大的原因与车辆荷载的横向布置有关，包括与桥梁自身的振动有关。

表2 中跨跨中断面挠度监测对比表Tab.2 Comparison of deflection monitoring of mid-span and mid-section

4.2 边跨1/3 断面监测对比分析

光电挠度仪光斑与测站之间的距离为207 m，测量时间共1 033 s，采样频率设置为1 Hz，采样参数见表3。

表3 边跨1/3 断面光电挠度仪参数表Tab.3 Parameter table of photoelectric deflectometer for side span 1/3 section

图7 为边跨1/3 断面光电挠度仪时程曲线图，图8 为边跨1/3 断面液位挠度时程曲线图。由图7 和图8 可以看出，边跨1/3 断面光电挠度仪与液位挠度测点的数据时程曲线之间差别较大，其差别原因仍然与车辆的横向布置及测点横向、纵向布置位置相关。

图7 边跨1/3 断面光电挠度仪时程曲线图Fig.7 Time history curve of photoelectric deflectometer of side span 1/3 section

图8 边跨1/3 断面液位挠度时程曲线图Fig.8 Time history curve of the liquid level deflection of side span 1/3 section

光电挠度仪整体数据比较平稳，无较大的波动，对于车辆荷载作用下的桥梁挠度具有明显响应。选择时程曲线中t= 400 s 的位置的挠度峰值进行对比，光电挠度仪的挠度峰值为4.025 mm，而对应的液位挠度峰值为2 mm，见表4。

表4 边跨1/3 断面挠度监测对比表Tab.4 Comparison of deflection monitoring of side span 1/3 section

4.3 边跨3/4 断面

光电挠度仪光斑与测站之间的距离为207 m，测量时间共1 033 s，采样频率设置为1 Hz。采样参数见表5。

表5 边跨3/4 断面光电挠度仪参数表Tab.5 Parameter table of photoelectric deflectometer for side span 3/4 section

边跨3/4 断面光电挠度仪时程曲线见图9，边跨3/4 断面液位挠度时程曲线图如图10 所示。主要对比t= 420 s位置的挠度数据，光电挠度仪监测结果为3.67 mm，液位挠度监测结果为2.93 mm，见表6。

图9 边跨3/4 断面光电挠度仪时程曲线图Fig.9 Time history curve of photoelectric deflectometer of side span 3/4 section

图10 边跨3/4 断面液位挠度时程曲线图Fig.10 Time history curve of the liquid level deflection of side span 3/4 section

表6 边跨3/4 断面挠度监测对比表Tab.6 Comparison of deflection monitoring of side span 3/4 section

4.4 边跨支座测量

边跨支座的监测参数见表7。边跨支座的监测目的主要与桥梁支座位移监测结果进行相互验证。由于实际桥梁支座纵向位移与理论分析结果相差较大，因此单独对支座位移进行了监测。

表7 边跨支座断面光电挠度仪参数表Tab.7 Parameter table of photoelectric deflectometer for side span support section

光电挠度仪位移监测结果见图11。从图11 可见，光电挠度仪监测结果与实际桥梁支座位移监测结果具有高度一致性。

图11 光电挠度仪位移监测结果图Fig.11 Displacement monitoring results of photoelectric deflectometer

5 结论

通过在中法友谊大桥光电挠度仪及桥梁健康监测液位挠度对比试验及分析，可以得出以下结论：

1）光电挠度仪整体上属于非接触测量，调试方便，仪器使用机动性强，因此其使用场合也较多；

2）光电挠度仪测试精度足够满足现阶段桥梁挠度监测的需要，其量程较大，测试精度高，可满足不同跨度，包括悬索桥等大挠度桥梁的监测，尤其是本光电挠度仪具有多点监测的功能，对于桥梁线形监测具有一定的优势；

3）光电挠度仪对于桥梁健康监测系统的前期勘查及后期验证具有很好的作用，由于光电挠度仪具有较高的采样频率，其验证结果具有一定的指导意义；

4）由于光电挠度仪短期内受到温度影响小，在荷载试验中，尤其对于塔柱变形监测具有独特的效果；

5）光电挠度仪整体考虑全面，用户体验感较强，学习及使用容易接受；

6）光电挠度仪对于基站的要求较高，基站移动对于整体测量影响较大，而且光电挠度仪现阶段成本较高，不适合进行长期自动化较高的场合使用。