基于桥梁健康检测之沉降装置设计研究.pdf

作者简介牛向东（），男，高级工程师，主要研究方向：农村公路的规划、建设、养护和管理。基于桥梁健康检测之沉降装置设计研究牛向东（东营市河口区交通运输局东营）摘要：桥梁建成投入使用中受地基承载力变化、行车荷载、地震等外部因素的影响，轻则出现超允许数值范围的不均匀沉降现象导致桥梁变形，造成桥梁无法正常使用；严重时会诱发交通事故，带来安全隐患的同时也对经济建设产生影响。为确保公路安全畅通，对投入使用的桥梁要定期进行健康检测，尤其是在地震后有可能带来的地质变化造成的桥梁变形也要及时进行健康检测。其中，沉降量检测是桥梁健康检测的重要指标之一，其检测数据将作为对桥梁服役期间的服务性能进行合理评估的重要技术指标。长期以来，公路科研人员提出了各具特色的检测研究方向，以及有效、快速的成功检测与定量评价方法与技术，对合理使用资金与资源，实施桥梁最佳替换方案和养护策略，以及对于预测桥梁超限损坏和安全使用具有很好的实践意义，也为桥梁管理提供了可靠的理论依据，保障了投资效益最大化。年在河口区县道北外环西延公路上的一座型梁桥 草桥沟老桥上采用一种既经济实用又快速、精准的检测技术装置进行了沉降量检测，实现了安全、快速、充分、全面的桥梁沉降量检测，对于确保桥梁安全畅通，及时提供了第一手资料。现就这种道路桥梁沉降勘测装置技术进行了详细介绍，期望为类似工程提供有益的参考。关键词：桥梁；健康；沉降量；检测 （，）：，第期青海交通科技 ，：；引言交通运输事业的飞速发展，为公路桥梁的建设提供了良好的发展机遇，我国依靠自己的技术力量，建成了结构形式不同、跨径大小不同的各种桥梁，取得了成功经验。截至年，我国公路桥梁数量达到 万座 万延米，其中，特大桥梁座，这些桥梁在运营过程中能否安全使用成为了养护工作的重点之一。根据“改革攻坚、养护转型、管理升级、服务提质”的养护指导思想，实现公路养护管理安全畅通的公路网络和公众满意的服务体系及高效可靠的保障体系目标要求，对于这些桥梁，必须通过定期的健康检测，通过采集相应数据，用数学方法对数据进行处理、分析，得到结构服务信息，实现对结构的评估，鉴定其是否符合国家标准和设计要求，对于车辆能否安全通行以及完善设计理论、积累优化施工、养护经验具有十分重要的意义。现有的桥梁沉降检测大都采用人工进入到桥墩下，通过拍摄、测量等方法进行检测。采用人工进入到桥墩所在部位检测既存在一定的安全隐患，又存在无法多角度、全方位检测和检测不够充分、不够到位等问题。而桥梁沉降装置能很好地克服人工检测的缺陷，实现安全、充分、全面的桥梁沉降量检测。桥梁沉降检测技术装置的特点 技术原理桥梁健康检测之沉降勘测技术装置，其检测系统所涉及的数据采集和传输系统主要包括设置于基准面处的基准储液罐，设置于沉降面处的检测容器、基准储液罐和检测容器内的液体以及连接基准储液罐和检测容器的连通管；检测容器上方设有的敏感装置和测量装置。其中，敏感装置包括相互配合的隔板、浮球和包含纯机械测量核心的计量尺；相互配合的摄像头、图像识别电路板和电缆组成的测量装置。同时，设置外罩用来屏蔽外部光源和设有自带光源补光灯以形成良好的图像采集环境。为确保基准储液罐和检测容器不受侵腐，其内的液体为防冻液，传感器外壳的组成部件采用不锈钢制作保证设备坚固耐用。用于连接基准储液罐和检测容器的连通管采用带保护套的软管。检测容器的底座用螺栓固定在沉降面上，基准面储液罐的耐腐蚀底座也用螺栓固定在基准面上。另外，隔板下面的圆筒安装在底座上，其内部充满防冻液，浮球部分漂浮在液体中，为使计量尺能够直接反映液面的变化，计量尺固定在浮球上使其成为一体；圆筒上设有隔板供计量尺穿过；计量尺、圆筒、底座、浮球、液体组成机械式敏感装置，摄像头固定安装于隔板上方与计量尺相对，以使指示刻度可以清晰成像青海交通科技 第期并被图像识别电路板所识别，图像识别电路板分析计量尺的图像，获得摄像头所在位置计量尺的读数，隔板上方固定安装避光罩以免外界光源影响清晰成像。摄像头、图像识别电路板和避光罩组成光学电子式测量装置，图像识别电路板上有电缆引出测量装置，外部电子装置通过电缆为测量装置提供电能和信息，将测量结果导出、传送到智能系统。所述隔板为圆板，其中心开一小孔供计量尺穿出，隔板固定于圆筒上。技术安全可行性在年月上旬对草桥沟老桥的沉降量检测中，充分体现了这种桥梁沉降勘测技术装置的设计合理性和实用性，它能够把机械式测量方法和电子式数据采集处理以及人工智能方法结合起来，同时满足土木工程监测领域的精度高、抖动小、寿命长、抗干扰能力强和实时在线监测的要求。智能系统见图。图智能系统 设置科学性该技术装置将检测容器的底座用螺栓固定在沉降面上，基准面储液罐底座用螺栓固定在基准面上，沉降面检测容器和基准面储液罐之间由软管连通，隔板下面充满液体的圆筒安装固定在底座上，浮球漂浮在液体中，计量尺固定在浮球上使其成为一体，实现计量尺能够直接反映液面的变化。同时，圆筒上固定隔板并设有中心开一小孔的圆板使计量尺穿过。计量尺、圆筒、底座、浮球、液体组成机械式敏感装置，固定安装在隔板上的摄像头上方与计量尺相对，使指示刻度可以清晰成像并被图像识别电路板所识别，图像识别电路板分析计量尺的图像，获得摄像头所在位置计量尺的读数，为清晰成像的效果，隔板上方固定安装免受外界光源影响的圆形罩和补光灯、图像识别电路板和避光圆形罩组成光学电子式测量装置，图像识别电路板上经电缆引出测量装置，外部电子装置通过电缆提供电能和通信，及时将测量结果导出、传送到系统，为提供科学决策提供数字支撑。装置结构由储液罐底座、检测容器底座、软管、隔板、浮球、计量尺、摄像头、电路板、电缆、液体、螺栓、圆筒、避光圆形罩组成，见图。图装置结构图 第期青海交通科技 设备安全可靠性为更好地保证装置的稳定性，基准储液罐耐腐蚀底座采用螺栓方式固定在基准面上、检测容器的底座用螺栓固定在沉降面上。通过带有屏蔽外部光线的外罩和自带光源的补光灯摄像头形成良好的图像采集环境。根据防冻液“防冻、保温、不腐蚀”的特性，基准储液罐和检测容器内的液体采用值为中性的防冻液。储液罐选用具有抗腐蚀和高强度不锈钢制作，能更好地保护储液罐。补光灯摄像头生产企业的制造技术经过几十年的不断研究、探索，其技术完善，能随着技术的进步提供升级技术支撑。通过近两年对草桥沟老桥的实施，其安全可靠性得到了验证。桥梁沉降检测装置的技术优点 快速、稳定、精度高 通过计量尺指示浮球敏感检测容器的液面位置，由摄像头采集计量尺的图像变化，其变化量可以获得沉降面和基准面之间的高程变化，进而得到桥梁的沉降量。此技术可实现快速、稳定、高准确率地将桥梁沉降检测数值第一时间通过系统传输至控制系统，及时对数据进行处理、分析，对桥梁的沉降程度做出科学的研判以及制定采取的措施，保证桥梁使用过程中的安全。为保证检测数据的连续性，检测点应考虑其相对代表性和固定性，检测点位置见图。图检测点位置图 数据的可靠性桥梁健康检测需根据该桥梁的结构特点，选择影响桥梁结构的必变形控制点、应力集中点的位置以及动力影响点等，主要是监测桥梁在垂直方向上的变形。草桥沟老桥位于北外环公路 处草桥沟河上，桥跨组合 ，上部结构为“”形梁结构，下部结构是桩柱式基础，桩基直径，其结构见图。图桥梁结构图 在草桥沟老桥沉降量检测时，用传统方式 水准仪检测法，采用闭合水准测量和高精度数字水准仪（）进行检测，并按照三等水准要求进行，观测点的精度按照四等要求进行检测；采用该技术装置检测法进行沉降量检测。水准仪检测法在观测前对基准点进行检测，并做出分析判断，保证了观测成果的可靠。该技术装置由于沉降量检测精度只和直尺的计量刻度有关，在检测前直尺计量精度由计量监督部门进行了校核。检测结果具有充分的权威性，光学成像系统、图像识别系统和数据上传接口不会影响测量值。通过这次采取的双重检测数据和对各期成果进行对比分析发现数据青海交通科技 第期没有太大偏差，桥梁桥台、承台比较稳定，未发生沉降。检测数据见表。检测结果的应用检测直尺计量精度是确保数据真实、可靠的关键，实施检测前两天由计量监督部门进行标定，从而有效地保障检测结果具有充分的权威性。桥梁的空间特性和动态变化是沉降变形监测和分析的主要内容，北外环公路上的草桥沟老桥，检测前首先选定桥台、承台特征位置，采取每年每次都在该点重复检测，通过数据研究被监测点的沉降随时间的变化规律，用来评估桥梁结构的安全状况，同时对上次采取的措施和养护方法再次进行评价，寻找一种能够较好反映数据变化规律的函数关系。其次是能将智能交通建设系统中的每一座桥梁的原有数据库进行项目增加，使其涵盖内容进行升级，为以后类似桥梁的设计提供参考。数据库中的沉降检测内容涵盖从计量尺标定到数据采集完成后对数据的分析以及采取的措施。数据采集分析系统见图。表草桥沟老桥沉降量检测（年月）序号时间检测部位检测数据（水准仪）沉降值 检测数据（装置）沉降值 月日桥点点 月日桥点点 月日桥点点 月日桥点点 月日桥点点 月日桥点点 图数据采集分析系统 数据共享随着科学技术的不断发展，数字技术赋能作用将影响数字政府服务创新的进程和效果。桥梁健康检测系统采用电子识别方法和在线特点，能快速地测量数据并将其传输到智能交通建设系统和数字政府大数据库中，经过对数据的专业分析和研判，为相关职能部门人员及时采取对桥梁的维护措施提供数据支撑。结语桥梁沉降检测属于桥梁变形监测的范畴，也涉及桥梁的设计、施工、运行、维护和管理，对于保证公共交通出行安全等具有十分重要的意义。沉降监测本身是很小的形变量，在满足较高的观测精度要求下，仪器的精度要求也更高。虽然在目前的桥梁变形观测中，基本理论已经成熟，但也需要根据不同的实地观测情况，做出具体的检测方案来解决实际应用问题。当然，限于个人能力，在研究桥梁沉降检测方面有很多不足，这种道路桥梁沉降勘测装置技术，主要目的是为广大公路从业者探索出一条桥梁沉降检测的方法，进一步提高桥梁安全通行能力，努力实现既经济实用又快速精准的检测方法，努力实现把桥梁建设好、养护好、运营好、管理好的目标。第期青海交通科技参考文献中华人民共和国交通运输部 年交通运输行业发展统计公报 韩冰，胡娟娟公路管理概论北京：人民交通出版社，王瑞桥梁群桩基础沉降的数值分析公路工程，（）：马丹，陈文，张勇，等基于网络的远程遥控业务及探索联通创新，（）：朱飞飞防冻液的防腐蚀性能分析与研究中国化工贸易，（）：袁焕鑫，陈晓婉，向虎，等弯剪作用下不锈钢薄腹梁承载性能试验研究土木工程学报，（）：曾煜橡胶软管及软管组合件钢丝缠绕增强外覆橡胶液压规范广东橡胶，（），孙东山基于网络的数控系统监控平台技术研究武汉：华中科技大学，吴秋平，邹峰光学成像位移测量方法研究激光杂志，（）：曹世钦，唐朝，陈可基于深度学习和无线传输的桥梁裂缝图像识别系统建材世界，（）：櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺（上接第页）郑波隧道爆破施工粉尘污染的水雾控制技术公路，（）：胡方坤，王帅领，王德明，等基于非定常模拟分析掘进面粉尘运移规律研究中国煤炭，（）：胡方坤，时国庆，张义坤，等基于非稳态模拟研究长压短抽式掘进面粉尘运移规律中国煤炭，（）：，：，（）：杨年华，郭尧，白和强，等利用爆炸水雾抑制露天爆破粉尘的试验研究爆破，（）：魏利露天石料场开挖中深孔梯段水压爆破对粉尘的控制四川水利，（）：时训先，蒋仲安，周姝嫣，等综采工作面粉尘分布规律的实验研究煤炭学报，（）：张静，王晓玲，陈红超，等引水隧洞独头掘进工作面风流和粉尘扩散的模拟水力发电学报，（）：薛永庆敞开式隧洞通风系统布置及除尘效果研究水利水电技术，（）：青海交通科技 第期