摘要：随着我国科技与经济的发展，国内交通网已经四通八达，道路交通作为我国经济的发展命脉，是我国基础建设必不可少的一项工作。而桥梁作为道路交通的重要枢纽，其建设、发展以及后期的维护也受到越来越多的关注。特别是大型桥梁在长期的使用过程中受到自然因素以及人为因素的影响结构会发生损伤，使人们的财产以及生命安全受到严重的威胁。本文以现役大型桥梁的形变监测为依托，详细分析桥梁的各种形变监测方法，并用实测数据进行分析，从实质上保证桥梁的安全。
关键词：大型桥梁；形变监测；技术
Analysis of deformation monitoring technology for large bridges
Wang Rui
(China Communications Third Public Works Third Engineering Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430000)
Abstract: With the development of science and technology and economy in China, the domestic transportation network has been well-connected. Road traffic, as the lifeline of China's economic development, is an indispensable task in China's infrastructure construction. As an important hub of road traffic, bridges have received more and more attention in their construction, development and maintenance. In particular, large-scale bridges are damaged by natural factors and human factors during long-term use, which makes people's property and life safety seriously threatened. Based on the deformation monitoring of large-scale bridges in active service, this paper analyzes various deformation monitoring methods of bridges in detail and analyzes them with measured data to ensure the safety of the bridge.
Key words: large bridge; deformation; application
1 引言
随着科技的进步与经济发展，越来越多的跨河桥梁和跨山桥梁被建成并且投入使用。随着桥梁长度以及跨度的不断增加，其稳定性以及安全性也受到越来越多人们的关注，毕竟桥梁关系到人们财产与生命的安全。桥梁在长期使用过程中会受到自然因素阳关、风、雨、雪等因素的影响导致桥梁整体结构发生变形，也会受到重型交通工具的挤压而导致桥梁结构发生形变，其本身结构的老化也会使其健康状况发生损害，从而产生形变。因此国内很多专家学者对此展开研究，张宇[1] 分析了北斗和GPS技术在桥梁形变监测中应用，发现北斗/GPS在桥梁形变监测中更加方便，能取得更好的效果；柴勇[2]利用近景摄影测量的方法对桥梁进行形变监测，发现可以高精度获取多点位物理特征、可以保护被测物体、简单方便；欧阳俊峰[3]利用三维激光技术对桥梁进行变形监测研究，发现此方法操作简单，能对桥梁进行整体形变监测，精度可以达到毫米级；戚斌，岳顺，宋亚宏等[4]利用GBInSAR技术对桥梁进行变形监测研究，发现GBInSAR技术可以非接触连续对桥梁进行形变监测，精度可以到0.1mm，能完整监测出桥梁的形变过程；赵一恒，王利东，柳宇刚[5]利用遥感数据与PS-InSAR技术对城市桥梁进行形变分析，发现结合遥感数据与PS-InSAR技术可以提高监测速率与监测范围, 降低了人工的作业的成本；杨国玉[6]分析了三种桥梁变形监测方法。
针对目前桥梁形变监测的现状以及技术方法，本文对变形监测原理以及各种变形监测手段进行详细的分析，最后基于测试数据分析现役大型桥梁的形变情况。
2 变形监测技术在桥梁形变监测中原理
随着测绘技术的不断成熟，越来越多的形变测绘技术可以应用于桥梁变形监测之中，传统的技术有水准测量和全站仪变形监测。目前新兴的桥梁变形监测技术主要有卫星导航测量技术、摄影测量技术、三维激光扫描技术和GBInSAR技术等。接下来对以上部分技术原理以及优缺点进行详细的分析。
2.1水准测量原理
水准测量是高程测量方法中精度最高的测量方法，目前还是被广泛应用于各种高程测量中。水准测量在桥梁变形监测中一般被应用于新建桥梁的加载测试以及现役桥梁通车情况下的变形监测。进行水准测量时需要在测区外稳定的地方布设稳定的基准点，在桥面布设监测点，通过计算分析几期的监测点的高差之差而分析桥梁的形变情况。应用水准测量法进行桥梁变形监测精度高，但是只能监测桥梁竖直向挠度变化情况，不能进行连续连续监测，也不能监测桥梁水平方向的形变情况，监测点之间要通视，受周围环境影响较大，同时测量精度也会受到人为方面的影响。
2.2全站仪测量原理
全站仪测量也是传统的形变监测手段之一，它通过测量出监测点的精确三维坐标，从而获取桥梁的形变情况。利用全站仪进行桥梁形变监测时，也需要在测量区域范围外的稳定地方布设稳定后视点，以便全站仪可以获取高精度的监测点三维坐标。在设置基准点时，最好只设置一个，最为强制归心设备，这样可以减少偏心误差，保证平面基准一致[7]。为了高精度的桥梁形变监测，一般使用无仪器高测量法，先测量出监测点与基准点的高差，输入测站点坐标以及仪器高，设置好已知数据，对监测点进行测量，两次坐标之差即为桥梁位移变化情况。利用此方法进行桥梁形变监测精度高，能测量出桥梁的整体形变、灵活、能满足不同精度的要求。但是也有需要站间通视、受环境影响大、工作量大等缺点。
2.3GNSS形变监测原理
随着GNSS技术的不断发展，越来越多的领域开始应用GNSS技术。特别是我国北斗导航系统的建设，更丰富了全球GNSS的测量模式。GNSS技术主要的应用领域就是桥梁变形监测，GNSS在桥梁变形监测中主要有动态测量和静态测量，在进行GNSS测量时也需要在测区外布设稳定的基准点或者利用最近的CORS跟踪站进行基线解算，然后进行网平差。GNSS静态测量是对监测点位进行静态基线解算，获取每个监测点的三维坐标，通过对比几期的三维坐标值而获取桥梁的形变情况。而GNSS动态测量先静态基线解算出每个监测点的精确三维坐标，然后对每个点进行单历元解算，得到每个历元的三维坐标，通过与静态坐标做差从而获取监测时间段内桥梁的变形情况。GNSS测量技术可以精确获取点的三维坐标，不需要通视，能实现全天候测量，可以分析竖直向以及水平向形变情况。但是GNSS测量技术会受到天气影响较大，部分危险区域的形变无法测量，具有局限性。
2.4GBInSAR测量原理
地基干涉雷达集成了步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术与干涉测量技术。其中步进频率连续波技术提供地基干涉雷达的距离向分辨率，合成孔径雷达技术提供角度分辨率，干涉测量技术则计算监测目标变化的位移量。利用GBInSAR进行大型桥梁变形监测对于监测的危险部位不需要像传统的监测方法一样在监测部位放置监测目标，只需要利用地基InSAR对准监测部位，通过数据采集软件的性噪比和距离指示来判断此时的动态变化曲线是否是监测部位的动态变形过程，对于监测桥梁较安全的部位，可以在监测部位安置角反射器，以增加监测部位的信号反射强度。利用此方法进行桥梁形变监测具有精度高、非接触性测量、可以进行连续测量、不受天气影响的优点。但是不能获取三位坐标，只能监测竖直向挠度变化。
2.5三维激光扫描技术原理
三维激光扫描技术作为近几年兴起的测量技术，目前很多学者已经将其应用于桥梁变形监测分析中。在进行三维激光测量时也需要布设基准点，利用GPS技术或者全站仪测量而得到基准点的坐标值，然后利用三维激光扫描获取变形监测值，为了得到桥梁的形变信息，通常要扫描多站。在进行点云数据处理时要噪声、冗余数据的影响，通过对比不同站扫描坐标值而获取桥梁的变形情况。利用此方法进行桥梁变形监测，可以高效、准确地获取桥梁的形变情况，但是受周围环境影响较大。
2.6近景摄影测量原理
近景摄影测量技术主要是通过专业的可量测摄影机或者非量测摄影机,，对近距离的被摄物体进行拍摄, 通过相关软件进行图像处理,，获得有一定重叠度的立体影像，依据共线方程, 经过误差改正之后得到目标点的物方位实际坐标[2]。通过不定期或者多次进行拍摄，通过解算出各监测点不同时期所得到的坐标值进行做差而进行桥梁变形分析。具有高精度、信息丰富、非接触测量、操作简单等优点。但是不能对桥梁进行连续的变形监测，不能获取桥梁的实时连续形变情况。
3桥梁形变监测实例分析
针对上述各种桥梁形变监测技术手段，本文以国内某大型桥梁的变形监测实例进行分析，限于篇幅原因，本文只对利用GNSS技术下的GPS测量手段和传统的水准技术手段的桥梁形变情况。下图横着表示时间/s，纵轴表示位移变化/cm。
图1 水准测量下桥梁挠度变化位移
图2 GPS监测下桥梁挠度变化位移
如图1和图2所示，水准测量技术和GPS技术都可以获取桥梁的变形信息，能获取桥梁在通车情况下监测点的整体形变情况。由图可知，两种变形监测手段的精度都可以达到毫米级。在选取的桥梁变形监测实例中，水准测量技术则需要布设几个控制点，通过对比几次高差之差而进行变形分析，下监测时段内的监测点桥梁变形与GPS测量的变形情况基本一致，最大变形点变形位移为3cm，此处的桥梁结构比较健康稳定。GPS技术下的变形监测点变形情况与水准基本一致，由于接收机布设在桥梁中间，当车辆通过时会产生较大变形，最大变形点为3cm，由图可以看出，位移起伏变化曲线是因为车辆通过时桥面下沉和以及车辆通过之后桥面反弹所致，但是此变形情况在桥梁允许值范围内，表明监测点处桥梁结构健康稳定。
4 结论
本文对目前桥梁的变形监测手段以及测量原理进行了详细的分析，并根据实际现役大型桥梁的变形监测实例基于两种监测技术手段进行了对比研究。综上所述，变形监测技术可以对桥梁的整体变形以及细部结构进行准确详细的监测，能及时的检测出桥梁的整体变形情况，也能及时的检测出桥梁结构的形变情况以及健康安全状况。是桥梁安全稳定的影响，是保证人民财产和生命安全的一种必要技术手段。也是后续桥梁进行保护修缮的一种技术支撑手段。
参考文献：
[1]张宇.基于北斗/GPS高精度位移监测技术在桥梁监测中的应用[J].居舍,2018(25):95+35.
[2]柴勇.近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用[J].工程建设与设计,2018(12):127-128.
[3]欧阳俊峰. 基于三维激光扫描技术的现役桥梁变形监测应用研究[D].华南理工大学,2018.
[4]戚斌,岳顺,宋亚宏.GBInSAR技术在桥梁变形监测中的应用[J].地理空间信息,2017,15(07):97-98+11.
[5]赵一恒,王利东,柳宇刚,田忠星,彭彦彦.基于遥感数据与PS-InSAR的城市桥梁形变量的监测研究[J].建设科技,2016(04):55-58.
[6]杨国玉.三种桥梁变形监测方法的对比研究[J].测绘技术装备,2016,18(03):15-18.
[7]冯兆祥,钟建驰,岳建平.现代特大型桥梁施工测量技术[M].北京:人民交通出版社,2010.
论文作者:王锐
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/9/18
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