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非接觸式變焦視覺位移監(jiān)測儀 —— 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

橋梁是公路的重要組成部分，隨著交通運(yùn)輸量大幅度提高，行車密度及車輛載重越來越大，跨河橋梁和高架橋梁在交通工程中的重要性與日俱增，許多運(yùn)營年限長的橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，部分橋梁甚至出現(xiàn)了不同程度的病害，明顯可以發(fā)現(xiàn)橋梁的混凝土開裂、剝落、衰變及鋼筋的銹蝕（管道灌漿不飽滿普遍存在）對橋梁的損害問題非常嚴(yán)重。由于缺乏對橋梁的科學(xué)監(jiān)測與管理，橋梁的裂縫、沉降、水平位移、加速度、傾角、振動、應(yīng)力、索力、荷載等健康狀況信息得不到及時(shí)反饋，國內(nèi)外，因橋梁的突然倒塌與破壞造成人車墜毀的重大事故屢見不鮮，不僅影響了交通還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在這種情況下，人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命才逐漸關(guān)注起來，尤其是隨著橋梁分析理論、施工技術(shù)、材料性能的迅速發(fā)展，橋梁的跨度越來越大，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測就顯得尤為重要。

1.2 當(dāng)前橋梁監(jiān)測的不足

我國當(dāng)前的橋梁健康監(jiān)測還是以傳統(tǒng)的人工檢測為主，許多橋梁管理由于監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不完備、技術(shù)落后，而且監(jiān)測項(xiàng)目繁多，水平位移、沉降、撓度、振動加速度、傾斜等都得考慮，同時(shí)由于專業(yè)檢測人員缺乏，檢測費(fèi)用巨大，甚至有些地方處于無檢測監(jiān)控狀態(tài)，有些雖有人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場進(jìn)行測量，但受天氣、人工、現(xiàn)場條件等諸多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差，這些都影響著橋梁的安全生產(chǎn)和安全管理水平。

雖然有些橋梁已經(jīng)用上了自動化監(jiān)測傳感技術(shù)，但仍然存在施工布線工程量大、系統(tǒng)復(fù)雜、整體監(jiān)測成本高等問題。

二、基于變焦視覺位移技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50982-2014）

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（ JTG D60-2015）

《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T1037-2016）

《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范[附條文說明]》CJJ/T 233-2015

《城市橋梁檢測和養(yǎng)護(hù)維修管理辦法》2004年

2.2 主要監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計(jì)

橋梁主要監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

①結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測：對橋梁結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行監(jiān)測，包括橋跨結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、動態(tài)撓度、振動等。通過使用變焦視覺位移監(jiān)測儀，可以精確地測量橋梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)，從而判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。

②沉降和水平位移監(jiān)測：采用非接觸變焦視覺位移監(jiān)測儀進(jìn)行沉降和水平位移監(jiān)測。通過對墩臺的沉降和位移情況的監(jiān)測，可以了解橋梁的整體穩(wěn)定性和安全性。

③裂縫監(jiān)測：對橋梁的關(guān)鍵受力部位進(jìn)行裂縫監(jiān)測，可以采用變焦視覺位移監(jiān)測儀在裂縫兩側(cè)貼裝靶標(biāo)的方式進(jìn)行測量?？梢约皶r(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展情況，為橋梁的維修和加固提供依據(jù)。

④振動監(jiān)測：采用非接觸式的變焦視覺位移監(jiān)測儀對橋梁進(jìn)行振動監(jiān)測，可以了解橋梁的動力特性和振動情況。通過監(jiān)測和分析振動的頻率、振幅、加速度等參數(shù)，可以判斷橋梁的安全性和穩(wěn)定性。

⑤伸縮縫監(jiān)測：對橋梁的伸縮縫進(jìn)行監(jiān)測，檢查是否存在破損、結(jié)構(gòu)脫落等問題，并及時(shí)進(jìn)行處理，確保伸縮縫的正常工作，可通過變焦視覺位移監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測。

⑥索力監(jiān)測：對于有索橋梁，如拱橋、斜拉橋、懸索橋等，索力的監(jiān)測是健康監(jiān)測的一個(gè)重要內(nèi)容。索的老化、疲勞以及受力變化會直接影響到結(jié)構(gòu)的受力與安全，因此需要對索力進(jìn)行監(jiān)測，可以通過變焦視覺位移監(jiān)測其振動頻率換算索力變化。

⑦環(huán)境因素監(jiān)測：對影響橋梁安全性的環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測，如溫度、濕度、風(fēng)雨雪等天氣條件以及河流的水位、水質(zhì)等?？刹捎米兘挂曈X位移監(jiān)測儀接入環(huán)境監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)，無需另外拉線布線及增加網(wǎng)關(guān)采集器。通過對環(huán)境因素的監(jiān)測和分析，可以為橋梁的安全性和穩(wěn)定性提供更加全面的數(shù)據(jù)支持。

⑧視頻監(jiān)測：遠(yuǎn)程查看每個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)和曲線，數(shù)據(jù)超限時(shí)可聯(lián)動現(xiàn)場聲光預(yù)警和后端平臺彈窗、短信通知以及圖片抓拍預(yù)警。還可遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻畫面、下載歷史視頻，避免現(xiàn)場測點(diǎn)誤觸，導(dǎo)致上限預(yù)警。

綜上所述，以上是對橋梁主要監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計(jì)的簡要介紹，其均可通過變焦視覺位移監(jiān)測儀直接或間接完成測量。通過全天24小時(shí)對橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的監(jiān)測和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理問題，保障橋梁的安全和穩(wěn)定性。同時(shí)可以為橋梁的維護(hù)和加固提供數(shù)據(jù)支持，延長橋梁的使用壽命。

傳統(tǒng)是用水準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備人工監(jiān)測，其精度一般是1mm，監(jiān)測精度較低，但是自動化設(shè)備——變焦視覺位移監(jiān)測儀能輕松達(dá)到0.1mm精度，甚至0.01mm精度，讓結(jié)構(gòu)更安全。并且具有非接觸式的優(yōu)點(diǎn)，測點(diǎn)只需要安裝靶標(biāo)即可，無需拉線布線安裝傳感器，節(jié)省勞動力、成本。還可直接噴涂靶標(biāo)在結(jié)構(gòu)上，適用于一些危橋或鐵路橋等不方便安裝靶標(biāo)的場景使用。

而且其實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測最主要是位移監(jiān)測，應(yīng)力監(jiān)測為輔，位移測量具有“測得準(zhǔn)”、“分析得了”的優(yōu)點(diǎn)，比應(yīng)力測量更能直觀反映橋梁健康狀態(tài)。而位移測量包括“靜位移”和“動撓度”測量，“靜位移”反映橋梁的總體變量，“動撓度”不僅反映橋梁的變形趨勢，還可以直接反映橋梁的損傷程度。橋梁裂縫會減小梁體的有效截面高度，致使橋梁撓度增加，而撓度又會加速裂縫發(fā)展。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其系統(tǒng)由編碼靶標(biāo)、變焦視覺位移監(jiān)測儀、安銳云及多設(shè)備終端組成。靶標(biāo)自帶編碼信息，無需用戶標(biāo)定設(shè)置及調(diào)試，變焦視覺位移監(jiān)測儀智能識別唯一靶標(biāo)編號和對應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺，用戶即可在終端獲取位移信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移的非接觸式測量。

四、測點(diǎn)設(shè)計(jì)布設(shè)

4.1 橋墩水平位移+豎向位移（沉降）監(jiān)測

在橋梁兩端墩臺處穩(wěn)固混凝土堅(jiān)硬地面，若沒有混凝土地面，需先制作邊長為600mm立方體混凝土基礎(chǔ)，且視野開闊的地方安裝變焦視覺位移監(jiān)測儀，在墩臺測點(diǎn)處安裝好靶標(biāo)，插上電源，手動框選靶標(biāo)或監(jiān)測儀智能識別視野范圍內(nèi)的靶標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)橋墩水平位移+豎向位移（沉降）監(jiān)測，測點(diǎn)只需要安裝靶標(biāo)即可，無需拉線布線安裝傳感器，節(jié)省勞動力、成本，方便快捷，巡回掃描監(jiān)測。若需對某測點(diǎn)高頻采集，則其他測點(diǎn)巡回掃描會暫時(shí)停止。通過編碼靶標(biāo)對墩臺的沉降和位移情況的監(jiān)測，可以了解橋梁的整體穩(wěn)定性和安全性。

4.2 橋梁動態(tài)撓度監(jiān)測

（1）一般選擇在橋兩端墩臺處穩(wěn)固（無穩(wěn)定地面需澆筑砼基礎(chǔ)）且視野開闊的地方安裝變焦視覺位移監(jiān)測儀，盡量能看到各段橋梁，然后在測點(diǎn)處安裝靶標(biāo)，靶標(biāo)應(yīng)盡量正對監(jiān)測儀且靶標(biāo)相互無遮擋，無需現(xiàn)場人工調(diào)試，插電即可實(shí)現(xiàn)橋梁各部分的撓度自動化監(jiān)測，機(jī)器自動可識別變焦視野范圍內(nèi)的所有靶標(biāo)，這種“長條形”監(jiān)測實(shí)測靶標(biāo)測點(diǎn)可達(dá)1000個(gè)，理論還可增加靶標(biāo)測點(diǎn)數(shù)量，監(jiān)測長度可達(dá)400米，平均單測點(diǎn)成本非常低。而且還可設(shè)定某監(jiān)測點(diǎn)的高頻采集，但其他測點(diǎn)巡回掃描會暫時(shí)停止，高頻采集結(jié)束才繼續(xù)巡回掃描監(jiān)測。

（2）若只需要對某跨橋監(jiān)測或墩臺與實(shí)際測點(diǎn)不通視的場景進(jìn)行動態(tài)撓度進(jìn)行監(jiān)測。這些情況一般會安裝在橋底（如圖），監(jiān)測儀安裝位置一般會選擇穩(wěn)固的橋墩，測點(diǎn)處安裝靶標(biāo)；

也可選擇監(jiān)測儀安裝在通視岸邊穩(wěn)固（無穩(wěn)定地面需澆筑砼基礎(chǔ)）的位置（如圖），測點(diǎn)安裝靶標(biāo)。插電即可實(shí)現(xiàn)橋梁該區(qū)域的撓度自動化監(jiān)測（或高頻采集），無需人工手動相機(jī)調(diào)焦，安全穩(wěn)定。若斷面測點(diǎn)較少，可選擇定焦版進(jìn)行監(jiān)測，節(jié)省成本。

4.3 索塔傾斜監(jiān)測

（1）垂直于橋梁方向斷面的索塔傾斜監(jiān)測，一般選擇在橋兩端墩臺處穩(wěn)固（無穩(wěn)定地面需澆筑砼基礎(chǔ)）且視野開闊的地方安裝變焦視覺位移監(jiān)測儀，可以清晰地看到各索塔，插電即可實(shí)現(xiàn)索塔的傾斜、振動自動化監(jiān)測。

（2）平行于橋梁方向斷面的索塔傾斜監(jiān)測，監(jiān)測儀安裝在通視的岸邊穩(wěn)固（無穩(wěn)定地面需澆筑砼基礎(chǔ)）的位置（如圖），正對著橋梁，索塔上安裝測點(diǎn)靶標(biāo)，插電即可實(shí)現(xiàn)橋梁該區(qū)域的撓度自動化監(jiān)測（或高頻采集）。

4.4 裂縫監(jiān)測

裂縫監(jiān)測一般需要正對著裂縫，而且需要在裂縫兩側(cè)均安裝靶標(biāo)。這里列舉兩種常見的裂縫位置監(jiān)測場景

（1）橋墩裂縫監(jiān)測，監(jiān)測儀安裝位置一般會選擇另一個(gè)穩(wěn)固的橋墩，測點(diǎn)安裝在橋墩出現(xiàn)裂縫的兩側(cè)，插電即可實(shí)現(xiàn)橋墩的裂縫監(jiān)測。

（2）橋跨側(cè)面的裂縫監(jiān)測，可選擇將監(jiān)測儀安裝在通視的岸邊穩(wěn)固（無穩(wěn)定地面需澆筑砼基礎(chǔ)）的位置（如圖），在裂縫兩側(cè)安裝靶標(biāo)。插電即可實(shí)現(xiàn)橋梁該區(qū)域的裂縫自動化監(jiān)測，無需人工手動相機(jī)調(diào)焦。

4.5 斜拉索索力及振動監(jiān)測

一般將監(jiān)測儀安裝在通視的岸邊穩(wěn)固（無穩(wěn)定地面需澆筑砼基礎(chǔ)）的位置（如圖），正對著橋梁斜拉索，選擇較小尺寸的靶標(biāo)安裝在斜拉索上（需安裝穩(wěn)固，避免風(fēng)吹動靶標(biāo)影響檢測數(shù)據(jù)），插電即可實(shí)現(xiàn)斜拉索振動頻率自動化監(jiān)測（或高頻采集），通過振動頻率換算索力變化，即可同時(shí)進(jìn)行索力自動化監(jiān)測。

4.6 靶標(biāo)的形式

靶標(biāo)的形式多種多樣，一般分為三種，一體式靶標(biāo)、單片式靶標(biāo)和噴涂式靶標(biāo)。一體式靶標(biāo)適用于所有監(jiān)測項(xiàng)的場景，安裝搭配有萬向軸，靶標(biāo)朝向可以往任意方向轉(zhuǎn)動。單片式靶標(biāo)是單片定制的鋁合金，一般用于監(jiān)測儀正對的結(jié)構(gòu)物，或僅傾斜一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)物，直接螺絲安裝或膠水粘貼在結(jié)構(gòu)物上，其方向由結(jié)構(gòu)物的平面決定，無法調(diào)整方向機(jī)轉(zhuǎn)動，成本較低。直接在結(jié)構(gòu)面上噴涂即可，方便快捷。適用于一些危橋或鐵路橋等不方便安裝靶標(biāo)的場景使用。