市政桥梁支架预压沉降量检测方法

摘 要： 由于现有的桥梁支架预压沉降量检测方法易受到路面干扰导致检测的数据不准确，因此本文提出市政桥梁支架预压沉降量检测方法。对市政桥梁支架预压沉降量方法进行设计，其中包括收集沉降图像、对沉降类型进行检测分析、对沉降量进行计算。为验证市政府桥梁支架预压沉降量检测方法是否准确，本文对此进行对比试验，将市政桥梁支架预压沉降量检测方法与传统方法、模拟算法进行对比，结果表明市政桥梁支架预压沉降量检测方法更准确，可以推广使用。

关键词：桥梁支架；预压沉降量；检测方法；市政桥梁

中图分类号：U 443" " 文献标志码：A

中国水上制造业非常发达，而桥梁已成为连接跨水道路的关键技术。根据住房和农村建设部的最新统计，仅江苏、浙江和上海3个城市就有515座桥梁。以西安市为代表的规模项目基础以软土居多，因此，在这种形式基础上建设的路面和桥梁开通运行时会出现鹿桥连接处的差异下沉，从而导致桥梁下沉，汽车通过时出现碰撞情况，这将影响行驶顺畅度，严重时甚至可能威胁行人安全[1]。

本项目拟利用车载探测技术，在高速采集桥梁坡度及纵断面图像的基础上，生成道路纵断面，并与连续图像相结合，对线路上桥梁进行定位。在此基础上，提出了一种用于城市桥梁支架沉降监测的新方法，进行多组试验与数值分析，并与人工测量结果进行对比验证。表面平整度测量是桥梁支架沉降监测中一项重要而有效的手段。但是，目前桥梁支架沉降监测装置的适应性弱，在该领域仍存在一些技术故障。因此新的研究方法是通过车辆和人体研究间接量化桥头嵌入，从而准确检测沉降。

1 现有桥梁沉降监测方法的探讨与分析

目前，我国桥梁结构健康监测技术得到了长足的发展，其沉降监测技术也有了较大突破。桥梁的变形监测是桥梁工程中的一项重要内容。桥墩是桥梁与地基之间的关键构件，其竖向及横向变形对整个桥梁的稳定性起至关重要的作用。对桥梁进行沉降监测，能够及时发现桥梁的缺陷，为桥梁建设与使用期间的安全性评价奠定基础。本文主要对目前桥梁工程中常见的检测方法（三角高程测量、水准测量、GPS、激光测距法和干涉测量法等）进行简要介绍。这些技术可以对桥梁进行沉降检测，保障桥梁的安全。

1.1 三角高程测量

以图1为例，假设A点和B点是两个距离较近（通常不大于300m）但高度不同的地面点。设置全站仪高度为i，而反射棱镜高度为1。将全站仪放置在A点，并将反射棱镜放在B点上。通过测量垂直角α和斜距S进行检测。

从上述测量中可以得到A点和B点之间的相对高差hAB，如公式（1）所示。

hAB=S·sinλ+i-1 " " （1）

针对桥梁沉降变化的具体监测方法是通过对A点和B点之间的高差变化进行反复确认，再计算桥梁的沉降量∆h。

全站仪已经得到广泛应用，在测量领域使用全站仪可以提高精度和便利性，但在每次使用全站仪的过程中，安置点仍然需要安置在已知高程的位置上，另外测量仪器的高度差加上棱镜的高度差，会给测量造成误差。因此为了消除误差影响，使用一种新型的全站仪测量方法，如图2所示，设置全站仪为A点，以已知高程点为后视点，标记为B点，以须测量的高程点为前视点，标记为C点，使用三角高程测量，得到待测点C的高程HC。这种方法有助于减少误差来源，提高测量效率。

通过利用已知高程点HB，可以准确测量出A点的高程值。如公式（2）所示。

HA=HB-S后·sin∂-k+1 " "（2）

假设前后两个棱镜的高度相同（假设为1），并且仪器的高度保持不变，那么可以求解C点的高程值，如公式（3）所示。

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

这种方法使全站仪可以放置在任意位置，并减少了误差来源。虽然这种测量缩小了测量结果的误差，但是都不能解决全站仪使用过程容易受到外界因素影响的问题。在恶劣环境下，测量图像可能有阴影或模糊现象，导致测量效果不佳。因此，这些方法无法满足长期实时监测桥梁沉降的需求。

1.2 激光测距法

激光测距仪具有操作简便、测距精度高、可进行远距离、实时监控等优点，在航天、科学研究等领域具有广阔的应用前景。随着激光测距技术的发展，其性能价格比也逐步提高，已逐步应用于轨道交通等地面测绘与工程测绘。脉冲式激光测距技术是连续将脉冲光信号发送到被测物体上，再对被测物体的运动轨迹进行测量，从而得到与被测物体之间的距离。

通过计数，可以获得飞行时间t，而计数器通过对从发送到接收信号的时间段进行计数，来获得实际的飞行时间。假设一个周期时间内，钟脉冲的周期为T，能够计数的实际脉冲个数为n，运用观察定理，被测距离S可以由公式（4）计算得出。

（4）

脉冲式激光测距仪是一种新型的测距装置，它具有测距范围广、使用方便、快速等优点。但是，脉冲式激光测距仪经常会受到电路限制，从而影响测量速度，测距也比较短，实际测量精确度较差。此外，激光测距仪的价格昂贵且存在一定程度的能量损耗，这些因素在某种程度上限制了其在桥梁沉降监测方面的应用发展。

2 市政桥梁支架预压沉降量检测方法

2.1 收集沉降图像

本文为了避免传统有刻度线量筒对检测的影响，采用平底玻璃试管和矩形玻璃容器作为代替，以此保证测量桥梁支架沉降比精准度。为了保证识别结果的准确性，本文使用的平底玻璃试管和矩形玻璃容器均无刻度标识，在容器旁增设标尺。沉降率的图像是用手机的后置摄像头拍下来的，拍摄设备则是在摄影棚里，以上形式获得的污泥沉降率像素和图像原始像素均为3024px×3024px，原始图像可缩至756px×756px，以便迅速获得检测结果，减少计算开销。为验证该方法的准确性，本项目拟将包括刻度的部分用刀具从原始图像中剪去，并将有刻度的图像与原始图像进行比对，从而判断无刻度图像的准确性[2]。

采用该方法获得的所有图像都是RGB色彩的，利用图像处理算法对其进行灰度化处理，利用加权平均法来保证图像的灰度化平衡，从而达到均衡图像灰度值的目的，将3个分量进行加权计算，保证其加权平均值作为灰度值，从而完成图像收集。

2.2 检测沉降类型

该方法采用“化线为点”的原理，主要研究试验段均匀选点前后的纵坡差数值，以超过纵坡差的点占采集点总数的比例，观察城市桥梁支座的沉降状态。桥梁支架沉降主要是由于公路与桥梁交叉部位的差异沉降所致，因此按其线形特点，可将其划分为渐变型、折线型和曲线型3种。桥梁沉降示意图如图3所示。

交错沉降是指道路与桥梁间的差异沉降或道路物质部分形成导致在道路与桥梁的连接处形成“阶梯”状态的沉降。线路断裂沉降常发生在有引桥板的道路和桥梁的过渡段，表现为纵坡变化相对均匀。埋置在桥头后的道路纵断面线呈现弯曲特征，这种埋置在桥头上的情况称为弯曲沉积物[3]。

在以上3种类型的桥梁沉降中，非误差台型桥梁的沉降表现为部分凸起，而此类桥梁支架纵断面高程有明显的差异，标准的桥梁支架沉降研究部分中已经对其测量与分析进行标准检测。但折线型和曲线型桥梁的沉降存在渐变性和区段特性，已经不再应用于桥梁支架预压沉降的研究中，因此将这2类非误差台型桥梁沉降作为主要研究范围和热点。

3种类型的无级桥头埋置具有不同的道路平整特性，因此提出了一种基于道路纵断面线的桥头埋置检测方法。为了检测两种类型嵌入，安装在车辆上的桥头嵌入检测系统应采用横断面检测技术，无台阶安装，并配备道路图像检测设备。车内测量控制系统包括检测车、惯导系统、热线扫描相机、DMI光电编码器、GPS、工业自动化控制计算机和电脑显示屏等。其中，惯导系统用来收集纵向坡度数据，而DMI光电编码器则用来收集实际行车车速和距离。综合起来，构成了道路纵剖面曲线统计与获取的基础数据。线扫描相机是一种用于道路图像探测的装置，它能采集连续的道路图像。当道路轮廓线与路面图像的位置相对应时，就能在地图上迅速确定桥梁连接的位置。和上述说法不一样的是，已有的研究成果包括公路桥梁衔接段拖车高度、路桥过渡段建设后的效应、桥接前后的纵向坡度等。该方法利用桥梁接缝前后纵坡差值这个指标来数据化计算桥梁的沉降情况 [4]，从而完成沉降类型检测。

2.3 沉降变形测量点的布置技术要求

沉降变形测量点可分为以下3种。①基准点。当对桥梁沉降变形进行监测时，为了保证稳定性，需要在沉降变形区域以外建立基准点。这些基准点可以采用全线的岩石基点、CPI（控制性基准点）或CPII（受控制基准点）、二等水准点和深埋水准点等。②水准基点。为满足桥梁沉降变形监测的需求，参考点应位于稳定性较好的地区，且在监测过程中应基本稳定。这些参考点可以作为转换的高度和坐标，用来确定桥梁的沉降和变形。若水准基点间距在200 m以内，则基本可以满足竖向变形监测的需要。③沉降变形监测点。在对沉降和变形有要求的建筑物上设置沉降变形监测点。对施工地点选取来说，要注意能反映地基沉降变形特点的部位，并保证点位设置稳固，便于进行检测。同时，还需要保证点位的外观美，设计合理，对沉降变形体的使用及外形无损害。根据实际情况，按路基、桥梁等专业的布置要求，确定沉降变形点位。

考虑人为因素造成的损坏，或者是自然情况的改变，因此在不同的情况下，测点与水准基点之间可能会有不同的位置变化。为了保证定位准确可靠，有必要对它们进行周期性的稳定性检查。

每个监测网必须包括若干个稳定参考点。对有区域沉降的地区来说，要实时监控水准基点的沉降变形。若两次复测时，观测到水准基点变形大于误差二倍，则应检查检验资料。经校核后，每一期水准基点及沉降变形监测点的实测高程应予以适当修正。

2.4 沉降检测注意事项

选择合适的水准仪与水准尺，并进行检验。市政桥梁支架预压沉降量检测对精度要求较高，只有高精度的检测才能准确反映沉降规律。因此，当进行沉降检测时，须选用符合规范要求的水准仪和水准尺，应由有资格的机构进行检查，并经验收合格后方可在外业进行沉降变形测试，否则检测数据无法满足要求。

降低i角对检测产生的影响：在外业沉降变形检测中，角度i是一种重要的误差源。由于很难保证视轴线和水平轴线的绝对平行，因此即使对其进行了检查修正，也无法完全排除i角误差。

i角误差是与视线距离成正比例的，当i角度不变时，若同一测站点前、后视距离相同，或同一站点前、后视距离之和相同，则可排除i角误差对测量精度的影响。但是，要做到前后视距完全相等较为困难。因此当野外勘测时，必须严格按规定进行作业，使前后视距差和前、后视距的累计差均符合规定，并尽量缩小这种差异，以减少i角误差的影响。

2.5 计算边缘沉降量

首先对经过滤波的图像进行边缘提取，其次用Sobel算子对图像进行卷积，最后提取图像的边缘。当Sobel算子卷积时，横向卷积的图像更好地反映了纵向卷积的图像，而纵向卷积的图像更好地反映了横向的边界。在进一步加工过程中，纵向边沿更能满足判断的需要。

因此，将横向权重设定为一个固定的数值，竖向权重是反向的，对卷积后的图像进行边缘提取。综合考虑，本文需要采用边缘检测法来进行检测[5]。

在图像处理中，边缘检测能识别图像中的边界和物体的轮廓。然而，有时不仅需要检测边缘，还需要识别图像中的直线。在这种情况下，可以使用霍夫变换来检测直线并进行后续处理。当检测边缘沉降量时，需要对大量的图像进行统计分析。具体来说，将从数百幅图像中随机选择一幅，并对其作Hough变换，计算垂直线的个数。若在原图中加入刻度，则Hough变换后的垂线数目将多于原图。相反，如果原始图像中没有标尺，那么经过霍夫变换后垂线的数量会比原始图像中的数量更少。因此，设置一个固定的阈值，当垂线的数量超过这个阈值时，可以判定原始图像中包括标尺。当垂线的数量低于这个阈值时，判定原始图像中不包括标尺。

在图像分析中，ROH是从图像中选择一幅图像来进行图像分析的一个重要环节。ROH能准确地判断目标的位置，缩短搜索的时间，提高搜索的准确性。本文研究的ROI区域是贮存污泥混合物的容器。根据上述结果可得沉降部分的高度，从而计算边缘沉降量。

3 对比试验

3.1 试验说明

为证明文中所提检测方法的实用性，须进行对比试验验证。将文中方法与传统测量方法以及模型算法进行对比。

3.2 试验准备

选择一条全长约160 m、纵坡变化较大的线形试验桥，在其起始点、终点处设明显标志，沿行驶方向每20m标出一处测点位置。利用DSZOS型探测器，在车辆行进方向上，对相邻两个测点逐一进行沉降测量，根据公式（5）计算沉降量的数值。

（5）

式中：IHM为桥梁支架预压沉降量测量的具体数值；hAB为水平沉降量测量的两个相邻测量点之间的高度差；LAB为两个相邻测量点之间的距离长度，此处的长度为10m。

使用这个结果作为两个测量点之间的已知纵向坡度。收集1m的纵向坡度数据，并发送10m内的平均纵向坡度作为自动纵向坡度测量结果。

在桥梁设置的多个测量点上分别进行3种检测形式，每一种检测形式均进行多次试验，最终取平均值，得到的数据是基于所用的方法最准确的数据，更能具体地表现检测真实性。

根据上述试验计划、测试内容和参数选取原则，选定陕西省西安市的一百座桥梁。利用车载测量设备获取了纵向斜坡信息和连续路面信息，并利用新建立的计算模式和方法，得到200组SPR的嵌入点信息（上桥和下桥）。另外，还通过手动测试计划，根据每个测量数据的上下桥距离计算过渡段和桥段间的纵坡一型的绝对误差，并得出4组自动测量数据。

3.3 试验结果

试验结果见表1。

由表1可知，传统方法和模拟算法计算的桥梁沉降值与实际情况不符，且相差较大。而利用文中方法测量的桥梁沉降值较为准确，且与实际情况相符合，有效检测了桥梁支架预压沉降量。

4 结语

本文提出的桥梁支架预压沉降量检测方法方法填补了桥梁支架预压沉降量检测技术的研究空白，对桥梁支架预压沉降量的自动定量检测技术具有重要的应用价值。经过试验得出，与传统方法相比，该方法提高了效率，且操作起来更简便，并且由试验结果可以看出，该方法准确性更高，可以大力推行。在此基础上，结合我国其他区域的观测数据，对所提方法进行改进，使其具有更广泛的应用前景。本文提出的方法及参数选取准则可对地面沉降进行精确定量描述。

参考文献

[1] 李辉，夏飞龙，何玉柱.悬臂浇筑连续梁设计研究[J].黑龙江交通科技，2023，46（5）：107-110.

[2] 郭颖伟.基于有限元法的铁路路基—桥梁过渡段不均匀沉降与加固研究[J].工程建设与设计，2023（8）：52-54.

[3] 韩峰，孔令超，车立润，等.煤泥水沉降检测控制系统的研究与应用[J].煤炭加工与综合利用，2023（1）：77-78.

[4] 封玲，陈莹锋，赵鹏.移动激光扫描技术在桥头接坡差异沉降检测中的应用[J].上海公路，2022（4）：66-70，179.

[5] 梁洪永，邓涛，简波，等.山区跨沟桥梁回填地基沉降对满堂支架稳定性影响分析[J].四川建筑，2022，42（1）：71-74.