橋梁面相學及其研究進展

周志祥,周豐力,楚 璽

(1.深圳大學 土木與交通工程學院,廣東 深圳 518060; 2.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室,重慶 400074)

0 引 言

結構健康檢(監)測是避免土木工程結構發生坍塌的重大安全事故的有效措施之一。工程人員采用檢(監)測獲得的各項參數來評估結構現有損傷程度,確定結構在役性能,判定材料退化狀態,最終評估結構的安全性和使用壽命。結構健康檢(監)測的評定結果對結構設計驗證、損傷識別、施工安全、維護效率等至關重要[1-3]?，F有橋梁安全檢(監)測方法可分為以下3大類:

1)定期檢查,即借助專用橋檢車對橋梁結構關鍵部位做近距離人工檢查,其優點是可信度高,缺點是費用高,對橋上交通存在不利影響,檢測頻率低。

2)經常性安全檢查,通常以人工目視檢查為主,要求每月不少于1次,其優點是檢查頻次高、費用低,缺點是缺乏客觀量化數據,結論依賴巡檢人員主觀判斷,實效欠佳(發生坍塌事故橋梁中,既往經常性安全檢查記錄為一、二類橋梁的案例常見)。

3)長期健康監測,通過在橋梁上安裝的系列傳感器獲得橋梁的作用輸入和結構響應輸出數據,據此進行橋梁健康狀況實時監測,其優點是可長期實施,在原數據可靠條件下結構狀態監測結論可信,但也存在3方面問題:①長期健康監測系統費用高,難以推廣應用;②傳感器的有效壽命約5～10 a,遠小于橋梁使用壽命,導致監測系統長期維護難、費用高;③傳感器自身不可避免存在數據漂移問題,且是安裝在長期承受沖擊、振動、疲勞和環境變化的橋梁上采集數據,數據的穩定性和可靠性難以保證[4-5]。

迄今,醫學界已研發出一系列高精尖儀器進行人體健康狀況檢測,不過,檢測結果只是體檢當日被檢測者的健康狀況,不能說明體檢日以外其余時間的健康狀況。而國粹中醫僅通過望、聞、問、切即可診斷人體健康狀態,籍此人們可實時了解自身健康狀況。

受中醫面相學的啟迪,筆者提出了兼顧更加實效、經濟、便捷、可信的橋梁安全狀態檢(監)測新理念——橋梁面相學,即依據橋梁外觀形態變化來獲知結構近期安全狀態的科學。首先,借助機器視覺實現對橋梁結構的“望”,以數字圖像的方式全息記錄橋梁結構形態的變化狀況;然后,結合橋梁結構先驗知識,進行力學計算、AI分析;最終,實現對橋梁安全狀態的監測。

1 橋梁面相學的理論基礎

混凝土立方體試件外部受壓過程與內部損傷發展的關系如圖1:從開始加載直至試件破壞的過程中,混凝土試件外觀形態隨著加載的不同階段發生不同速率的豎向壓縮和橫向膨脹變形,與此同時,試件內部經歷無損→微裂縫產生→裂縫發展→裂縫貫通→試件破壞的過程,說明結構外觀形態變化與結構內部損傷存在內在的關聯規律。換言之,通過對大量實踐/試驗數據的研究,總結出外觀形態變化與結構內部狀態的關聯規律后,即可基于外觀形態的變化來推測結構內部的健康狀況[6-8],此乃橋梁面相學的理論基礎。

圖1 混凝土外部受壓對應于內部損傷Fig. 1 External compression of concrete corresponding to internal damage

經典的結構力學方程〔式(1)〕為橋梁面相學提供了理論依據,假設作用力F不變,若結構形態位移d發生變化,則剛度K即結構健康狀態隨之發生改變:

(1)

圖2為對兩跨連續板橋的有限元仿真分析。分析結果表明荷載作用、基礎沉降、支座缺失、結構損傷均會導致橋面形態(位移云圖)發生變化[9-11]。

圖2 荷載作用和結構損傷引起橋面形態變化Fig. 2 Changes in bridge deck morphology due to loading and structural damage

筆者團隊試驗對比了獲取橋梁結構外觀形態及數字圖像的各種方法,包括使用激光雷達、數碼相機、無人機等裝備進行掃描、拍攝或攝影等,研究結果表明:常規情況下選用數碼相機攝影來監測橋梁安全狀態具有經濟(無耗使用)、方便(非接觸式)、全息(圖像內全部信息)、可信(圖像易辨真偽)、便維(小型非接觸設備)及先進(吻合未來發展趨勢)等優勢[12]?，F代科技的高速發展,數字圖像采集硬件日趨高清、高速、遠距、大視域、廉價和便捷,設想若干年后從衛星獲得的圖像可廉價并清晰到能用來進行常規大型結構形態變化的識別,地球上的大型建筑結構還需要專門的安全監測嗎?

2 橋梁面相學的研究進展

10余年來,筆者團隊利用各種新型設備,采用不同方法對多種模型橋進行了檢(監)測試驗,如:用相機及激光記錄空心板橋和箱型梁加載全過程試驗〔圖3(a)、(b)〕,用自動攝影技術記錄組合梁全過程形態轉換試驗〔圖3(c)〕,基于橋梁面相學理論的懸索橋試驗〔圖3(d)〕[13-18]。

圖3 基于數字圖像的橋梁結構承載-損傷-變形監測試驗Fig. 3 Bridge structure load-damage-deformation monitoring test based on digital images

針對不同加載水平下的多種結構全息形態,團隊進行了數萬次的圖像采集、處理及分析對比,并在實體橋梁上開展了應用研究(圖4),使橋梁面相學從概念到方法,從試驗到認知,從識別到診斷,從理論到實踐,從設備到應用等各方面都得到了明顯的發展[19-23]。

圖4 橋梁面相學的實橋應用Fig. 4 Application of bridge physiognomy in real bridges

2.1 橋梁動靜影像全息性態監測系統

筆者團隊采用基于定點相機平轉 + 豎轉的拍攝方法分區域采集長大橋梁各部分結構數字圖像,根據相機最大旋轉角與圖像分辨率、相鄰圖像旋轉角與圖像重疊度的關系,總結出長大橋梁結構安全監測時空序列圖像的處理技術[24-25],探討了基于模糊集理論的結構模糊圖像增強的實現途徑[26],建立了利用結構特征點 + 自然紋理的橋梁結構全場位移矢量構造模型,探索了基于結構表面全場位移矢量變化的結構損傷位置及損傷程度的識別方法[27],構造了成本低廉、視場非固定、視距可調節的橋梁圖像采集硬件系統,開展了單機定軸旋轉采集橋梁結構圖像序列試驗,提出了由定點旋轉相機采集圖像獲得橋梁總體等效正射立面圖像的理論,該理論得到了試驗驗證(圖5)。

圖5 基于400 kN加載下的全場位移矢量變化的結構損傷識別驗證Fig. 5 Validation of structural damage identification based on full-field displacement vector variation under 400 kN loading

橋梁動靜影像全息性態監測系統已成功應用于成都青龍場立交的吊桿拱橋安全監測,如圖6。

圖6 橋梁動靜影像全息性態監測系統應用實例Fig. 6 Application of holographic monitoring system for dynamic and static images of bridges

監測設備安裝在距橋梁約200 m處樓房窗臺上,實時獲取作用于橋梁上車輛的車型、車速、位置及環境溫濕度(作用輸入),從而得到橋梁結構的動+ 靜形態(響應輸出),即為分析橋梁結構狀態的原始數據。目前,該監測系統正應用于深圳市松福大道沙井河大橋(主孔跨徑182 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋)上并進行進一步完善。

2.2 WWWQ-G橋梁安全巡檢車

針對常規橋梁的檢測,筆者團隊[28]提出采用WWWQ-G橋梁安全巡檢車來替代現有的橋梁人工巡檢,其中:W——望,在巡檢車上安裝激光雷達、全景相機,獲取橋面及以上結構圖像數據;W——聞,在巡檢車上安裝聲音傳感器,采集巡檢車過橋的聲音時空數據;W——問,橋梁日常運營維護及大事件記錄管理數據庫;Q——切,在車軸上安裝振動傳感器,采集巡檢車過橋的振動信號時空數據;G——調控荷載,對巡檢車采用空載-重載或常振-強振調控對比荷載,以期及時診斷橋梁結構的安全狀態。WWWQ-G橋梁安全巡檢車克服了人工巡檢片面、主觀且無量化數據的缺陷,顯著提高了巡檢結論的科學性和準確性。并且,一輛車即可完成轄區內成百上千座橋梁的巡檢,可節省約80%橋梁巡檢人力成本。

具體檢測步驟如下:

Step 1安裝攝像頭、傳感器(圖7)。用WWWQ-G橋梁安全巡檢車對橋梁狀態進行全面量化的數據采集。

圖7 WWWQ-G橋梁安全巡檢車Fig. 7 WWWQ-G bridge safety inspection vehicle

Step 2基于歷次橋梁WWWQ-G巡檢數據,結合AI技術進行對比分析,可相對準確地診斷橋梁結構當前的安全狀態。

筆者團隊采用安裝了聲音和振動傳感器的模型小車對室內模型橋梁進行結構狀態檢測試驗〔圖8(a)〕,筆者在室外道路上開展試驗以進行原理驗證〔圖8(b)〕[29-32]。

圖8 WWWQ-G橋梁安全巡檢車的試驗研究Fig. 8 Experimental study of WWWQ-G bridge safety inspection vehicle

2018年5月—2019年6月,團隊使用自主研發的車載相機WWWQ-G橋梁安全巡檢車對重慶市北碚區文星灣大橋進行每月一次的安全巡檢。巡檢車以20 km/h時速在橋上行駛并連續拍攝橋面照片,經對橋面數字圖像進行系列分析處理后,獲得橋面空間幾何形態的三維數字重構(圖9),通過對歷次數字化橋面空間幾何形態進行疊差分析,得到了橋面形態全息時空變化數據。相較于常規人工巡檢,WWWQ-G橋梁安全巡檢車獲得的檢測結果精度更高。

圖9 WWWQ-G橋梁安全巡檢車在文星灣大橋監測中的應用Fig. 9 Application of WWWQ-G bridge safety inspection vehicle in monitoring Wenxingwan Bridge

2.3 常規跨徑橋梁的安全監測系統

針對現有常規跨徑橋梁安全監測的不足,筆者團隊研發了主梁全息變形監測系統[33]、墩-梁連接狀態監測系統[34]、橋面偏載監視與預警引導系統[35]。目前,這3種監測系統正在深圳市福龍路香環立交橋和深圳市愛國路高架橋局部區段進行安裝調試和試點應用。

2.3.1 主梁全息變形監測系統

針對量大面廣的常規跨徑橋梁安全監測,團隊研發了用普通攝像頭對橋梁上多個標靶點動靜位移進行精準監測的系統。圖10為在實驗室內對距攝像頭10～35 m的懸索橋模型多個標靶點的動靜位移開展監測試驗及所獲得的較高精度的監測結果。圖11為采用橋墩攝像頭監測斜對主梁輪廓線全息動靜形態變化。

圖10 基于普通攝像頭的懸索橋模型安全監測試驗Fig. 10 Safety monitoring experiment of suspension bridge model based on ordinary camera

圖11 橋墩攝像頭監測主梁Fig. 11 Pier camera monitoring the main beam

2.3.2 墩-梁連接狀態監測系統

圖12為常規跨徑簡支梁橋墩-梁連接處位移監測原理示意,由圖可見主梁受彎失效、橋墩偏壓變形、基礎超限沉降等均可在墩-梁連接部位的相對變位中得到明確的反映。

圖12 墩-梁位移監測原理Fig. 12 Principle of pier-beam displacement monitoring

為此,筆者在墩頂上方主梁外伸翼緣安置攝像頭,從機器視覺來監測簡支主梁與橋墩連接相對位移。同時,在實驗室內開展了簡支T形梁橋墩-梁連接足尺模型(圖13)的多種墩-梁相對變位監測的試驗研究。

圖13 墩-梁結合部位模型Fig. 13 Model of pier-beam joint

2.3.3 橋面偏載監視與預警引導系統

為避免含寬橋面窄支承梁橋的獨柱墩橋梁在嚴重超偏載下發生無預兆的瞬間側翻事故,從源頭上杜絕橋梁上多輛重車超偏載情況的發生,筆者提出了一種寬橋面窄支承梁橋防側翻及突發障礙的監視與預警引導系統。通過攝像頭獲取車輛在橋面上行駛的位置信息,智能識別侵入橋面設定偏載預警區內的大貨車數量,當設定偏載預警區內大貨車數量超過安全閾值時,設置在橋面兩側的聲光報警器即發生報警并語音提示引導大貨車迅速駛離重車偏載預警區回歸正道,如圖14。同時,該系統還可依據監控視頻信息對橋上故障停車及車輛掉落異物等情況進行橋面突發異常狀態識別,通過設置在橋面兩側聲光報警器對橋上車輛提出相應的引導行駛路線。

圖14 橋面偏載監視與預警引導系統Fig. 14 Bridge bias load monitoring and early warning guidance system

2.4 拉索性態遠距全域視頻檢測系統

為了更經濟便捷地檢(監)測大型斜拉橋拉索狀態,有效解決纜索承重橋梁非接觸視覺測量的測試精度低、視域范圍窄及結構關鍵性能信息缺失的技術難題,杜鵬[36]、簡傳熠[37]、邵帥[38]開展了基于遠距離機器視覺的橋梁拉索動靜形態與力學性態的關聯機制研究,提出了融合全視域-多視域數字圖像的監測方法,解析了定點旋轉測量裝置獲取的大型橋梁影像序列的時空關聯信息及時空序列圖像特性,實現了復雜場景下監測結構模糊形態學信息的強化與冗余信息的弱化,根據可視化大規模全息形態特征參數及信號特性,提出了表征拉索損傷狀態的信號統計平穩性指標和動力學響應指標,明晰了拉索全息形態特征參數與損傷狀態特性間的關聯機制,并開展了室內模型拉索全息形態特征參數測試試驗研究(圖15)。

圖15 室內模型拉索全息形態特征參數測試試驗Fig. 15 Experiment on testing holographic morphological characteristic parameters of indoor model bracing cable

筆者團隊對某一模型拉索進行了試驗及有限元分析。圖16為基于視頻分析獲得的1束七絲鋼絞線(在某處切斷1絲)動力學響應指標(CDR-i) 沿長度方向的有限元分析結果?？梢?鋼絞線局部損傷部位CDR-i存在明顯的異常表現〔圖15(c)〕,而其余全長均無明顯差異,表明全息監測能夠實現結構局部損傷識別。

圖16 模型索損傷識別分析Fig. 16 Model cable damage identification analysis

拉索性態遠距全域視頻檢測系統在李家沱大橋索力測試中的應用(圖17)驗證了該系統的實用性。

圖17 拉索性態遠距全域視頻檢測系統用于李家沱大橋索力測試Fig. 17 Application of a long-range, global video inspection system for tension cable state behavior in Lijiatuo Bridge cable tension test

3 結 語

基于中醫望、聞、問、切的診治方法,提出了橋梁面相學理論,詳細闡述了橋梁面相學理論基礎,總結了基于橋梁面相學理論研究開發的幾種檢(監)測系統,介紹了各檢(監)測系統在實橋中的應用案例。檢(監)測系統包括:

1)橋梁動靜影像全息性態監測系統,一種全息、經濟、方便且準確獲取橋梁結構形態數據的數字圖像監測方法。憑借視場非固定、視距可調節等特點,實現了對結構全息動力形態特征參數的可視化提取,拓寬了監測系統的視覺感知能力,將常規結構動力特性模型分析轉變為基于機器視覺的特性可視化分析。

2)WWWQ-G橋梁安全巡檢車,基于機器視覺、機器聽/嗅覺、運維記錄及機器感覺來獲得橋梁結構的WWWQ數據,通過軟件和硬件對原始數據噪聲進行剔除,最終實現對橋梁損傷的量化分析。

3)常規跨徑橋梁的安全監測新系統,以主梁、墩-梁、橋面為監測目標,利用布設的攝像頭獲取不同車輛荷載過橋的圖像數據,通過對目標結構相對變位進行量化分析,并對比現有變形數據,最終實現對結構部件連接狀態的預警。

4)拉索性態遠距全域視頻檢測系統,利用全視域-多視域拉索形態時空序列數據與拉索力學性態特征的關聯機制,對拉索性態監測數據進行基于全息形態特征參數的拉索狀態多參數融合識別,實現了各種因素影響下物理引導與數據驅動的拉索數字孿生與損傷的系統測量誤差的識別。