（道路与铁道工程专业论文）基于PDA的水准桥梁检测系统研究.pdf

摘要 随着我国桥梁检测事业的蓬勃发展，公路桥梁检测的任务也日益繁重。传统 的桥梁检测工作内外业是分开，大大降低了检测的工作效率，而且很多检测设计 数据得不到实时准确的实地的对照修改，增加了检测结果的不准确性而且需要反 复修改。在水准桥梁检测内外业作业过程中，有大量的记录、计算和检查工作， 尤其是在外业检测中如何准确、快速、方便地进行野外数据采集和处理一直是检 测工作者考虑的问题。p d a 作为一种新兴产品，经过十几年的发展，已经日益成熟， 体积小，可靠性高，重量轻，耗电少，功能强大，操作简单，操作系统可视化程 度好，符合人们使用w i n d o w s 的习惯，价格便宜，适合随身携带、供电时间长而 且也能实现所测图形的实时显示等性能优于笔记本电脑的优点。 基于p d a 的水准桥梁检测软件将真正实现桥梁检测内外业一体化目前基于p d a 开发的桥梁检测及数据采集的应用程序很少，主要是因为检测要求的灵活性、各 个单位的作业模式及其执行的规范标准不同等因素造成，很难推出一套比较通用 的桥梁检测及数据采集内外业计算于一体的应用软件。基于p d a 的水准桥梁检测 系统软件，其设计开发主要功能涵盖桥梁检测数据采集和数据处理全部内外业工 作，面向生产实际，可明显地提高数据处理效率，具有显著的经济效益和社会效 益。 本文结合重庆道路桥梁质量检测中心的生产实际情况，研究开发一种基于p d a 的水准桥梁检测和数据采集处理于一体的系统，能够完成桥梁检测中的基准点检 测、墩台沉降观测、桥梁挠度观测以及桥面线形检测的全数字化作业；通过远程 数据传输可实现桥梁检测内外业的一体化，并可在桥梁检测中将水准仪与p d a 进 行数据通讯充分发挥数字化检测仪器的功能。 关键词：桥梁检测；水准测量；p d a 系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb r i d g ec o n s t r u c t i o ni nc h i n a , t h et a s k so fb r i d g et e s t i n g a n dd e t e c t i o nh a v eb e c o m em o r ea n dm o r es t r e n u o u s t r a d i t i o n a lb r i d g ed e t e c t i o ni s s e p a r a t ef r o mb o t ho 伍c e ( i n s i d e ) w o r ka n df i l e d ( o u t s i d e ) w o r k s al o to ff i e l dd e t e c t i o n d a t aa r en o tc o n t r o l l e da n dm o d i f i e dp r e c i s e l ya n dr e a l t i m e l y , n e e d i n gt or e p e a t e d l y m o d i f y , i n c r e a s i n gb l i n d n e s si nb r i d g ed e t e c t i o n s ot h a tt h ee 伍c i e n c i e so fd e t e c t i o na r e g r e a t l yr e d u c e d t i l i ss i t u a t i o ni sn e e d e dt oc h a n g e p d ac o m p u t e ra san e wp r o d u c t a f t e rm o r et h a nad e c a d eo fd e v e l o p m e n t 。h a s a l r e a d yb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d ，s m a l ls i z e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l i g h tw e i g h t ，p o w e r f u li n f u n c t i o n ，e a s yt oo p e r a t e ，h i g hd e g r e eo fv i s u a lo p e r a t i n gs y s t e mi nl i n e 谢t ht h eh a b i to f t h eu s eo fw i n d o w s ，c h e a p ，p o r t a b l e ，p o w e rs u p p l yf o ral o n gt i m e ，s om a n ya d v a n t a g e s t h a tb e t t e ra n ds u i t a b l ef o rf i e l du s a g e si nc i v i le n g i n e e r i n gt h a nn o t e b o o kc o m p u t e r s i nt h eo u t s i d ew o r ka n di n s i d ew o r ko fc i v i le n g i n e e r i n gi n c l u d i n gb r i d g ec h e c k i n g a n dd e t e c t i o n , t h e r ea r eal o to fr e c o r d i n g s ，c a l c u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n gw o r k , p a r t i c u l a r l yf o rf i l e dw o r k , h o wt oc o l l e c ta n dp r o c e s sf i e l dd a t aa c c u r a t e l ya n dq u i c k l y a sw e l la se a s i l yh a sb e e nr e s e a r c h e db yt e s t i n gw o r k e r s p d aa san e wt y p eo f h a n d h e l dc o m p u t e r si sg r a d u a l l yb e c o m i n gs m a l l e rs i z e ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n , w i n d o w ss t y l eo fo p e r m i n gs y s t e m p o w e r f u ls e c o n dd e v e l o p m e n tt o o l ，s oa st ob em o r e s u i t a b l ef o ra n di nl i n ew i t hm o d e me n g i n e e r i n gf i e l dt e s t i n gn e e d s s oa tp r e s e n ts o m e o fq u a l i t yi n s p e c t i o nc e n t e r so ro r g a n i z a t i o n si nc h i n aa r eb e g i nt ot r a n s p l a n tt h e i r n o t e b o o k c o m p u t e r - b a s e da p p l i c a t i o n st oh a n d h e l d p d a c o m p u t e r - b a s e do n e s u c ha s p d a b a s e ds o f tw a r e sf o rf i e l dt e s t i n g d a t ac o l l e c t i o na n da p p l i c a t i o n sa n ds oo n i n d e t e c t i o no fb r i d g e i ti sp o s s i b l et oa c h i e v er e a li n t e g r a t i o no fo f f i c ew o r ka n df i l e d w o r k t h ep d a b a s e ds y s t e mf o rb r i d g ed e t e c t i o nw i t hl e v e lm e a s u r e m e n th a sg o o d m a r k e tp r o s p e c t s d e v e l o p m e n to ft h ep d a b a s e db r i d g ed e t e c t i o na n dd a t ac o l l e c t i o na p p l i c a t i o n s i sn o tt o om u c hc u r r e n t l y , o n er e a s o ni st h a tp r e v i o u sp d aa r eu n s u i t a b l ef o rc i v i l e n g i n e e r i n gf i e l dw o r k s ；t h eo t h e ri sm a i n l yb e c a u s eo ft h ef l e x i b i l i t yo ft h ef i e l d d e t e c t i o na n dt e s t i n gr e q u i r e m e n t s ；a n dt h et h i r di sd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d eo rn o r m si n t h ei m p l e m e n t a t i o na n dd i f f e r e n ts t a n d a r d si nd i f f e r e n to r g a n i z a t i o n s ；a sw e l la so t h e r f a c t o r s i ti sd i m c u l tt oi n t r o d u c eac o m m o nb r i d g ed e t e c t i o na p p l i c a t i o ns o f t w a r et h a t c a ni n t e g r a t ea l lt h ef i e l dd a t aa c q u i s i t i o n c o m p u t i n ga n do m c ew o r k sa so n e t or e a l i z ei n t e g r a t i o nb o t hi n s i d e ( o f f i c e ) a n do u t s i d e ( f i e l d ) d a t aw o r k si nb r i d g e d e t e c t i o n ，g i v ef u l lp l a yt o t h ef u n c t i o n so fd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，p r o m o t eb r i d g e d e t e c t i o nt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s w ed e v e l o pap d a b a s e db r i d g el e v e lm e a s u r e m e n t s y s t e mf o rt h eb r i d g ed e t e c t i o no fo n 1 i n em e a s u r i n gi n s t n u n e n t s a st h ei n c r e a s eo fb r i d g es p a na n dd e f o r m a t i o n 1 e v e la n di t ss t a n d a r dm e t h o d sa r e b e c o m i n g a l l i m p o r t a n tm e a s u r eo fb r i d g e d e t e c t i o nb e c a u s eo fi t s l o n g r a n g e ， c o n t i n u o u s l yi m p r o v e dp r e c i s i o np a r a m e t e r s ，h a sb e e ng r o w i n ga n dm o r ew i d e l y a p p l i e d t h es o f t w a r e sm a i nf u n c t i o nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ep d a b a s e db r i d g e l e v e ld e t e c t i o ns y s t e mc o v e r sd a t aa c q u i s i t i o na n df i e l dd a t ap r o c e s s i n gi ne l e v a t i o n c o n t r o ls u r v e y , b r i d g es e t t l e m e n t ，d e f l e c t i o no b s e r v a t i o na n da l i g n m e n ts u r v e y ；h a v e r e a l t i m eg r a p h i c sr e n d e r i n ga n dd i s p l a yb a s eo nm e a s u r e dd a t a , w i l li n c r e a s ee f f i c i e n c y o fd a t ap r o c e s s i n gf o ra c t u a lb r i d g ec h e c k i n gp r o d u c t i o n ，a n dh a v es i g n i f i c a n te c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t s t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k si nr e c e n ty e a r s ，i t s a p p l i c a t i o no fr e s e a r c hi nb r i d g e sd e t e c t i o np r o j e c t i o n s ，a sw e l la st e s t i n gr e s u r sf r o m c h o n g q i n gt e s tc e n t e r o fq u a l i t yo fr o a d sa n db r i d g e sc o m b i n e d 、析t h a c t u a l p r o d u c t i o ns i t u a t i o n k e y w o r d ：b r i d g ec h e c k i n g ；l e v e l i n gm e a s u r i n g ；p d as y s t e m 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 一 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 王甩 日期：工( 7 年斗月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：王目 日期：9 0 0 宁月弓e t 指导教师签名： 日期：纱口夕年舻月夕日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：王日 日期：勘们年彳月a 1 日 指导教师签名： 日期：圳年 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 本文的研究背景 1 1 1 我国桥梁检测事业的发展概况 桥梁在一个国家的交通运输和经济发展中占有重要位置。桥梁的安全检测和数 据采集是保证桥梁安全运营的重要手段，通过检测技术可以及时掌握桥梁的运营 状况，测定桥梁几何尺寸的变化和大小，收集桥梁结构在运营过程中的整体线形 变化的数据，了解桥梁结构内力的变化、分析变形的原因，确定桥梁修缮和重建 的费用，以及桥梁维护、修缮和重建的先后顺序。从而避免桥梁垮塌和失效，降 低事故发生率；合理分配桥梁养护、加固和维修资金，确保桥梁安全运营，延长 桥梁使用寿命，最大程度减小桥梁事故造成的损失。 近年来，随着我国现代化工业建设的发展，特大型工业设备，集装箱运输，逐 渐频繁，超重车辆必须过桥的情况时有发生。桥梁遭遇特大灾害时，如因地震， 洪水等受到的严重损坏，或建造使用过程中发生严重的缺陷等。这些人为因素和 自然因素使桥梁在长期的使用过程中发生各种结构损伤。此外由于我国交通建设 的迅速发展造成交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，原来按 旧标准规定的荷载等级设计建造的桥梁可能发生结构损伤继而发生自然老化。这 些人为因素和自然因素通常是交织在一起，造成了桥梁结构承载能力和耐久性的 降低，如果再遇上荷载和外力组合很容易发生结构的损坏，导致不能满足桥梁安 全运营的要求，造成经济的巨大浪费。所以，为了确保桥梁的正常使用和安全运 营必须对其进行检测，将检测得到的数据进行采集和处理为后期的加固和维修打 好基础。 表观检测和材料检测技术及相关测试仪器发展很快，相继研制成功或正在研 制融合电、磁、雷达、g p s 全球定位系、全站仪、数字信号处理等相关学科的高技 术成套的检测设备和仪器皿1 。目前桥梁几何检测主要采用测量学的精密测量方法， 按照测量学变形观测的基本理论，建立相应的观测网点和测量路线，利用全站仪、 精密水准仪、测距仪、g p s 全球定位系统等测量仪器设备，在假定的独立坐标系中， 通过测量桥梁结构上的观测点在不同工作状况下的空间位置，并对观测数据进行 分析和处理，获得桥梁结构在各种工作条件下的不同状态，在一定程度上了解桥 梁结构性能发展趋势，为桥梁的运营管理、养护以及桥梁的加固和改造提供第一 手技术资料。在桥面板检测方面有如用于桥面板检测的双频带红外线自动温度成 像系统，探地雷达成像系统，整桥测量的激光雷达，无线电脉冲转发器等1 。使用 雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些新的技术手段可在仅仅一天之 2 第一章绪论 内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面。 1 1 2 水准桥梁检测及数据采集技术发展现状。 桥梁水准测量是桥梁检测的重要组成部分，是桥梁安全性评价的一项重要指 标为检验桥梁结构的工作性能和施工是否达到设计要求，保证桥梁运营的可靠 性，提供保证。通过水准仪对桥面线形、挠度、及墩台沉降的观测为桥梁竣工验 收提供依据，目前对桥梁进行静载试验时的一个重要内容是对结构的变形即挠度 进行观测，桥梁挠度测量方法的研究对于桥梁承载能力检测和桥梁的安全运营有 着重要的意义。 徐学文和管树国教授简要介绍实现检测桥梁动、静态挠度的诸多方法及其基本 原理，进而分析它们各自的优点和不足。郑玉福分析了桥梁挠度传统测量方法存 在的不足，介绍了几种新的、先进的测量方法。徐亚立对大跨度铁路桥梁动、静 态挠度测量的几种方法进行了探讨。周正想和王洪烈简要介绍了实现检测桥梁动、 静态挠度的诸多方法及其基本原理，进而分析它们各自的优点和不足。杨学山和 马树林介绍了q y 型倾角仪的输入不同持续时间的单个半正弦流和单个方波情况 下瞬态反应的测试方法及测试结果并与仿真结果进行了比较，证明了该仪器可用 于动态倾角和动态挠度的测量。目前常用的桥梁挠度水准测量方法存在数据精度 不足问题。在相当多的情况下变位与变形数据采集的精度还不能满足对结构物微 小变位与变形的检测要求，数据的可靠度较低。以人工观测和记录为主的观测方 法，数据出错环节较多，错误率相对较高，因而成果可靠性较低，难以实现自动 检测针对以上问题和需要目前，桥面线形测量中所进行的水准点高程测量以及中 桩高程测量，其手段以几何水准测量( 光学水准仪配区格式水准尺) 或e d m 三角高 程测量为主。 水准测量数据的采集是桥梁水准测量中必不可缺少的一项工作，目前对于普 通水准仪其外业数据的采集采用人工读数、纸介质记录，经内业复核、基本数据 处理后，输入微机进行平差计算，水准点高程和中桩高程成果以文本格式输出， 并以纸介质向下序传递，数据的使用为全手工录入。而对于运用数字水准仪、全 站仪作为桥量检测中的精密高差、距离和角度传感器，目前国内已经发展到了较 高的技术水平，基本可实现测量、记录、预处理以及某些内业处理直接在仪器上 完成。如进行桥梁挠度观测时，使用观测数据的自动保存功能直接记录数据，能 够最大限度地发挥仪器功能，提高作业效率，从而免除人工读数、记录的差错。 数字测量仪器的自动化使用包括数据自动记录( 或现场数字化及人工输入) ，数字 化仪器内的数据输出( 下载) ，数据的传输，以及数据格式的转换等内容。为了提 水准测量的观测速度和精度，仪器生产商不断致力于新仪器的研究与开发，从过 第一章绪论 去的附和气泡式水准仪，发展到目前广泛使用的自动安平水准仪，使水准测量工 作更加轻松，观测速度和测量精度大幅度提高。相应的，水准记录器由最初的手 工记录计算方式，经历了具有纸带打印功能p c i 5 0 0 阶段、具有虚拟内存功能的 p c e 5 0 0 阶段、具有d o s 操作系统和文件存储功能的h p 2 0 0 阶段。随着计算机技术 的发展，这些记录器已成为历史，厂家不再生产，外用的记录设备不得不面临新 的选择。现在已出现将p d a 应用于水准测量系统，如：采用m i c r o s o f te m b e d d e d v i s u a lb a s i c 开发了水准记录软件水准之星，配合工程测量据采集及处理 软件集成系统中的水准之星p d a 伴侣模和水准网平差模块，实现了水准测量内 外业一体化作业。 1 2 水准桥梁检测及数据采集技术的发展趋势 在桥梁变形几何检测方面，将全站仪、数字水准仪等桥梁检测仪器与p d a 进 行数字通讯，是提高桥梁检测工作效率、自动化程度、及数据处理质量的必然趋 势。桥梁测量数据的实时处理需要在现场或在室内将数据采集仪器与不同的外部 计算机相连，从而实现由计算机完成桥梁检测数据的接续处理。因此，在桥梁检 测中将测量仪器与p d a 进行数据通讯，实现检测数据实时实地数据处理。开发基 于p d a 水准桥梁检测系统对于促进桥梁检测技术的进步，充分发挥数字化检测仪 器的功能，提高检测的效率都具有十分重要的意义。 目前，在p d a 上开发的桥梁检测及数据采集的应用程序还不是太多，主要是 因为检测要求的灵活性、各个单位的作业模式及其执行的规范标准差异很大等因 素造成，很难推出一套比较通用的桥梁检测及数据采集内外业计算于一体的应用 软件。桥梁水准检测内外业一体化系统设计以实现桥梁水准检测内外一体化作业 为宗旨，将外业数据采集、内业数据预处理、水准网平差三个子系统有机结合， 最大限度地降低劳动度，提高劳动生产率。外业记录部分采用p d a 作为记录器， 记录程序以满足多等级、多方式桥梁水准检测需要为目，以操作简单化、运行智 能化、限差控制自动化为目标运行程序设计；内业数据预处理部分以实现对p d a 记录数据的预处理和标准化记录成果表生成为目标；水准网以平差数据格式简单、 智能化程度高、精度指标齐全为目标。 上述与桥梁检测仪器和计算机联机且能进行数据的管理功能类似的记录器在 国外虽出现，但功能较少，计算模型未知，价格昂贵，很不适合当前我国的经济 和技术水平。因此推广起来比较困难，不能真正解决国内在这方面的问题。而在 国内尚未有类似产品研究和推出的报道。桥梁水准检测在采集、记录、校核的方 自动化程度很低，鉴于当前桥梁检测任务的严峻性，以及国内在这方面技术存在 的空白，开发一个具备上述功能，操作性能较好且比较经济的记录器是十分必要 4第一章绪论 的。 1 3 本课题研究的内容 1 3 1 主要研究内容 数字水准仪在桥梁检测中的适用性和可靠性。 桥梁检测各个分解项目的数据采集手段、方法、程序和数据质量的要求。 桥面纵面线形检测及挠度检测的技术要求与方法。 p d a 计算机的技术性能要求和选型。 系统的功能设计、操作设计和架构设计研究。 桥梁检测中水准测量数据的管理方式研究，各种数据结构研究，包括已知 数据、测量数据、数据库结构功能设计研究。 研究p d a 与数字水准仪等的数据通讯。( 包括串口通讯，蓝牙通讯) 。 研究图形化界面显示功能，包括比例尺的确定，坐标的映射，图形的放大 缩小平移及图上点信息的拾取等。 研究基于w i n c e 的嵌入式代码编写方法。 研究系统功能的实现及软件模块设计、开发、调试、测试。 1 3 2 研究意义 我国近几年来由于疏于对于桥梁检测和数据采集的管理发生了几例桥梁倒塌 事件，给国家造成了极大的损失。例如重庆綦江彩虹桥素有“长虹卧波，綦江一 景之称，于1 9 9 6 年建成通车，是连接该县南北两岸的重要纽带，对该县的交通 和经济起着重要的作用，是该县的形象工程，但仅仅经过3 年的时间于1 9 9 9 年1 月4 日6 点5 0 分这座长虹桥沉入水中消失了。 这座桥梁的倒塌不仅造成了巨大的经济损失而且也造成了人身伤亡。事后经 过专家勘察现场和警方对桥梁的健康情况向周围的群众调查取证得出造成此次事 故的原因其一是施工质量差，偷工减料，焊缝的焊接强度明显低于设计强度，而 且焊缝不饱满，面积小。其二，该桥梁自从开通以后从没对该桥的健康状况进行 检测和加固。其三，由于部队的士兵在桥上跑步，步伐一致，步调与桥梁本身的 自振频率一致，使桥发生颤动，导致结构破坏。 台湾连接高雄与屏东的高屏桥于2 0 0 0 年8 月2 7 日发生了中间部位塌落河中 的事件，导致了1 6 辆汽车跌入河里，致使2 2 人丢失了性命。据调查这座桥在它 运营的2 0 年之中从未对其进行检测和数据采集及处理，可见从未对其结构是否破 坏进行关注。 第一章绪论 围1l 彩虹桥倒塌后的固片 h 9 1 1c o l l a p s c o f c a i h o n g b r i d g e 围12 重建后的彩虹桥 f i e l2 r e b u i l t c o n s t r u c t i o n o f c a ih o n 2 b r l d e e 近年来由于国内外发生了几起桥梁倒塌的事件在桥梁界引起了广泛的关注 和讨论，并对桥梁检测和数据采集技术进行了深入的研究，并建立了一系列检测 和数据采集的方法，再加之桥粱倒塌事件造成的损失是惨重的，所以各级管理部 门对桥梁的检测和数据采集十分重视，因此为我国桥梁检测及数据采集事业在技 术和思想上提供了可靠的的保证。 传统的桥梁检测与数据处理是分开，因此大大降低了桥梁检测的工作效率， 而且很多检测数据得不到实时准确的修改，增加了检测结果的盲目性。本文的研 6第一章绪论 究能够推动我国桥梁检测事业的发展，真正意义上实现桥梁检测与数据采集的内 外业一体化，大大提高我国桥梁检测工作效率，降低成本，并且有效增加数据的 可靠性，同时能够很好的推动其它工程内外业一体化的发展。 本论文的研究成果将能够解决一些w i n d o w sc e 环境下的软件开发的关键问 题，如数据的管理，图形的显示和仪器之间的连接，对同类产品的开发可以起到 一些借鉴作用。 本系统的研究能很好的推动各种测量仪器和p d a 的发展，更好的满足工程的 需要 1 4 研究的关键技术及算法 检测数据各项限差的实时检核；植入水准测量限差，当检测过程中限差不 满足要求时自动提示。开发自动精度控制与自动超限报警技术。能够对任意测设 与检测方案进行误差预计。并与内置各种规范限差进行比较实现精度预警。对桥 面线形，挠度，和墩台沉降等的水准检测点自动进行平差计算。 桥梁线形检测的技术要求与方法：专门研究了桥梁的桥面平纵面线形检测的 技术要求、途径、方法。直接水准法和间接三角高程法进行桥面纵面线形检测的 精度特性和使用要求。 实现p d a 与全站仪、数字水准仪等多种测量仪器的数据通信，( 包括串口通 讯，蓝牙通讯) 。使仪器能够与大多数电子测量仪器进行联机工作。并能在p d a 上 操作仪器，实现测量数据的自动传输记录存储。 图形化界面，显示平面图，将设计的桥面线形呢理论的挠度线形和当前检测 的线形进行实时的图形显示，便于实地对照和修改。 各种测量、设计和调查数据全面管理，包括数据库设计与开发，快速查找技 术等。 1 5 论文的组织安排 第一章主要是从系统研究的背景、目的、意义及现状进行阐述，并提出了研 究的必要性，列出了主要研究内容、关键技术与算法。 第二章研究了桥梁水准几何检测和变形检测的算法。提出了获取更高精度数 据的检测方法。 第三章给出了系统的硬软件环境及开发工具等，并简单介绍其基本知识，总 结出开发过程中的注意事项，及p d a 与数字水准仪及其他p c 机的蓝牙串口通讯。 第四章提出了系统设计的目标、原则、野外操作要求与技术指标，给出了系 第一章绪论 7 统功能结构设计框架，分析了桥梁检测系统的数据种类、数据类型及数据管理方 式等。 第五章展示了整个系统的实现方式，展示系统各模块的设计成果。 第六章全文的总结和展望，总结自己所做的工作，取得的成果，并提出一些 进一步改善的建议。 8第二章桥梁水准几何检测和变形检测算法的研究 第二章桥梁水准几何检测和变形检测算法的研究 2 1 桥面线形测量 桥面线形是桥梁检测和施工质量控制的一项重要内容与常规项目。桥梁线形 主要指桥面特征线的平纵面线形。竣工线形是反映桥梁施工误差、施工质量的主 要指标。荷载试验中的桥面线形为不同工况下的线形，其状况及差异反映了桥梁 施工质量、安全性等方面的诸多信息。因此桥面线形可分为设计线形、竣工线形、 空载线形、加载线形、卸载线形等。除了设计线形为理论线形外，其它各种线形 的资料均需要通过实测来取得。线形测量主要是测量的主要轴线的纵断面线，并 与设计或其它时期的纵断面线进行对比，以判断和分析桥梁的状态与安全性。 桥面线形检测目前主要使用人工几何水准方法完成，手工记录，效率较低， 数据内业工作量较大，因而出错机率较大，也缺乏数据质量的评定及控制标准。 2 1 1 桥面线形测量 桥面线形测量按检测目的分为验收性和检测性两种。验收性仅限于竣工桥梁， 一般有公路质检部门完成。检测性可为旧桥，可为不同加载下的线形比较，以确 定桥梁的安全使用性能。 桥面线形测量应当根据检测目的和桥梁规模，确定点的密度和精度要求，据此 确定测量方案。布点的精度和密度应当能够反映桥梁的实际线形状况，防止测量 误差引起对施工质量的误判。一般来说，用于施工质量检测的线形检测最大容许 误差不超过容许施工误差的5 - 1 0 ，用于桥梁荷载试验的线形检测的最大容许误差 应不超过挠度最大值的5 比引。 2 1 2 断面个数及测点密度要求 平面线型检测一般选择桥梁行车道中心线。纵面线形检测时纵面线位置一般 选择车行道中心线、车道左右边线等三线。 桥面线形测量结果的精度主要取决于布点密度和点位测量精度。布点密度越 高，测量精度越高，则桥面线形测量成果精度越高。断面点( 断面) 密度将直接 决定平纵线形测量结果并且还反映真实线形局部变化的水平，一般在5 - 3 0 m 之间 根据不同情况选择，它取决于桥梁检测的目的和技术等级，检测级别越高，桥面线 形检测断面间距越小观测精度越高。 2 1 3 点位精度要求 平面线形检测时检测点平面位置测量精度的确定是根据桥梁检测等级，在 0 0 1 0 0 5 m 范围( 相对于最近控制点或交点) 。相邻点间的最大相对位置误差应不 第二章桥梁水准几何检测与变形检测算法的研究9 超过点距的1 1 0 0 0 啪2 。 纵面线形检测时，检测点应位于整数里程。高程精度一般要求高于桥梁墩台 和桥梁及桥面施工放样精度一个等级，最弱点( 一般为最远点) 即与最近水准点 的高差中误差应不超过设计标高容许误差的1 5 2 。相邻点间高差误差应满足点 间距的三等水准精度要求。 如若桥面标高的允许设计误差为相对于最近控制点的0 1 m ，则对于5 0 0 m 桥梁 最远点( 2 5 0 m ) 间高差误差应不超过5 0 - 5 5 m m 。相邻点高差误差在2 0 m 间隔下大约 为1 0 s 1 血( 1 5 2 o m m ) 之间。 2 1 4 测量方案 桥面线形检测的测量方案应根据线形检测的点位精度要求，结合实地条件进 行选择。一般可选择几何水准或三角高程。在这两种基本方法中，还需要选择不 同的观测精度等级。 测量精度等级规定了一定的标准作业限差要求。对于直接水准可在2 - 4 等间 选择。对于间接高程可在卜3 级之间选择。选择主要取决于桥梁检测性质及所要， 达到的精度要求。相邻点精度的特性，直接水准与间接高程法的特性完全不同。 确定检测方案之后，应当进行两个指标的精度验算。 表2 - 1 桥梁纵面线形测量布点及观测方案 t a b 2 1m e a s u r e m e n tp o i n t so fb r i d g el o n g i t u d i n a ll i n e a ra n do b s e r v a t i o np r o g r a m 特级检测一级检测二级一般检测三级例行检查 断面个数3 个3 个2 个1 个 测点密度 1 0 - 2 0 米2 5 - 3 0 米 3 0 - 3 5 米 3 5 - 4 0 米 最弱点高程精度0 2 h i0 2 h 0 2 h 0 2 h 相邻点高差精度s 厨l o 厨1 5 厨2 0 活 控制点测量i i 等水准i i 等水准i i i 等水准v i 等水准 i i i 等水准v i 等水准v i 等或等外 碎部点测量方案i i i 等水准 一级三角二级三角二级三角 2 1 5 直接水准施测方法 ( 1 ) 建立桥面临时水准点。 一般按观测精度等级的最大视距两倍长度设立临时水准点( 约1 0 0 - 1 8 0 m 间 距) ，一般设在人行道上，使用油漆标明点号。 ( 2 ) 高程联测。使用表2 1 的精度等级，往返测定各个桥面临时水准点的高 第= 章桥粱水准几何检测和变检测算法的研究 程 图2 1 桥面纵面线形翘幔点 f j 9 2 1m e 口s u r e m e m p o i n t s o f b r i d g e l o n g i t u d i n a l l i n e a r ( 3 ) 断面线形测量。 桥面用皮尺丈量标定断面点并在地面做标记，可按路线里程或桥梁起点相 对里程编号。 顺序观测法：仪器自由设站( 一般是应该在两临时水准点之间) 首先后 视水准点，并检查下一水准点高程。按照断面顺序观测，并读取前后视距水平距 离。由于前后视距不等，在计算时均应当加入i 角影响改正。 对称观测法：在两临时水准点之间严格按1 2 处设站。按前后视距相等， 分别观测前后等距对称断面点，并读取前后视距水平距离。然后根据断面点间的 高差，以及第一个断面点的高程即可推算全部点的高程。本法可以不用对每个点 加入视轴不平行改正。 还可以使用多台仪器分别置于各临时水准点之间，各台仪器只观测本段内所 有点的读数，可以加快外业检测速度。 21 6 系统误差改正 桥面纵面线形测量属于高精度水准测量，当前后视距不等时，各高差中应加 入视轴不平行改正( i 角) 影响改正。 a h , = ( 巩一d n ) i p ( 2 1 若1 角为2 0 。前后视距5 0 m ，此项改正将达到48 m ，若i 角能控制在1 0 。之 内，此项改正在3 m m 之内。桥面线形测量原则上用不等视距高差推算高程时，均 第二章桥梁水准几何检测与变形检测算法的研究 l l 应加上视距不等改正。 使用自动安平水准仪时，也要求前后视距相等。目前规范规定要求对自动安 平水准仪进行补偿误差检校。当进行一、二等观测时，各方向最大补偿误差应小 于o 1 一o 2 l7 。当仪器初平精度越高，补偿误差越小。这一误差在安平误差 1 07 时引起的补偿误差为1 一2 ，在1 0 0 m 的距离上引起的读数误差约为0 3 m m 由于此项误差的随机性，不能计算i 角。 2 1 7 技术要求 1 、临时水准点高差测量 可根据情况采用二等到四等的观测精度，往返闭合差应小于表2 2 2 4 的要求。 闭合差应当满足表2 3 2 4 的要求。测量时应满足以下表2 1 t 2 5 技术要求。例如用三 等精度测量这些点之间的高差，要求进行往返独立测量闭合差应小于1 2 l 。 2 、断面点观测 断面点读数原则上可以比临时水准点观测精度低一个等级。 表2 2 几何水准的桥纵面线形测量技术要求 t a b 5 2t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f l e v e lm e a s u r e m e n tp o i n t so f b r i d g el o n g i t u d i n a ll i n e a r 前后前后视距红黑面红黑面高视线高 等级使用仪器视线长度 视距差累积差读数差差之差度 图根s 31 0 0 m8 m1 5 m3 m m5 m m0 2 m 四等s 38 0 m 5 ml o m3 m m5 m m0 2 m 三等 s 3 、s 16 5 m3 m6 m2 m m3 m m0 3 m 二等s 1 、s 0 55 0 ml m3 m0 3 m m0 6 m m0 5 m 表2 3临时水准点间距和往返测量闭合差 t a b 5 3 d i s t a n c eo f t e m p o r a r yl e v e lp o i n ta n dc l o s e dm a r g i nf r o mr o u n dt r i po f m e a s u r el e v e l 临时水准点间距( m )往返测闭合差断面间距( m ) 图根 1 6 0 1 8 04 0 压3 0 4 0 四等 1 5 0 1 6 02 0 厄2 0 3 0 三等1 0 0 1 2 01 2 厄1 0 2 0 二等 8 0 1 0 04 厄5 1 0 1 2第二章桥梁水准几何检测和变形检测算法的研究 2 2 桥梁挠度测量 2 2 1 桥梁挠度 l 、对任意点，桥梁挠度是该点在两个不同时间和两个不同工况下同一点的高 程差。理论上可采取当前工况与参考工况的绝对高差求差计算。参考工况可为初 始工况( 零工况) 或试验过程中的任意一个工况。参照工况为“零 工况的可称 为“相对空载挠度”；当参考某个中间工况的挠度可称为“相对工况挠度 ；参 考竣工况时标高的挠度可称为“相对竣工挠度”等。当参考设计标高时可称为“相 对设计挠度 ( 包含施工误差) 。 2 、两个条件下的标高变化，精确检测其量值有时比较困难。一般认为，只有 实际检测中的最大误差超过被测量值的1 3 时，误差与变化将难以区分。如将挠 度变化检测敏感度( 检测阈值) 确定为l m m ，则测量误差不应大于0 3 m m 。 3 、原则上每次测量可以使用不同的方法，但是必需要有长期、固定、统一的 参考点( 基点) ，并且能够控制精度，才能检测出微小的挠度变化信号，并进行 有效的对比。 4 、固定基点要尽量接近检测点。用于长期观测的基点，应保持长期稳定且标 高不变。可选桥墩顶部、桥台顶部、两岸距桥最近的基岩或标墩。用于短期观测 比较( 如荷载试验) 的基点( 临时基点) ，应当在数天内不发生超过检测阈值1 3 以上的变化。 2 2 2 桥梁挠度测量方法 桥梁挠度测量有多种方法，包括精密水准测量法、流体静力水准测量法、光 电桥梁挠度检测仪法、牵引百分表法、倾斜仪法以及高精度全站仪间接高程等方 法乜5 。卫星定位系统g p s 已用于大跨径柔性大挠度桥梁的动态挠度观测。其中光 电桥梁挠度检测仪、牵引百分表法等属于近基点类型的检测放法。精密水准测量 法、全站仪间接高程法适用于近、中、远基点。卫星定位法、倾斜仪法等属于无 基点类型的检测方法。 精密水准测量法和全站仪间接高程法属于通用仪器、使用灵活、适用于各种 桥梁、能够全数字化作业等优良特点，但其在桥梁挠度测量上的应用方法及误差 特性等方面需要加以研究，以确定其在桥梁检测中的适用范围，指导在桥梁检测 中的正确运用。 l 、仪器基准法( 无后视观测法