桥梁智能检测技术研究与应用

桥梁建设　2019年第49卷第S1期（总第258期）

Bridge Construction，Vol. 49，No. S1，2019（Totally No. 258）1文章编号：1003-4722(2019)S1-0001-06

桥梁智能检测技术研究与应用

钟继卫1，2，王　波1，2，王　翔1，2，汪正兴1，2

（1.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全

国家重点实验室，湖北武汉 430034）

摘　要：为促进桥梁检测向更智能、更高效、更精确的方向发展，我国桥梁科研单位自主研发了一系列桥梁智能检测技术及装备。桥梁/路基竖向位移高精度自动监测技术，利用微压差半封闭连通管式竖向位移传感器，可高精度、全天候测试桥梁挠度和路基沉降；便携式无线智能索力检测技术，以智能手机作为终端，可便捷、高效地测试拉索索力；超声螺栓轴力测试技术，利用超声波高精度测量悬索桥索夹螺杆轴力；长大桥梁线形快速检测技术，可实现以厘米级的精度对长大桥梁及城市环线线形的普通车载式快速检测；结构外观病害及变形图像识别技术，可自动对桥梁表观病害与动态位移定量分析。在此基础上，研制了全自动智能机器人、巡检无人机替代传统的人工检测方式，实现了桥梁各类复杂、隐蔽、高空部位的检测。这些先进的桥梁智能检测技术已经在我国桥梁领域进行了工程应用，大幅提高了桥梁检测的广度、精度及效率。

关键词： 桥梁结构；智能检测；竖向位移传感器；无线索力仪；超声轴力测试；图像识别；检测机器人；

巡检无人机

中图分类号：U446. 3 文献标志码：Ａ

Research of Bridge Intelligent Inspection

Technology and Application

ZHONG Ji-wei 1, 2, WANG Bo 1, 2, WANG Xiang 1, 2, WANG Zheng-xing 1, 2

（1. China Railway Bridge Science Research Institute, Ltd., Wuhan 430034, China；2. State

Key Laboratory for Health and Safety of Bridge Structures, Wuhan 430034, China）

Abstract：In order to make the bridge inspection more intelligent, more efficient and more accurate, a series of bridge intelligent inspection technology and equipment have been developed independently by bridge research institutions in China. A high-precision automatic monitoring technology has been developed to measure bridge deflection and subgrade settlement, which takes use of vertical displacement sensors of micro-differential pressure semi-closed communicating pipes type and is able to measure the bridge deflection and subgrade settlement with high precision and without time limitation. The portable wireless intelligent cable force inspection technology with smart phones as terminals allows the cable force measurement more convenient and effective. The axial forces of bolts of cable clamps in suspension bridges can be measured with high precision by the ultrasonic measurement technology. The inspection technology to rapidly measure the alignment of long-span bridges can realize the centimeter-grade accuracy in rapid inspection of long-span bridges and urban ring road alignment by the vehicle-mounted

收稿日期：2019-05-06

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFE0202400）；湖北省技术创新专项重大项目（2018AAA029）

Project of National Key Research and Development Program of China (2016YFE0202400)；Special Major Project of Technological Innovation of Hubei Province (2018AAA029)

作者简介：钟继卫，教授级高工，E-mail：jw_zhong@sohu. com。研究方向：桥梁结构健康监测。

桥梁建设　Bridge Construction 2019，49（S1）2

1　引　言

随着全世界范围内工业化进程的不断推进及交通基础建设的飞速发展，桥梁的数量越来越多、规模越来越大。据不完全统计：美国现有公路桥梁接近62万座，平均桥龄43.2年[1]；日本现有道路桥梁跨径大于15 m的总数为16.1万座，平均桥龄40.8年[2]；我国公路桥梁总数达85万座，平均桥龄22.7年。总体而言，各国平均桥龄均超过20年，且随着时间的推移，桥梁服役时间将逐年增加。通常桥梁在投入运营20～30年，将面临严重的耐久性和安全性及正常使用功能下降的问题，需采用精准、高效、智能化的检测技术对运营期桥梁的工作状态进行检测及评估，确保桥梁使用过程中的健康与安全。另外，我国高速铁路已超过3万公里，桥梁里程占50% 以上，桥梁数量众多、桥型多样、结构复杂，由于高速铁路采取封闭式运营方式，且运营期检测及维护仅在天窗点时间进行，检测过程中对安全性及时效性要求较高，因此迫切需要采用智能化的检测技术及装备开展相关检测工作，确保高速铁路的安全运营。

美国是较早开展桥梁智能检测新技术研究的国家之一，在钢结构桥梁检测方面，美国开展了基于声发射技术的悬索桥主缆断丝监测、正交异性桥面板疲劳裂纹监测及桥梁伸缩缝区域损伤特性监测等；美国罗格斯大学（Rutgers University）研发了混凝土桥面板无损检测机器人[3]；美国国家公路合作研究计划（NCHRP）534指南提供了关于悬索桥主缆的检测方法[4]。在日本，由于运营期的笹子隧道(Sasago Tunnel)衬砌垮塌这一突发事件，引起了政府部门对桥梁等基础设施运营状态的关注，日本制定了跨部门战略创新促进计划(SIP项目)，力争以尖端技术为突破口，为基础设施的安全及健康提供先进的技术解决方案，计划用5年左右的时间，通过采用图像视频、雷达扫描、激光扫描、InSAR扫描、电磁检测技术、机器人技术、无人机技术等智能检测技术提高桥梁检测的精度及效率，目前该项目研究成果正在进行实桥应用测试，有望更大范围的推广应用[5]。上述检测技术在我国的桥梁检测中均有涉及[6-9]，但应用的深度、广度、系统化、自动化程度不高，当前桥梁检测对劳动力的依赖以及人工现场作业的占比仍较大。我国当前的桥梁检测内容主要有结构外观缺陷检测、内部及隐蔽性损伤检测、几何形状参数检测、力学参数检测、材料参数检测等。外观缺陷以手持数码相机或手持裂缝观测仪人工操作为主，也有一些采用辅助机械伸展臂搭载摄像头采集图像进行人机交互分析的尝试，亟待与基于深度学习的病害高精度识别、目标精确定位、图像矫正、缺陷三维还原、VR演示等先进技术深入融合。内部及隐蔽性损伤检测主要依靠磁场、声波、热像仪、射线、雷达等非接触无损探伤技术，目前这些技术的应用范围较窄，并且以定性检测为主，定量标准化测试是未来发展的方向。几何形状参数检测仍以全站仪、水准仪或液体连通管为主，需要发展快速、高效、大规模、高精度、多点同步的检测方式。力学参数检测仍以接触式的光纤光栅传感器或应变片为主，与实际需求相比，精度、可靠性仍存在很大的改进空间。材料参数检测以传统的超声波、射线、回弹仪等方式结合人工操作设备为主，检测过程需要逐渐实现无人化、自动化、标准化。

鉴于此，近年来我国桥梁领域科研单位致力于桥梁智能检测及快速检测技术的研究，自主研发了一系列桥梁健康状态智能检测技术及装备，本文对各项技术的检测原理、关键技术及工程应用情况进行分析。

2　智能传感器技术研究及应用

为促进桥梁检测向高精度、便携、快速、非接触、

devices. The image identification technology for surface damage and deformation of structures can automatically identify and quantitatively analyze the surface damages of a bridge. On the basis of all these inspection technologies, the automatic intelligent robot and the unmanned aerial vehicle (UAV) are developed to replace the traditional manual inspection method, which realizes the inspection of different types of complex, inaccessible and high-altitude locations in bridges. These advanced bridge intelligent inspection technologies have been employed in the field of bridge engineering in China, greatly improving the scope, accuracy and efficiency of bridge inspection.

Key words：bridge structure；intelligent inspection；vertical displacement sensor；wireless cable tension meter；ultrasonic axial force test；image identification；inspection robot；inspection UAV