变形检测技术在桥梁检测中的应用

周宾

（同济大学，上海200092）

0 引言

近几年，大大小小的桥梁工程已经成为支持城市经济建设、促进区域之间经贸交流的主要交通设施，有效地推动了社会经济发展进程。然而，对于桥梁工程而言，在其长期使用的过程中，由于受到各种内外因素的影响，会发生一定程度的结构变形，由此带来一定的安全隐患。

因此，为了更有针对性地开展桥梁运维工作，保障行车安全，有必要采取科学有效的桥梁检测技术对桥梁变形情况进行检测，以便及时发现变形隐患，了解变形成因及变形趋势，从而有针对性地采取应对策略，使变形问题得到有效控制，为桥梁结构的安全可靠性提供保障。

1 桥梁变形检测内容

桥梁变形根据性质和部位的不同，可分为以下两种：

第一，墩台基础检测，对于桥梁墩台而言，由于长期受到地基环境和水流冲刷的影响，会发生一定幅度的沉降，甚至会发生水平位移，因此在针对墩台进行变形检测时，着重检测其沉降幅度或者水平位移位现状。

第二，主体结构检测，具体包括桥面垂直位移、桥面水平位移、桥面挠度以及斜拉桥塔柱水平位移检测，还要针对桥梁整体倾斜角度、伸缩量进行检测。上述桥梁变形检测工作对于桥梁安全营运十分重要，在获取完整的检测数据以后，技术人员需要根据检测结果对桥梁变形状况进行客观准备的评判，为下一步实施桥梁运行维护工作提供指导方向与参与依据[1]。

2 变形检测技术在桥梁检测中的应用

2.1 传统桥梁变形检测方法

2.1.1 大地测量方法

采用大地测量方法对桥梁关键部位进行周期性、重复性的检测，并由此获取检测点的三维坐标，依据此坐标，判断桥梁结构是否发生垂直位移和水平位移。大地测量方法在实际应用过程中具有较强的灵活性和适应性，而且拥有较高的测量精度，可满足不同结构形式桥梁变形检测精度要求。但是，该方法也存在一些弊端问题，比如检测速度较慢，自动化程度较低，等等。因此，极有可能投入大量人力、物力和时间开展检测工作，但检测过程却受到当地地形条件和天气因素的影响，导致检测结果不够精准，实用价值大打折扣[2]。

2.1.2 物理传感器方法

在应用物理传感器方法进行桥梁变形检测时，将物理传感器固定在桥梁上后，便可以长期性、连续性自动获取较高精度的局部变形信息，桥梁内部应力、压力、倾斜角度以及温度变化的数据，还可以针对周边环境进行观测。之后，将存储大量检测数据的电子水平仪连接到计算机系统中，便可以读取到桥梁变形数据，并且绘制出相应的桥梁变形示意图。该方法更适合对桥梁局部变形或者相对变形情况进行检测，在获取桥梁变形的整体信息方面还存在一定的局限性[3]。

2.2 3S 技术桥梁变形检测方法

2.2.1 摄影测量技术

摄影测量技术可以在非接触情况下快速获取到桥梁的几何信息和物理信息，所以该项技术具有外业工作量小、不受自然环境和地理条件限制等特点。在测量过程中，既可以为静态目标提供三维空间坐标，还可以总结出动态目标的变化规律。现阶段，借助计算机技术已经可以快速完成摄影测量作业，不仅作业效率高，还可以自动检测相片系统误差及观测误差，并且做出智能化调整，使桥梁变形检测精度获得可靠保障。但是，该项技术与全站仪检测技术相比，检测精度相对较低，而且测量设备的采购价格和维护成本较高。在目前的桥梁变形检测中，其使用率相对有限，还有待在今后的技术研究中进一步完善与优化[4]。

2.2.2 GPS 测量技术

该技术主要借助GPS 接收机完成对桥梁检测，具有精度高、全天候、自动化、检测过程不受地面条件和距离限制等优势。近些年来，与GPS 技术相关的硬件、软件应用水平均已取得了突破性进展。目前，其检测精度已经达到毫米级，使得GPS 测量技术在大型桥梁变形检测中发挥出极大的优越性，帮助相关管理部门做好桥梁运行维护工作。然而，GPS 检测精度比较容易受到检测点天顶通视条件的制约，而且检测点成本较高。另外，GPS 垂直位移检测精度方面还有待进一步提高。

2.2.3 雷达干涉测量技术

雷达干涉测量技术主要根据雷达图像当中的相位数据，获取地面高程信息。与传统桥梁变形检测技术相比，雷达干涉检测技术具有更高的精度和分辨率，而且凭借其自身较强的穿透能力强，可以有效规避云雨天气对检测过程的影响，即便是在南方的雨季，同样可以做到全天候不间断检测。雷达干涉技术本身具有较为理想的检测精度，如果再引进差分干涉手段，其检测精度还将获得更大幅度的提升。因此，应用该项技术，可以检测到非常微小的桥梁变形，对于变形问题的二期干预具有非常大的帮助。目前，雷达干涉技术已经在钱塘江大桥、金沙江大桥、石崆山大桥的静态检测、动态检测及自振频率检测中取得了非常理想的应用效果。

比如可以检测出桥墩任意位置的微小变形；或者在斜拉桥检测中，可在不影响车辆正常通行的状态下，同时完成多根索的精准检测。但是，此项技术的应用成本较高，而且需要借助投影方可获取检测目标的三维信息。因此，在实际应用中，仍存在一定的局限性[5]。

2.3 机器人桥梁变形检测技术

机器人桥梁变形检测技术的诞生与应用，得益于光电技术、计算机技术、自动化全站仪等众多先进技术的同步发展与综合应用。具体地说，测量机器人是以全站仪作为根基，又集结了步进马达、影像传感器以及多款专业软件的相关优势，对桥梁变形数据进行自动识别与跟踪检测，从其检测过程和检测精度上看，具有实时高效、准确可靠、操作简便等特点，可在实现无人值守的状态下，对桥梁变形情况进行全自动化测量。伴随着技术人员的不懈努力，使机器人桥梁变形检测技术得到了二次开发。目前，利用计算机程序可自动完成测量、记录、数据处理和输出等操作。这样一来，便可以在全天候、无人值守的状态下，自行开展桥梁智能检测。但是，在实际的检测过程中，仍存在一些需要技术攻关的问题。比如检测精度会随着距离的延长而下降，而且粗差情况不易获悉；测量机器人的设备及硬件系统成本较高，还存在较高的后续维护与升级需求。若想长期固定采取该项检测方法，不仅需要采取特殊的保护措施，还需要付出较高的成本[6]。

2.4 三维激光扫描桥梁变形检测技术

在我国，虽然三维测量技术诞生与应用的时间并不短暂，但在传统的技术模式下，只能针对某个测量目标或者多个离散的三维坐标进行点对点式检测。而伴随着三维激光扫描技术在桥梁变形检测中的应用，可通过激光器对整体桥体进行密集扫描，由此获得海量高精度点云数据。

所以，可以对桥梁任意部位进行扫描，而且检测过程不受时间及外界条件的限制。不论在何种情况下，都可以快速检测实体目标，并且立即将检测结果转换成可以处理的数据。之后，直接通过CAD、三维动画等工具软件实现数据输出。目前，三维激光扫描技术凭借其强大的技术优势，拥有非常可观的发展前景，但是其弊端问题是内部黑箱系统难以得到检校，而且仪器设备的价格非常昂贵，不同生产厂家的仪器难以兼容，导致后期数据处理存在较大难度。因此，在该项技术今后的发展中，还需要在提高设备兼容性、降低成本、加快数据处理效率等方面加大研究力度[7]。

3 各种桥梁检测技术的比较

通过上述研究可以看出，尽管目前存在多种桥梁变形检测技术可供选择。但是，每一种方法都具有各自的优势与劣势，或者说在测量精度、操作难易程度、仪器设备成本、检测工作环境要求等诸多方面都存在差异。因此，要想在几种检测技术当中做出合理选择，一方面要结合桥梁变形检测的实际要求，另一方面要全面掌握各种技术之间的差异特点。只有这样，才能确保检测技术符合检测需求，最终获得有效检测数据。在当前的桥梁垂直位移检测中，仍以水准测量方法为主，其检测误差约为0.3mm[8]。但是，传统桥梁变形检测方法虽然可以满足绝大多数桥梁检测精度要求，但其检测效率和自动化程度较低。为了完成检测任务，往往需要耗费大量的人力、物力。如果桥梁变形检测工作时间紧、任务重，则不适合采用传统检测方法；3S 技术、摄影测量技术和雷达干涉测量技术有效弥补了传统检测技术的各种弊端问题，大大减少了外业工作量，尤其在自动化程度、检测范围等方面实现了大幅提升。然而，在测量精度方面，却与传统大地测量技术相差甚远。但是，这并不能否定这些新型桥梁变形检测技术存在巨大的发展潜力。比如随着摄影测量与遥感技术的不断向前发展，在大型桥梁变形检测中的应用价值越来越高，检测精度也愈加可靠。现阶段，GPS 和测量机器人检测技术可以说是当前桥梁变形检测领域内使用率最高的两种方法。测量机器人在保留传统大地测量优势的同时，又实现了全自动化检测，整个操作过程方便灵活，效率极高，而且其实测精度达到0.8mm+1ppm。对于机器人检测技术而言，无法长时间地面通视，视距不宜过长属于其技术瓶颈问题。GPS 测量技术在检测精度、灵敏度、可靠性以及硬软件兼容性等方面都实现了不同程度的发展。在桥梁变形检测精度上，不论是静态检测、动态检测还是垂直检测，其精度值都较以往实现了大幅提升。而且GPS 检测不会受到地面通视时长和距离上的限制，适合完成周期性、连续性、全天候检测任务。如果测量机器人的跟踪测量速度无法满足桥梁振动模态测量要求，则可以考虑采用GPS 技术，或者将两种方法结合起来，针对桥梁结构变形情况进行实时动态测量，便可以最大限度地提升桥梁变形检测精度和检测效率。三维激光扫描技术突破了传统检测技术只能获取局部检测数据这一局限性，在短时间内快速获取桥梁结构海量云数据。与传统全站仪检测相比，三维激光扫描技术虽然在测量精度方面还待于提升，但不妨碍其拥有广阔的发展前景。

4 桥梁变形检测技术发展趋势

首先，传统检测技术将呈现出更高的自动化应用水平，而新技术将朝着更加精准性、经济性方向发展。比如测量机器人检测技术在保留全站仪技术优势的基础之上，具备更高的自动化程度；而IBIS-S 遥测系统在传承干涉雷达检测技术优势的基础上，实现更高精度的检测，并且检测成本较以往有所下降，以此来满足更多的桥梁变形检测需求。

其次，将与多学科、多领域之间相互融合。任何一项新技术的成熟与完善，甚至完全取代其他技术，都不能依靠自身单一的发展，而是需要与更多的技术领域相结合，实现资源整合与优势互补。因此，在桥梁变形检测技术的未来发展中，应积极探索各种新型桥梁变形检测技术与地理信息系统、数据库管理系统等多个学科之间的相互融合。届时，将实现真正意义上的连续性、高精度、自动化检测。

最后，随着科学技术水平的整体提升，在数据传输与控制主面，将朝着远程化、智能化的方向迈进。尤其伴随着微电子技术、计算机技术、互联网技术的整体发展，必将为桥梁变形检测数据传输与控制智能化提供了更多种可能，这也是未来桥梁安全管理的发展方向。

5 结语

在当前的桥梁变形检测领域内，虽然拥有众多检测方法可供选择。但是，每一种方法又存在一定的弊端和创新研究空间。因此，在实际的桥梁变形检测过程中，需要技术人员结合检测需求、环境因素等实际情况，在几种检测技术中做出合理选择、科学搭配。与此同时，科研人员还需要持续不断地开展技术创新，尽快弥补新型检测技术的问题与不足，推动其技术应用水平的大幅度提升。