程 斌，程 輝

（1. 武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430064；2. 中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)及荷載試驗中，變形是一個極其重要的指標(biāo)。撓度作為變形的一種描述形式，可以評價橋梁質(zhì)量及運營狀態(tài)，反映橋梁的剛度，是橋梁整體變形最明顯的反應(yīng)。尤其是橋梁的動撓度，更是對橋梁剛度最為實時的反應(yīng)，是橋梁在車輛荷載作用下最為真實的反應(yīng)。在車輛荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生比相同靜荷載作用下更大的變形和應(yīng)力。因此，對動撓度進行研究有著重要的科研價值和實用價值［1-2］。

1 工程概況

武漢中法友誼大橋橋址位于武漢市外環(huán)線和三環(huán)線之間，上距蔡甸橋約4.2 km，下距三環(huán)線長豐橋約8 km，北岸為武漢市東西湖區(qū)胡家臺，南岸為武漢市蔡甸區(qū)三官村。大橋起點位于蔡甸區(qū)知音大道與十永線交叉處，止于東西湖區(qū)16 支溝與107 國道交叉處。主橋為主跨190 m雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋（斜拉剛構(gòu)橋），全橋跨度組合為21 m × 30 m 等截面砼連續(xù)小箱梁+ 3 m × 60 m 連續(xù)梁+ （120 m + 190 m + 120 m）PC 斜拉剛構(gòu)橋+ 3 m × 60 m 連續(xù)梁+ 14 m × 30 m 等截面砼連續(xù)小箱梁，武漢中法友誼大橋布置圖見圖1，按一級公路兼城市主干道功能設(shè)計雙向6 車道，主橋及引橋?qū)?3.5 m，接線路基寬50 m，設(shè)計行車速度80 km/h。

圖1 武漢中法友誼大橋布置圖Fig.1 The layout of Wuhan Sino-French Friendship Bridge

2 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的多點動態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)簡介

圖像處理技術(shù)（digital image processing）通常是指用計算機對數(shù)字圖像進行處理，也稱為計算機圖像處理，它是將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行系列操作，從而獲得某種結(jié)果的技術(shù)。常用的圖像處理方法有以下幾種：灰度化、直方圖均衡化、濾波、圖像分割、目標(biāo)表示與描述、特征提取等［3］。

采用數(shù)字圖像相關(guān)算法，對橋梁、建筑物等大型結(jié)構(gòu)上多個目標(biāo)點的位移進行實時監(jiān)控，可方便實現(xiàn)遠距離、多點動態(tài)檢測。數(shù)字攝影測量具有非接觸、遠距離、高精度的特點，為結(jié)構(gòu)位移測量提供了一種比較好的方法［4］。

數(shù)字圖像相關(guān)法是一種基于數(shù)字圖像處理和數(shù)值計算的非接觸、全場變形光學(xué)計量方法。通過變形前后的兩幅圖像來測量物體表面的二維變形。利用這種測量方法可以直接測量橋梁在荷載作用下的位移和變形場，圖像視覺新技術(shù)原理見圖2。為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，大跨徑橋梁的荷載試驗通常在晚上進行［5-7］。

測量前期準(zhǔn)備僅需要十幾分鐘即可，整個測量過程，僅需使用一臺圖像采集器，拍攝變形過程中待測物的圖像，即可通過筆記本電腦實時高速計算出視場范圍內(nèi)所有點的二維動態(tài)變形。全場動態(tài)多點位移測量系統(tǒng)在室內(nèi)室外均可適用，位移測量范圍從0.02 mm 到幾百米，儀器與被測點之間距離為1 ～500 m。原則上來說只要能取得圖像，即可進行位移測量［8］。

圖2 圖像視覺新技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the new technology of image vision

3 對比試驗介紹

為保證試驗的對比性，現(xiàn)場光電撓度儀試驗測試的位置與中法友誼大橋健康監(jiān)測液位撓度測點現(xiàn)場安裝位置一致。本次試驗主要對中法友誼大橋東西湖側(cè)支座位移、1/3 斷面（支座方向為起點）、3/4 斷面（支座方向為起點）以及中跨跨中等4 個點的豎向位移進行對比監(jiān)測，試驗測點布置圖見圖3，每個測點的監(jiān)測時間大約為15 min，測試方案采用實時觀測，主要對重載車輛通過橋梁的撓度變化進行觀測及對比，基準(zhǔn)點選擇在岸邊，基站設(shè)置及設(shè)備見圖4。

試驗時間段主要在夜間，試驗過程中的有效數(shù)據(jù)在17∶00- 20∶00 之間測得，本次試驗主要對光電撓度儀的夜間數(shù)據(jù)進行對比。

圖3 試驗測點布置圖Fig.3 The layout of test points

圖4 基站設(shè)置及設(shè)備圖Fig.4 Settings and equipment of the base station

4 實測工況

4.1 中跨跨中斷面監(jiān)測對比分析

中跨跨中測點距離測站207 m，測量時間為759 s，采樣頻率設(shè)置為1 Hz，采樣參數(shù)見表1。

表1 中跨跨中斷面光電撓度儀參數(shù)表Tab.1 Parameter table of photoelectric deflectometer for mid-span and mid-section

圖5 為中跨跨中光電撓度儀時程曲線圖，圖6 為中跨跨中液位撓度時程曲線圖。由圖5 和圖6 可以看出，光電撓度儀雖然與液位撓度測點采用同一采樣頻率，但采集數(shù)據(jù)時程曲線之間仍然存在一定差別。兩者之間的區(qū)別主要來源于車輛的橫向布置及測點在橋梁的橫向布置位置。

圖5 中跨跨中光電撓度儀時程曲線圖Fig.5 Time history curve of photoelectric deflectometer of mid-span and mid-section

圖6 中跨跨中液位撓度時程曲線圖Fig.6 Time history curve of the liquid level deflection of mid-span and mid-section

中跨跨中斷面撓度監(jiān)測對比結(jié)果見表2。由表2 可以看出，時刻1 ～3 對比結(jié)果最大撓度差值為0.211 mm，相對差值比在4% 以內(nèi)。時刻4 形成差別較大的原因與車輛荷載的橫向布置有關(guān)，包括與橋梁自身的振動有關(guān)。

表2 中跨跨中斷面撓度監(jiān)測對比表Tab.2 Comparison of deflection monitoring of mid-span and mid-section

4.2 邊跨1/3 斷面監(jiān)測對比分析

光電撓度儀光斑與測站之間的距離為207 m，測量時間共1 033 s，采樣頻率設(shè)置為1 Hz，采樣參數(shù)見表3。

表3 邊跨1/3 斷面光電撓度儀參數(shù)表Tab.3 Parameter table of photoelectric deflectometer for side span 1/3 section

圖7 為邊跨1/3 斷面光電撓度儀時程曲線圖，圖8 為邊跨1/3 斷面液位撓度時程曲線圖。由圖7 和圖8 可以看出，邊跨1/3 斷面光電撓度儀與液位撓度測點的數(shù)據(jù)時程曲線之間差別較大，其差別原因仍然與車輛的橫向布置及測點橫向、縱向布置位置相關(guān)。

圖7 邊跨1/3 斷面光電撓度儀時程曲線圖Fig.7 Time history curve of photoelectric deflectometer of side span 1/3 section

圖8 邊跨1/3 斷面液位撓度時程曲線圖Fig.8 Time history curve of the liquid level deflection of side span 1/3 section

光電撓度儀整體數(shù)據(jù)比較平穩(wěn)，無較大的波動，對于車輛荷載作用下的橋梁撓度具有明顯響應(yīng)。選擇時程曲線中t= 400 s 的位置的撓度峰值進行對比，光電撓度儀的撓度峰值為4.025 mm，而對應(yīng)的液位撓度峰值為2 mm，見表4。

表4 邊跨1/3 斷面撓度監(jiān)測對比表Tab.4 Comparison of deflection monitoring of side span 1/3 section

4.3 邊跨3/4 斷面

光電撓度儀光斑與測站之間的距離為207 m，測量時間共1 033 s，采樣頻率設(shè)置為1 Hz。采樣參數(shù)見表5。

表5 邊跨3/4 斷面光電撓度儀參數(shù)表Tab.5 Parameter table of photoelectric deflectometer for side span 3/4 section

邊跨3/4 斷面光電撓度儀時程曲線見圖9，邊跨3/4 斷面液位撓度時程曲線圖如圖10 所示。主要對比t= 420 s位置的撓度數(shù)據(jù)，光電撓度儀監(jiān)測結(jié)果為3.67 mm，液位撓度監(jiān)測結(jié)果為2.93 mm，見表6。

圖9 邊跨3/4 斷面光電撓度儀時程曲線圖Fig.9 Time history curve of photoelectric deflectometer of side span 3/4 section

圖10 邊跨3/4 斷面液位撓度時程曲線圖Fig.10 Time history curve of the liquid level deflection of side span 3/4 section

表6 邊跨3/4 斷面撓度監(jiān)測對比表Tab.6 Comparison of deflection monitoring of side span 3/4 section

4.4 邊跨支座測量

邊跨支座的監(jiān)測參數(shù)見表7。邊跨支座的監(jiān)測目的主要與橋梁支座位移監(jiān)測結(jié)果進行相互驗證。由于實際橋梁支座縱向位移與理論分析結(jié)果相差較大，因此單獨對支座位移進行了監(jiān)測。

表7 邊跨支座斷面光電撓度儀參數(shù)表Tab.7 Parameter table of photoelectric deflectometer for side span support section

光電撓度儀位移監(jiān)測結(jié)果見圖11。從圖11 可見，光電撓度儀監(jiān)測結(jié)果與實際橋梁支座位移監(jiān)測結(jié)果具有高度一致性。

圖11 光電撓度儀位移監(jiān)測結(jié)果圖Fig.11 Displacement monitoring results of photoelectric deflectometer

5 結(jié)論

通過在中法友誼大橋光電撓度儀及橋梁健康監(jiān)測液位撓度對比試驗及分析，可以得出以下結(jié)論：

1）光電撓度儀整體上屬于非接觸測量，調(diào)試方便，儀器使用機動性強，因此其使用場合也較多；

2）光電撓度儀測試精度足夠滿足現(xiàn)階段橋梁撓度監(jiān)測的需要，其量程較大，測試精度高，可滿足不同跨度，包括懸索橋等大撓度橋梁的監(jiān)測，尤其是本光電撓度儀具有多點監(jiān)測的功能，對于橋梁線形監(jiān)測具有一定的優(yōu)勢；

3）光電撓度儀對于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的前期勘查及后期驗證具有很好的作用，由于光電撓度儀具有較高的采樣頻率，其驗證結(jié)果具有一定的指導(dǎo)意義；

4）由于光電撓度儀短期內(nèi)受到溫度影響小，在荷載試驗中，尤其對于塔柱變形監(jiān)測具有獨特的效果；

5）光電撓度儀整體考慮全面，用戶體驗感較強，學(xué)習(xí)及使用容易接受；

6）光電撓度儀對于基站的要求較高，基站移動對于整體測量影響較大，而且光電撓度儀現(xiàn)階段成本較高，不適合進行長期自動化較高的場合使用。