索承橋上部結(jié)構(gòu)新型全視角檢測裝備研究

宋金博

摘要：為了準(zhǔn)確檢測斜拉橋、懸索橋等索承橋的上部主要承重結(jié)構(gòu)斜拉索、吊桿的硬化開裂現(xiàn)象，在總結(jié)國內(nèi)外檢測方法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了一種索承橋上部結(jié)構(gòu)新型全視角檢測裝備，并探討了其設(shè)計(jì)思路、工作流程和圖像分析方法。分析認(rèn)為該裝備可以快速評判纜索外部損傷缺陷，確保高空檢測的準(zhǔn)確性及安全性，同時具有質(zhì)量輕、安裝簡易、智能化程度高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測；全視角檢測；CCD相機(jī)；橋梁管理系統(tǒng)

中圖分類號：U446.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on New Allround Detection Equipment for Upper Structure of Cable Bridge

SONG Jinbo

（Test and Training Center， Jiangxi Vocational and Technical College of Transportation， Nanchang 330013， Jiangxi， China）

Abstract： In order to accurately detect the hardening and cracking phenomenon of the main bearing structures， including the cables and suspended rods of the upper of cablestayed bridge and suspension bridge， a new type of allround detection equipment for upper structure of cable bridge was introduced on the basis of summarizing the research status of detection methods at home and abroad， and its design ideas， work flow and image analysis method were discussed. It is concluded that the equipment can quickly evaluate the external damage of the cable， ensure the accuracy and safety of the high altitude detection， and has the characteristics of light weight， simple installation and high intelligence.

Key words： bridge detection； allround detection； CCD camera； bridge management system

0引言

橋梁建設(shè)需要投入巨大的財(cái)力、人力與物力，在目前社會對經(jīng)濟(jì)效益日益重視的形勢下，人們對橋梁的各種性能也提出了更高的要求。因此，一些新型的橋梁被設(shè)計(jì)出來，如斜拉橋和鋼索橋等。這些橋梁造型美觀、抗震能力強(qiáng)等特性明顯，越來越多地出現(xiàn)在大江大河上；但在運(yùn)營使用過程中，其纜索結(jié)構(gòu)安全與否，對橋梁的使用壽命與經(jīng)濟(jì)效益有顯著的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，目前中國有很多橋梁開始出現(xiàn)一些安全性問題，因此對其耐久性和安全性進(jìn)行檢測很有必要；不過由于缺乏科學(xué)的橋梁檢測裝備、技術(shù)和養(yǎng)護(hù)方法，有些橋梁的隱患未被及時發(fā)現(xiàn)或處治，致使橋毀人亡的事件時有發(fā)生，造成了不同程度的財(cái)產(chǎn)與其他方面損失[15]。

很多新型橋梁的主要受力構(gòu)件為纜索（吊桿），這類構(gòu)件的技術(shù)含量較高，因而造價非常昂貴，在橋梁總造價中的比例超過30%。懸索橋的纜索長期暴露在空氣中，且受到外界環(huán)境的長期腐蝕，其表面的聚乙烯護(hù)套可能會產(chǎn)生一定的硬化和開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部的鋼絲出現(xiàn)銹斑、斷絲[611]。目前有許多斜拉橋和懸索橋都出現(xiàn)過與銹蝕相關(guān)的事故，因此需要定期對斜拉索進(jìn)行檢測與維護(hù)。

1現(xiàn)有檢測方法及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1現(xiàn)有檢測方法

目前對于拉索（吊桿）外觀缺陷的檢測主要通過人工方法進(jìn)行。在進(jìn)行檢測時需要檢測人員上到拉索頂端，檢測效率較低，精確度不高，而危險性較高。人工檢測過程中可能出現(xiàn)如下情況：其一，已經(jīng)存在安全隱患的拉索并沒有被檢測出來，從而沒有及時維護(hù)，可能導(dǎo)致橋梁倒塌；其二，低估了拉索的質(zhì)量，在沒有到使用期限的情況下更換拉索，這樣會造成一定的浪費(fèi)?，F(xiàn)有檢測方法常常要動用檢測車及大型起重吊裝設(shè)備，需要全封閉或半封閉道路，嚴(yán)重阻礙交通，不適應(yīng)現(xiàn)代橋梁養(yǎng)護(hù)管理的需求[1215]。在相關(guān)環(huán)境和客觀條件的限制下，現(xiàn)有檢測方法只能對拉索中有代表性的部分進(jìn)行檢測，因而結(jié)果有一定的局限性，很難全面客觀地反映橋梁的質(zhì)量情況。雖然目前有一些橋梁纜索檢測機(jī)器人被研發(fā)出來并用于橋梁檢測，但由于自重大、智能化程度不高、使用不方便等原因，并沒有在行業(yè)內(nèi)普及?，F(xiàn)行的橋梁管養(yǎng)及檢測方法難以應(yīng)用于橋梁的經(jīng)常性檢查，更難以達(dá)到橋梁日常檢測的規(guī)范要求，如圖1～4所示。因此，有必要設(shè)計(jì)一種快速、高效、準(zhǔn)確的橋梁檢測裝備，更好地對橋梁進(jìn)行檢測，并盡可能降低對交通的影響。

1.2國內(nèi)外檢測裝備研究現(xiàn)狀

已有研究學(xué)者提出采用纜索攀爬自動檢測裝置來檢測橋梁纜索質(zhì)量，這種方法綜合利用了自動化和智能化處理技術(shù)，可以高效精確地檢測斜拉橋纜索質(zhì)量，并降低檢測難度以及人工檢測的危險性。

在國內(nèi)，上海交通大學(xué)的呂恬生設(shè)計(jì)了電動連續(xù)式纜索維護(hù)機(jī)器人（圖5）和氣動纜索機(jī)器人（圖6）；以徐豐羽為首的研發(fā)團(tuán)隊(duì)則設(shè)計(jì)出一種輪式拉索檢測機(jī)器人（圖7）；王亞斌等人設(shè)計(jì)了三邊輪式拉索檢測機(jī)器人（圖8）；海丹研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出正六邊形拉索檢測設(shè)備，并在實(shí)際檢測中表現(xiàn)出較好的效果；余朝陽則在王亞斌的設(shè)計(jì)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了雙邊輪式拉索檢測設(shè)備。endprint

國外學(xué)者也設(shè)計(jì)出了各種用途的機(jī)器人，如Pradip博士設(shè)計(jì)出一種用于路燈燈桿表面無損檢測的自動化設(shè)備；馬來西亞理工大學(xué)的Zaidi Mohd.Ripin等研制了氣動式蠕動爬樹機(jī)器人；韓國成均館大學(xué)的Ho Moon Kim等研究設(shè)計(jì)了一種六輪式橋梁拉索檢測機(jī)器人。以上設(shè)備均因成本巨大多處在試驗(yàn)階段，因此難以適應(yīng)橋梁檢測市場。

一些發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代就開始投入大量的人力、物力進(jìn)行拉索檢測方法的研究。為了更好地對路面質(zhì)量情況進(jìn)行監(jiān)控，這些國家設(shè)計(jì)出路面損壞圖像計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到實(shí)際路面檢測中。這類系統(tǒng)可以自動實(shí)時對裂縫進(jìn)行分析，并依據(jù)裂縫的方向來對路面的裂縫進(jìn)行分類，例如將其劃分為縱向裂縫、橫向裂縫、龜裂等，為分類處理提供了便利，并建立起裂縫圖像數(shù)據(jù)庫[1619]。

以上設(shè)備均因成本高而未在橋梁檢測及管理養(yǎng)護(hù)中得到很好的應(yīng)用。因此，有必要研制一種方便快捷、成本低廉的拉索快速檢測裝備，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)對橋梁纜索（吊桿）進(jìn)行快速檢測及評價，并形成橋梁健康安全檔案，以適應(yīng)國內(nèi)外新型橋梁養(yǎng)護(hù)及管理的需要。

2橋梁上部結(jié)構(gòu)新型全視角檢測裝備

2.1裝備整體設(shè)計(jì)思路

本裝備集機(jī)械構(gòu)造、機(jī)電設(shè)備、電子通訊、無線傳輸、自動控制、纜索結(jié)構(gòu)評定及修復(fù)等功能于一體，技術(shù)含量高，創(chuàng)新性強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)了全時四驅(qū)、爬升返回、自動導(dǎo)航、定向定位，確保了高空檢測的準(zhǔn)確性及安全性；搭載了高分辨率數(shù)字式攝像頭、纜索檢測系統(tǒng)，可評判纜索外部損傷缺陷，還可同時搭載纜索自動纏包系統(tǒng)、纜索外觀缺陷修補(bǔ)系統(tǒng)等，成為纜索結(jié)構(gòu)檢測、評估、維修一體化的安全維護(hù)平臺；具有重量輕、安裝簡易、智能化程度高等特點(diǎn)，能夠更好地維護(hù)橋梁安全。該新型全視角檢測裝可為纜索體系的結(jié)構(gòu)安全性評估提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，其設(shè)計(jì)思路如圖9所示。

2.2裝備工作流程

橋梁上部結(jié)構(gòu)全視角檢測裝置在工作過程中，履帶輪機(jī)構(gòu)能夠帶動檢測裝置本體爬升、下降或懸停，通過卡扣和彈簧桿可調(diào)整適應(yīng)不同粗細(xì)的斜拉索，CCD圖像采集裝備能夠?qū)⒗魉闹艿耐暾麍D像采集到控制裝置中，進(jìn)行合成、處理和缺陷識別?？刂蒲b置內(nèi)置DSP芯片，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲，并將數(shù)據(jù)通過通信裝置發(fā)送到操作人員的移動端，便于實(shí)時了解和操作。

本裝備包括檢測裝置本體、檢測支撐架、爬行機(jī)構(gòu)、氣彈簧、電機(jī)、圖像采集裝置、卡扣盤、底盤和控制裝置，工作時檢測裝置安裝在拉索上，如圖10、11所示。檢測裝置本體包括檢測支撐架、爬行機(jī)構(gòu)、電機(jī)、圖像采集裝置、控制裝置。檢測支撐架套在拉索外部，其內(nèi)壁安裝有爬行機(jī)構(gòu)，爬行機(jī)構(gòu)側(cè)面連接電機(jī)；檢測支撐架底部安裝有底盤，底盤上設(shè)有若干個氣彈簧以及控制裝置、光電編碼器、通信裝置；檢測支撐架上部安裝有若干個圖像采集裝置，圖像采集裝置與控制裝置電連接。爬行機(jī)構(gòu)包括3個履帶輪機(jī)構(gòu)，履帶輪機(jī)構(gòu)沿著拉索中心圓周均勻分布，爬行機(jī)構(gòu)通過連接桿與檢測支撐架鉸接連接。檢測支撐架上面安裝有滑動塊，可以上下滑動，并帶動彈簧桿運(yùn)動，彈簧桿端部與滑動塊鉸接，滑動塊與氣彈簧（3個）頂部連接。采用4個CCD圖像采集裝置并使其在同一平面上均勻分布。通信裝置為無線通信或藍(lán)牙通信裝置，通信裝置、光電編碼器均與控制裝置連接。底盤底部設(shè)有卡扣盤，卡扣盤上設(shè)有卡扣。

2.3圖像采集與分析算法

本系統(tǒng)在進(jìn)行圖像信號采集與分析時，主要用到了邊緣檢測算子Prewitt。利用這種算法分析時，方法和使用Sobel算子一樣，也就是對圖像中的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積處理，然后確定出最大值作為輸出。最后在此基礎(chǔ)上生成邊緣強(qiáng)度圖像。

先找出原圖存儲區(qū)域的地址，依據(jù)原圖占據(jù)空間設(shè)置出2個圖像存儲區(qū)域，對原圖進(jìn)行復(fù)制處理后保存到這2個區(qū)域中；接著通過Templat模板函數(shù)來卷積處理二者中的圖像；對2個緩存圖像中的各像素如此循環(huán)處理，選出其中像素灰度值較大者；最后將所得的圖像復(fù)制到原圖數(shù)據(jù)區(qū)，如圖12所示。

3結(jié)語

中國目前擁有各種類型的公路橋梁90.46萬座，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要對這些橋梁進(jìn)行定期檢測，以評估這些橋梁的健康狀況和運(yùn)營能力。如果采用本文所述的新型全視角檢測裝備來對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理， 每座橋梁每年可以節(jié)約檢測費(fèi)用約10萬元，以5年為1個橋梁安全管理周期計(jì)算，每周期可以節(jié)約橋梁常規(guī)檢測費(fèi)用約2 973億元，并且每年可以提供近2萬個左右的就業(yè)崗位和100億人民幣左右的稅收，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

各類橋梁正在由建設(shè)階段逐漸轉(zhuǎn)向以維修、養(yǎng)護(hù)為重點(diǎn)的確保公路與橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的階段。大量的橋梁結(jié)構(gòu)尤其是城市道路橋梁由于使用年限、交通量及荷載等級變化、自然因素、超載因素等的影響，已經(jīng)出現(xiàn)損傷和病害。特別是20世紀(jì)90年代后大量修建的城市橋梁，許多已經(jīng)出現(xiàn)了開裂損傷和跨中下?lián)系炔『?，對橋梁的安全運(yùn)營構(gòu)成威脅，急需對橋梁的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測和客觀評定。

在目前城市道路養(yǎng)護(hù)管理中，主要還是以人工定期檢測評定為主，因缺少專業(yè)的設(shè)備與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)往往難以及時發(fā)現(xiàn)病害，也不能實(shí)現(xiàn)及時有效的維護(hù)；而本文所論述的裝備不僅能及時發(fā)現(xiàn)病害并采取有效的處治措施，還能從整個城市道路交通網(wǎng)的宏觀角度來實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控與管理，具有重大現(xiàn)實(shí)意義和社會效益。

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