基于光學檢測方法的斜拉橋模型試驗與有限元分析

張玥 賈會明

【摘 要】本文將數(shù)字散斑相關方法、數(shù)字圖像識別技術與有限元分析方法相結合，用于針對某斜拉橋結構模型的位移與裂紋進行檢測。在試驗過程中，采用人工制斑技術分別針對結構模型的索孔、固定端兩處位置噴制散斑，利用本文編制的測量程序進行橋梁位移值的計算，將其作為已知邊界條件施加在有限元模型上，獲得橋梁結構的位移值、應力值與應變值，并基于數(shù)字圖像識別技術進行橋梁微小缺陷檢測。試驗結果表明，上述光學檢測方法可有效節(jié)約建模與計算時長、提高計算精度，在橋梁檢測中具備良好的應用價值。

【關鍵詞】橋梁檢測;數(shù)字圖像;數(shù)字散斑;有限元分析

Abstract： This paper combines digital speckle correlation method， digital image recognition technology and finite element analysis method to detect displacement and crack of a cable-stayed bridge structure model. In the course of the experiment， the displacement value， the stress value and the strain value of the bridge structure are obtained by using the manual spot making technique to spray the speckle at the two positions of the cable hole and the fixed end of the structure model. The experimental results show that the above optical detection method can effectively save the modeling and calculation time， improve the calculation accuracy， and has good application value in bridge detection.

Keywords： Bridge Detection; Digital Image; Digital Speckle; Finite Element Analysis

引言

在橋梁結構檢測中，變形、位移量通常是判斷橋梁結構質量的關鍵指標，以往采用接觸式測量方法時無法有效保障測量精度，運用應變片測量應變值時也易受到測量面積、測量場所等條件的干擾，因此對于非接觸式光學測量技術的研發(fā)與應用提出了更高的要求。本文采用的數(shù)字圖像處理技術是一種新的光學測量技術，具有光路簡單、表面處理技術簡便、適用范圍廣等優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)全場非接觸性、無損測試，將其應用于橋梁檢測中可獲取到更加精確的位移、應力與應變值，并且實現(xiàn)對橋梁微小缺陷的精確識別，能夠有效提升橋梁檢測質量。

1光學檢測的基本原理與相關檢測方法分析

1.1數(shù)字散斑原理

數(shù)字散斑相關方法是指依據(jù)變形前后物體表面隨機分布的散斑場的統(tǒng)計相關性，確定物體的變形量。具體來說，需分別采集物體變形前、后的兩幅數(shù)字散斑圖，選取變形前數(shù)字散斑圖中的一小塊圖像作為樣本子區(qū)，則變形后的數(shù)字散斑圖中與樣本子區(qū)對應的圖像區(qū)域即定義為目標子區(qū)，通過確定二者間的對應關系即可完成變形量的提取，其變形量主要由位移分量、應變分量兩部分組成。在統(tǒng)計相關量計算時需建立一個數(shù)學標準，用于判斷目標圖像與樣本圖像中的子區(qū)是否對應，配合搜索算法完成位移、形變的求解[1]。在將數(shù)字散斑相關方法應用于實際測量中時，需利用攝像機記錄散斑圖，經(jīng)由A/D轉換器將散斑圖轉換為數(shù)字圖像，并以圖像數(shù)據(jù)文件的形式進行存儲，通過數(shù)字相關方法運算求解出變形體的表面位移與應變。

1.2數(shù)字圖像識別技術

1.2.1橋梁裂紋的圖像特征分析

采用數(shù)字圖像識別技術進行橋梁裂紋圖像特征分析，從中可以發(fā)現(xiàn)，橋梁裂紋的寬度通常為一個較小的物理量，在采集到的圖像中裂紋與背景的對比度往往較小，且易受噪聲干擾的影響，為實現(xiàn)對較小物理量的非接觸性測量并且保障測量結果的準確度，需針對橋梁裂紋圖像進行綜合處理，保障獲取到的裂紋尺寸的可靠性[2]。

1.2.2橋梁裂紋的圖像識別方法

首先是邊緣檢測，主要依據(jù)不同特征區(qū)域的灰度變化檢測圖像發(fā)生特性變化的具體位置，利用灰度值一階導數(shù)的極大值代表邊界點的強度，將圖像f中的任意一點灰度值梯度設為G（x，y），其計算公式為：

其次是圖像分割，主要指提取出圖像中的邊緣、區(qū)域等有意義的特征部分，以此實現(xiàn)對圖像的分割處理。本文采用Canny算子進行圖像邊緣檢測，經(jīng)由迭代求解出閾值，從背景圖像中提取出裂紋信息，完成圖像的分割處理。

再次是圖像增強，選取g（x，y）作為增強處理后的圖像灰度值梯度，其數(shù)值等同于T[G（x，y）]，其中T的定義域在（x，y）上。倘若需使圖像低端、高端的灰度值保持不變，需將中間灰度值由s1到s2拉伸至t1到t2，借此實現(xiàn)對裂紋信息的有效增強。

最后是裂紋寬度、長度等幾何信息的獲取，依據(jù)裂紋的起始點、終點坐標即可計算出裂紋的長度;寬度計算時，可做出裂紋的法線，與裂紋邊緣存在M、N兩交點，其距離即為裂紋寬度，計算公式為：

1.3電阻應變測量方法

電阻應變測量方法主要以電阻應變片作為傳感元件，選取被測試件表面一指定點，將其應變轉化為電壓或電流變化并進行放大處理。該檢測方法在測量位移、應變中得到廣泛應用，其優(yōu)勢在于具備較高的靈敏度與精確度，分辨率達到一個微應變，其測量結果以電信號的形式呈現(xiàn)，可提高數(shù)據(jù)處理便捷度、實現(xiàn)自動化測量;但其缺陷在于試驗裝置與流程較為繁瑣，無法獲取試件整體應力分布狀況，僅能測得應變片絲柵面積上的平均應變，適用范圍較為狹窄。

2數(shù)字圖像處理技術與有限元方法在橋梁檢測中的具體應用

鑒于當前數(shù)字散斑相關方法已在結構位移測量領域得到廣泛應用，但尚且無法滿足應變測量要求，本文擬將數(shù)字圖像處理技術與有限元方法進行有機結合，將其運用于某斜拉橋結構模型中開展橋梁檢測的試驗研究。在試驗過程中，分別選取模型的固定端、斜索索孔位置噴制散斑，在橋梁模型承載條件下采集散斑圖，并利用應變儀輔助完成檢測。利用編制的軟件進行位移值的計算，并將其作為邊界條件施加在有限元模型上計算出位移值、應力值與應變值，用于在較短時間內建立模型、完成相應數(shù)值計算，判斷橋梁結構是否符合設計規(guī)范，從而為橋梁檢測工作提供一種便捷的新方法。

2.1數(shù)字散斑相關方法測量系統(tǒng)設計

2.1.1人工制斑技術

在人工散斑制作時，選取白、黑兩種顏色的漆分別噴涂在試件表面構成白、黑兩色斑點，使后一次噴涂上的斑點與前一次噴上的斑點實現(xiàn)有效重疊，形成高質量散斑圖，利用噴頭與試件距離調節(jié)斑點大小，借此提高計算精度。

2.1.2硬件系統(tǒng)設計

數(shù)字散斑測量系統(tǒng)的硬件結構主要由以下五部分組成：其一是計算機，選取P4C1.2G微型計算機作為控制中心，其內存為512M，用于實現(xiàn)圖像的高速采集;其二是圖像采集卡，用于實現(xiàn)圖像的數(shù)字化轉換;其三是CCD攝像機，用于將圖像轉化為CCD電荷信號，生成完整的視頻信號;其五是放大鏡頭，選取組合變焦鏡頭實現(xiàn)視場大小的便捷調節(jié)[3]。

2.1.3軟件系統(tǒng)設計

選取Borland C++ Builder6.0作為軟件開發(fā)工具，在Windows XP環(huán)境下運行，軟件系統(tǒng)的位移測量模塊主要由圖像采集、像素標定、位移計算等部分組成。在軟件系統(tǒng)中位移測量部分的程序設計上，分別讀入第一幅計算用圖像文件、第二幅計算用圖像文件——針對內存中未經(jīng)處理的兩幅圖像進行預處理，包括灰度化、去噪、銳化——針對內存中處理后的兩幅圖像進行屏幕顯示——生成相關分析結果：各點原始中心位置，偏移后中心點位置，n個位置偏移量n個相關系數(shù)。

2.1.4試驗過程分析

采用數(shù)字散斑相關方法完成試件在不同變形狀態(tài)下的兩幅圖像的采集與數(shù)字化處理，獲取面內位移分量與位移梯度[4]。具體來說，需先在試件表面制作人工散斑，采集試件變形前的圖像作為參考圖像，選取試件變形后的圖像作為目標圖像，利用軟件進行處理獲取試件的變形信息。鑒于采用數(shù)字散斑相關方法獲取到的位移信息主要以像素值的形式存在，因此在試驗前可先利用坐標紙貼在試件表面完成標定處理，隨后測量兩已知直線間的像素數(shù)，即可依據(jù)距離獲得放大倍數(shù)，滿足測量精度要求。

2.2基于工程實例的橋梁模型試驗

結構試驗的目標是以試驗的實物或模型為參照，利用多種測量儀器設備、試驗技術手段，在荷載與其他因素的作用下進行結構性能參數(shù)的測量，圍繞強度、剛度、抗裂性等層面實現(xiàn)對結構工作性能、承載能力的判斷，確定結構是否滿足使用要求。通過依托工程實例開展橋梁模型試驗，能夠為復雜橋跨結構的受力狀態(tài)研究提供參考，既可以針對設計理論進行驗證，也能夠用于確定復雜結構的局部受力狀態(tài)。

2.2.1工程概況

以某市一斜拉橋為例，該橋梁坐落于某快速軌道交通線上，橋梁主橋結構為獨塔無背索斜拉橋，跨徑布置為31m+44m+130m，其中31m+44m為斜橋塔范圍，130m為主跨范圍;主梁寬度為11.6m，采用單箱單室預應力混凝土結構，斜索錨固在主梁懸臂端，利用預應力鋼束構成的拉桿將斜索作用傳遞至主箱室處;在主梁斜索間各設有3.25m的兩道T型結構撐梁，在主箱室內部設有尺寸為75cm×20cm的橫隔板。該橋的立面布置與橋面系布置情況如圖1、圖2所示。

2.2.2結構模型設計

其一是幾何相似，需確保橋梁結構模型與橋梁真實結構滿足幾何相似原則，利用長度相似常數(shù)代表模型比例，本文建立的結構模型與原橋梁結構的長度相似常數(shù)SL=1：50。其二是力學相似，要求橋梁結構模型與真實結構在各對應點所受的荷載大小成比例、方向保持一致，其集中荷載相似常數(shù)Sp=Sl2·Sσ。其三是物理相似，要求橋梁結構模型與真實結構在各對應點間的應力、應變與變形關系保持相似性，本文建立的橋梁結構模型與真實橋梁結構的應變比S?=1，彈性模量比SE1=8.4849×10-2，其中實際橋梁C60混凝土的EC=36.0GPa，有機玻璃試件的E=3.097GPa。

2.3試驗方法與結果分析

2.3.1試驗方法

首先選用電測法進行橋梁應力、應變的測量，選取BE350-2BB型電阻應變片配合YJ-22型靜態(tài)電阻應變測量處理儀作為試驗設備，在索孔、固定端附近均采用半橋輸出方式，將溫度補償片粘貼在與模型相同且不受力的材料處進行溫度補償。隨后選用數(shù)字散斑相關方法采集圖像，選取橋梁的C18索孔、固定端兩處噴涂散斑，針對其位移數(shù)值進行計算，并采用CCD攝像機進行圖像采集;在固定端采用分布荷載，選取沙袋平鋪在主梁平面處，在僅施加索力的情況下采集索孔位置的散斑圖，配合應變儀測量索力值變化情況。最后采用數(shù)字圖像識別技術進行橋梁含裂紋下腹板的檢測，選用相機型號為尼康D300。

2.3.2試驗結果

采用數(shù)字散斑相關方法測量系統(tǒng)針對該橋梁結構模型的C18索孔與固定端兩個位置的散斑圖進行計算，分別獲取C18索孔上下、左右位置的像素位移值（如圖3、圖4所示）與固定端上下、左右位置的像素位移值（如圖5、圖6所示）。

采用圖像增強技術與Canny邊緣檢測將獲取的裂紋圖像進行分割處理，測得裂紋寬度為0.24mm，將其與顯微鏡實測數(shù)值0.245mm相比較，可得出誤差為2%，證明該圖像識別技術可實現(xiàn)橋梁微小缺陷的有效識別，在線檢測速度較快、檢測成本較低、測量結果精度較高，在橋梁裂紋檢測中具備良好的應用價值[5]。

2.4有限元計算結果

將上文獲取到的C18索孔與固定端四個邊上的位移值加載到有限元模型上，以此作為已知位移邊界條件，選用PLANE42進行有限元計算，分別得到C18索孔、固定端X向的位移值、應力圖與應變圖（如圖7-圖12所示）。

結合上述圖片可分別計算得出橋梁索孔處沿橋向應力值與應變值（如表1所示）、橋梁固定端處沿橋向應力值與應變值（如表2所示）。由此可見，將運用數(shù)字散斑相關方法計算得出的位移值施加在有限元模型上，以此作為已知邊界條件，其計算得出的應力值均未超過結構設計值、符合結構設計規(guī)范，并且利用ANSYS計算出的應變值為某一節(jié)點處的最大值475με，而利用電測法計算出的應變值為平均值303με，因此將數(shù)字散斑相關方法與有限元方法相結合計算出的應變值相較于應變儀測量出的應變值精度更高，可有效節(jié)約建模時間與計算時間，具備良好的應用價值。

3結論

本文選取數(shù)字圖像處理技術進行橋梁位移、裂紋的檢測，配合有限元方法開展復雜橋梁模型試驗。試驗測試結果表明，采用該方法測得的橋梁結構模型的索孔處最大應力為1.636MPa、轉化為實橋為19.027MPa，固定端最大應力為1.784MPa、轉化為實橋為20.748MPa，計算結果符合橋梁結構設計規(guī)范，證明該橋梁測試結果合格。利用兩種方法測得的索孔、固定端兩處的最大應變值分別為475με和526με，而采用傳統(tǒng)應變儀測得的索孔、固定端兩處的平均應變值分別為303με和101με。在采用數(shù)字圖像識別技術測得的橋梁裂紋寬度為0.24mm，與實測結果的誤差僅為2%，可實現(xiàn)對橋梁微小缺陷的有效識別。由此證明，本文采用的測量方法測得結果的精度更高，在橋梁位移與裂紋檢測中具備良好的應用價值。

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（作者單位：1.內蒙古科技大學;2.陜西建大工程技術檢測中心有限公司）