市政橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法

摘 要： 由于現(xiàn)有的橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法易受到路面干擾導(dǎo)致檢測的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此本文提出市政橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法。對市政橋梁支架預(yù)壓沉降量方法進(jìn)行設(shè)計，其中包括收集沉降圖像、對沉降類型進(jìn)行檢測分析、對沉降量進(jìn)行計算。為驗證市政府橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法是否準(zhǔn)確，本文對此進(jìn)行對比試驗，將市政橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法與傳統(tǒng)方法、模擬算法進(jìn)行對比，結(jié)果表明市政橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法更準(zhǔn)確，可以推廣使用。

關(guān)鍵詞：橋梁支架；預(yù)壓沉降量；檢測方法；市政橋梁

中圖分類號：U 443" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中國水上制造業(yè)非常發(fā)達(dá)，而橋梁已成為連接跨水道路的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)住房和農(nóng)村建設(shè)部的最新統(tǒng)計，僅江蘇、浙江和上海3個城市就有515座橋梁。以西安市為代表的規(guī)模項目基礎(chǔ)以軟土居多，因此，在這種形式基礎(chǔ)上建設(shè)的路面和橋梁開通運(yùn)行時會出現(xiàn)鹿橋連接處的差異下沉，從而導(dǎo)致橋梁下沉，汽車通過時出現(xiàn)碰撞情況，這將影響行駛順暢度，嚴(yán)重時甚至可能威脅行人安全[1]。

本項目擬利用車載探測技術(shù)，在高速采集橋梁坡度及縱斷面圖像的基礎(chǔ)上，生成道路縱斷面，并與連續(xù)圖像相結(jié)合，對線路上橋梁進(jìn)行定位。在此基礎(chǔ)上，提出了一種用于城市橋梁支架沉降監(jiān)測的新方法，進(jìn)行多組試驗與數(shù)值分析，并與人工測量結(jié)果進(jìn)行對比驗證。表面平整度測量是橋梁支架沉降監(jiān)測中一項重要而有效的手段。但是，目前橋梁支架沉降監(jiān)測裝置的適應(yīng)性弱，在該領(lǐng)域仍存在一些技術(shù)故障。因此新的研究方法是通過車輛和人體研究間接量化橋頭嵌入，從而準(zhǔn)確檢測沉降。

1 現(xiàn)有橋梁沉降監(jiān)測方法的探討與分析

目前，我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，其沉降監(jiān)測技術(shù)也有了較大突破。橋梁的變形監(jiān)測是橋梁工程中的一項重要內(nèi)容。橋墩是橋梁與地基之間的關(guān)鍵構(gòu)件，其豎向及橫向變形對整個橋梁的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用。對橋梁進(jìn)行沉降監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)橋梁的缺陷，為橋梁建設(shè)與使用期間的安全性評價奠定基礎(chǔ)。本文主要對目前橋梁工程中常見的檢測方法（三角高程測量、水準(zhǔn)測量、GPS、激光測距法和干涉測量法等）進(jìn)行簡要介紹。這些技術(shù)可以對橋梁進(jìn)行沉降檢測，保障橋梁的安全。

1.1 三角高程測量

以圖1為例，假設(shè)A點(diǎn)和B點(diǎn)是兩個距離較近（通常不大于300m）但高度不同的地面點(diǎn)。設(shè)置全站儀高度為i，而反射棱鏡高度為1。將全站儀放置在A點(diǎn)，并將反射棱鏡放在B點(diǎn)上。通過測量垂直角α和斜距S進(jìn)行檢測。

從上述測量中可以得到A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的相對高差hAB，如公式（1）所示。

hAB=S·sinλ+i-1 " " （1）

針對橋梁沉降變化的具體監(jiān)測方法是通過對A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的高差變化進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)，再計算橋梁的沉降量?h。

全站儀已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在測量領(lǐng)域使用全站儀可以提高精度和便利性，但在每次使用全站儀的過程中，安置點(diǎn)仍然需要安置在已知高程的位置上，另外測量儀器的高度差加上棱鏡的高度差，會給測量造成誤差。因此為了消除誤差影響，使用一種新型的全站儀測量方法，如圖2所示，設(shè)置全站儀為A點(diǎn)，以已知高程點(diǎn)為后視點(diǎn)，標(biāo)記為B點(diǎn)，以須測量的高程點(diǎn)為前視點(diǎn)，標(biāo)記為C點(diǎn)，使用三角高程測量，得到待測點(diǎn)C的高程HC。這種方法有助于減少誤差來源，提高測量效率。

通過利用已知高程點(diǎn)HB，可以準(zhǔn)確測量出A點(diǎn)的高程值。如公式（2）所示。

HA=HB-S后·sin?-k+1 " "（2）

假設(shè)前后兩個棱鏡的高度相同（假設(shè)為1），并且儀器的高度保持不變，那么可以求解C點(diǎn)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）

這種方法使全站儀可以放置在任意位置，并減少了誤差來源。雖然這種測量縮小了測量結(jié)果的誤差，但是都不能解決全站儀使用過程容易受到外界因素影響的問題。在惡劣環(huán)境下，測量圖像可能有陰影或模糊現(xiàn)象，導(dǎo)致測量效果不佳。因此，這些方法無法滿足長期實(shí)時監(jiān)測橋梁沉降的需求。

1.2 激光測距法

激光測距儀具有操作簡便、測距精度高、可進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，在航天、科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著激光測距技術(shù)的發(fā)展，其性能價格比也逐步提高，已逐步應(yīng)用于軌道交通等地面測繪與工程測繪。脈沖式激光測距技術(shù)是連續(xù)將脈沖光信號發(fā)送到被測物體上，再對被測物體的運(yùn)動軌跡進(jìn)行測量，從而得到與被測物體之間的距離。

通過計數(shù)，可以獲得飛行時間t，而計數(shù)器通過對從發(fā)送到接收信號的時間段進(jìn)行計數(shù)，來獲得實(shí)際的飛行時間。假設(shè)一個周期時間內(nèi)，鐘脈沖的周期為T，能夠計數(shù)的實(shí)際脈沖個數(shù)為n，運(yùn)用觀察定理，被測距離S可以由公式（4）計算得出。

（4）

脈沖式激光測距儀是一種新型的測距裝置，它具有測距范圍廣、使用方便、快速等優(yōu)點(diǎn)。但是，脈沖式激光測距儀經(jīng)常會受到電路限制，從而影響測量速度，測距也比較短，實(shí)際測量精確度較差。此外，激光測距儀的價格昂貴且存在一定程度的能量損耗，這些因素在某種程度上限制了其在橋梁沉降監(jiān)測方面的應(yīng)用發(fā)展。

2 市政橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法

2.1 收集沉降圖像

本文為了避免傳統(tǒng)有刻度線量筒對檢測的影響，采用平底玻璃試管和矩形玻璃容器作為代替，以此保證測量橋梁支架沉降比精準(zhǔn)度。為了保證識別結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文使用的平底玻璃試管和矩形玻璃容器均無刻度標(biāo)識，在容器旁增設(shè)標(biāo)尺。沉降率的圖像是用手機(jī)的后置攝像頭拍下來的，拍攝設(shè)備則是在攝影棚里，以上形式獲得的污泥沉降率像素和圖像原始像素均為3024px×3024px，原始圖像可縮至756px×756px，以便迅速獲得檢測結(jié)果，減少計算開銷。為驗證該方法的準(zhǔn)確性，本項目擬將包括刻度的部分用刀具從原始圖像中剪去，并將有刻度的圖像與原始圖像進(jìn)行比對，從而判斷無刻度圖像的準(zhǔn)確性[2]。

采用該方法獲得的所有圖像都是RGB色彩的，利用圖像處理算法對其進(jìn)行灰度化處理，利用加權(quán)平均法來保證圖像的灰度化平衡，從而達(dá)到均衡圖像灰度值的目的，將3個分量進(jìn)行加權(quán)計算，保證其加權(quán)平均值作為灰度值，從而完成圖像收集。

2.2 檢測沉降類型

該方法采用“化線為點(diǎn)”的原理，主要研究試驗段均勻選點(diǎn)前后的縱坡差數(shù)值，以超過縱坡差的點(diǎn)占采集點(diǎn)總數(shù)的比例，觀察城市橋梁支座的沉降狀態(tài)。橋梁支架沉降主要是由于公路與橋梁交叉部位的差異沉降所致，因此按其線形特點(diǎn)，可將其劃分為漸變型、折線型和曲線型3種。橋梁沉降示意圖如圖3所示。

交錯沉降是指道路與橋梁間的差異沉降或道路物質(zhì)部分形成導(dǎo)致在道路與橋梁的連接處形成“階梯”狀態(tài)的沉降。線路斷裂沉降常發(fā)生在有引橋板的道路和橋梁的過渡段，表現(xiàn)為縱坡變化相對均勻。埋置在橋頭后的道路縱斷面線呈現(xiàn)彎曲特征，這種埋置在橋頭上的情況稱為彎曲沉積物[3]。

在以上3種類型的橋梁沉降中，非誤差臺型橋梁的沉降表現(xiàn)為部分凸起，而此類橋梁支架縱斷面高程有明顯的差異，標(biāo)準(zhǔn)的橋梁支架沉降研究部分中已經(jīng)對其測量與分析進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢測。但折線型和曲線型橋梁的沉降存在漸變性和區(qū)段特性，已經(jīng)不再應(yīng)用于橋梁支架預(yù)壓沉降的研究中，因此將這2類非誤差臺型橋梁沉降作為主要研究范圍和熱點(diǎn)。

3種類型的無級橋頭埋置具有不同的道路平整特性，因此提出了一種基于道路縱斷面線的橋頭埋置檢測方法。為了檢測兩種類型嵌入，安裝在車輛上的橋頭嵌入檢測系統(tǒng)應(yīng)采用橫斷面檢測技術(shù)，無臺階安裝，并配備道路圖像檢測設(shè)備。車內(nèi)測量控制系統(tǒng)包括檢測車、慣導(dǎo)系統(tǒng)、熱線掃描相機(jī)、DMI光電編碼器、GPS、工業(yè)自動化控制計算機(jī)和電腦顯示屏等。其中，慣導(dǎo)系統(tǒng)用來收集縱向坡度數(shù)據(jù)，而DMI光電編碼器則用來收集實(shí)際行車車速和距離。綜合起來，構(gòu)成了道路縱剖面曲線統(tǒng)計與獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。線掃描相機(jī)是一種用于道路圖像探測的裝置，它能采集連續(xù)的道路圖像。當(dāng)?shù)缆份喞€與路面圖像的位置相對應(yīng)時，就能在地圖上迅速確定橋梁連接的位置。和上述說法不一樣的是，已有的研究成果包括公路橋梁銜接段拖車高度、路橋過渡段建設(shè)后的效應(yīng)、橋接前后的縱向坡度等。該方法利用橋梁接縫前后縱坡差值這個指標(biāo)來數(shù)據(jù)化計算橋梁的沉降情況 [4]，從而完成沉降類型檢測。

2.3 沉降變形測量點(diǎn)的布置技術(shù)要求

沉降變形測量點(diǎn)可分為以下3種。①基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)對橋梁沉降變形進(jìn)行監(jiān)測時，為了保證穩(wěn)定性，需要在沉降變形區(qū)域以外建立基準(zhǔn)點(diǎn)。這些基準(zhǔn)點(diǎn)可以采用全線的巖石基點(diǎn)、CPI（控制性基準(zhǔn)點(diǎn)）或CPII（受控制基準(zhǔn)點(diǎn)）、二等水準(zhǔn)點(diǎn)和深埋水準(zhǔn)點(diǎn)等。②水準(zhǔn)基點(diǎn)。為滿足橋梁沉降變形監(jiān)測的需求，參考點(diǎn)應(yīng)位于穩(wěn)定性較好的地區(qū)，且在監(jiān)測過程中應(yīng)基本穩(wěn)定。這些參考點(diǎn)可以作為轉(zhuǎn)換的高度和坐標(biāo)，用來確定橋梁的沉降和變形。若水準(zhǔn)基點(diǎn)間距在200 m以內(nèi)，則基本可以滿足豎向變形監(jiān)測的需要。③沉降變形監(jiān)測點(diǎn)。在對沉降和變形有要求的建筑物上設(shè)置沉降變形監(jiān)測點(diǎn)。對施工地點(diǎn)選取來說，要注意能反映地基沉降變形特點(diǎn)的部位，并保證點(diǎn)位設(shè)置穩(wěn)固，便于進(jìn)行檢測。同時，還需要保證點(diǎn)位的外觀美，設(shè)計合理，對沉降變形體的使用及外形無損害。根據(jù)實(shí)際情況，按路基、橋梁等專業(yè)的布置要求，確定沉降變形點(diǎn)位。

考慮人為因素造成的損壞，或者是自然情況的改變，因此在不同的情況下，測點(diǎn)與水準(zhǔn)基點(diǎn)之間可能會有不同的位置變化。為了保證定位準(zhǔn)確可靠，有必要對它們進(jìn)行周期性的穩(wěn)定性檢查。

每個監(jiān)測網(wǎng)必須包括若干個穩(wěn)定參考點(diǎn)。對有區(qū)域沉降的地區(qū)來說，要實(shí)時監(jiān)控水準(zhǔn)基點(diǎn)的沉降變形。若兩次復(fù)測時，觀測到水準(zhǔn)基點(diǎn)變形大于誤差二倍，則應(yīng)檢查檢驗資料。經(jīng)校核后，每一期水準(zhǔn)基點(diǎn)及沉降變形監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測高程應(yīng)予以適當(dāng)修正。

2.4 沉降檢測注意事項

選擇合適的水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺，并進(jìn)行檢驗。市政橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測對精度要求較高，只有高精度的檢測才能準(zhǔn)確反映沉降規(guī)律。因此，當(dāng)進(jìn)行沉降檢測時，須選用符合規(guī)范要求的水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺，應(yīng)由有資格的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，并經(jīng)驗收合格后方可在外業(yè)進(jìn)行沉降變形測試，否則檢測數(shù)據(jù)無法滿足要求。

降低i角對檢測產(chǎn)生的影響：在外業(yè)沉降變形檢測中，角度i是一種重要的誤差源。由于很難保證視軸線和水平軸線的絕對平行，因此即使對其進(jìn)行了檢查修正，也無法完全排除i角誤差。

i角誤差是與視線距離成正比例的，當(dāng)i角度不變時，若同一測站點(diǎn)前、后視距離相同，或同一站點(diǎn)前、后視距離之和相同，則可排除i角誤差對測量精度的影響。但是，要做到前后視距完全相等較為困難。因此當(dāng)野外勘測時，必須嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，使前后視距差和前、后視距的累計差均符合規(guī)定，并盡量縮小這種差異，以減少i角誤差的影響。

2.5 計算邊緣沉降量

首先對經(jīng)過濾波的圖像進(jìn)行邊緣提取，其次用Sobel算子對圖像進(jìn)行卷積，最后提取圖像的邊緣。當(dāng)Sobel算子卷積時，橫向卷積的圖像更好地反映了縱向卷積的圖像，而縱向卷積的圖像更好地反映了橫向的邊界。在進(jìn)一步加工過程中，縱向邊沿更能滿足判斷的需要。

因此，將橫向權(quán)重設(shè)定為一個固定的數(shù)值，豎向權(quán)重是反向的，對卷積后的圖像進(jìn)行邊緣提取。綜合考慮，本文需要采用邊緣檢測法來進(jìn)行檢測[5]。

在圖像處理中，邊緣檢測能識別圖像中的邊界和物體的輪廓。然而，有時不僅需要檢測邊緣，還需要識別圖像中的直線。在這種情況下，可以使用霍夫變換來檢測直線并進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)檢測邊緣沉降量時，需要對大量的圖像進(jìn)行統(tǒng)計分析。具體來說，將從數(shù)百幅圖像中隨機(jī)選擇一幅，并對其作Hough變換，計算垂直線的個數(shù)。若在原圖中加入刻度，則Hough變換后的垂線數(shù)目將多于原圖。相反，如果原始圖像中沒有標(biāo)尺，那么經(jīng)過霍夫變換后垂線的數(shù)量會比原始圖像中的數(shù)量更少。因此，設(shè)置一個固定的閾值，當(dāng)垂線的數(shù)量超過這個閾值時，可以判定原始圖像中包括標(biāo)尺。當(dāng)垂線的數(shù)量低于這個閾值時，判定原始圖像中不包括標(biāo)尺。

在圖像分析中，ROH是從圖像中選擇一幅圖像來進(jìn)行圖像分析的一個重要環(huán)節(jié)。ROH能準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)的位置，縮短搜索的時間，提高搜索的準(zhǔn)確性。本文研究的ROI區(qū)域是貯存污泥混合物的容器。根據(jù)上述結(jié)果可得沉降部分的高度，從而計算邊緣沉降量。

3 對比試驗

3.1 試驗說明

為證明文中所提檢測方法的實(shí)用性，須進(jìn)行對比試驗驗證。將文中方法與傳統(tǒng)測量方法以及模型算法進(jìn)行對比。

3.2 試驗準(zhǔn)備

選擇一條全長約160 m、縱坡變化較大的線形試驗橋，在其起始點(diǎn)、終點(diǎn)處設(shè)明顯標(biāo)志，沿行駛方向每20m標(biāo)出一處測點(diǎn)位置。利用DSZOS型探測器，在車輛行進(jìn)方向上，對相鄰兩個測點(diǎn)逐一進(jìn)行沉降測量，根據(jù)公式（5）計算沉降量的數(shù)值。

（5）

式中：IHM為橋梁支架預(yù)壓沉降量測量的具體數(shù)值；hAB為水平沉降量測量的兩個相鄰測量點(diǎn)之間的高度差；LAB為兩個相鄰測量點(diǎn)之間的距離長度，此處的長度為10m。

使用這個結(jié)果作為兩個測量點(diǎn)之間的已知縱向坡度。收集1m的縱向坡度數(shù)據(jù)，并發(fā)送10m內(nèi)的平均縱向坡度作為自動縱向坡度測量結(jié)果。

在橋梁設(shè)置的多個測量點(diǎn)上分別進(jìn)行3種檢測形式，每一種檢測形式均進(jìn)行多次試驗，最終取平均值，得到的數(shù)據(jù)是基于所用的方法最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更能具體地表現(xiàn)檢測真實(shí)性。

根據(jù)上述試驗計劃、測試內(nèi)容和參數(shù)選取原則，選定陜西省西安市的一百座橋梁。利用車載測量設(shè)備獲取了縱向斜坡信息和連續(xù)路面信息，并利用新建立的計算模式和方法，得到200組SPR的嵌入點(diǎn)信息（上橋和下橋）。另外，還通過手動測試計劃，根據(jù)每個測量數(shù)據(jù)的上下橋距離計算過渡段和橋段間的縱坡一型的絕對誤差，并得出4組自動測量數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表1。

由表1可知，傳統(tǒng)方法和模擬算法計算的橋梁沉降值與實(shí)際情況不符，且相差較大。而利用文中方法測量的橋梁沉降值較為準(zhǔn)確，且與實(shí)際情況相符合，有效檢測了橋梁支架預(yù)壓沉降量。

4 結(jié)語

本文提出的橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測方法方法填補(bǔ)了橋梁支架預(yù)壓沉降量檢測技術(shù)的研究空白，對橋梁支架預(yù)壓沉降量的自動定量檢測技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。經(jīng)過試驗得出，與傳統(tǒng)方法相比，該方法提高了效率，且操作起來更簡便，并且由試驗結(jié)果可以看出，該方法準(zhǔn)確性更高，可以大力推行。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國其他區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)，對所提方法進(jìn)行改進(jìn)，使其具有更廣泛的應(yīng)用前景。本文提出的方法及參數(shù)選取準(zhǔn)則可對地面沉降進(jìn)行精確定量描述。

參考文獻(xiàn)

[1] 李輝，夏飛龍，何玉柱.懸臂澆筑連續(xù)梁設(shè)計研究[J].黑龍江交通科技，2023，46（5）：107-110.

[2] 郭穎偉.基于有限元法的鐵路路基—橋梁過渡段不均勻沉降與加固研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2023（8）：52-54.

[3] 韓峰，孔令超，車立潤，等.煤泥水沉降檢測控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2023（1）：77-78.

[4] 封玲，陳瑩鋒，趙鵬.移動激光掃描技術(shù)在橋頭接坡差異沉降檢測中的應(yīng)用[J].上海公路，2022（4）：66-70，179.

[5] 梁洪永，鄧濤，簡波，等.山區(qū)跨溝橋梁回填地基沉降對滿堂支架穩(wěn)定性影響分析[J].四川建筑，2022，42（1）：71-74.