基于機器視覺技術(shù)的組合式結(jié)構(gòu)橋梁橫梁連接剛度損傷分析

張 瑾，許慧榮

（華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

據(jù)統(tǒng)計，中國橋梁90%以上均為中小跨徑橋梁，其中簡支T梁橋是最常見的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一。簡支T梁橋因其具有施工快捷、預(yù)制方便及受力特點明確等優(yōu)勢而備受橋梁設(shè)計師的青睞。簡支T梁橋的上部是由主梁、橋面板、橫隔板等結(jié)構(gòu)組成。主梁通過橋面板和橫隔板形成了一個整體的空間受力系統(tǒng)，車輛荷載通過橋面板、橫隔板等構(gòu)件分配到各片主梁，形成車輛荷載的橫向傳遞及各片主梁的內(nèi)力分布，而橋梁橫梁連接部位成為該橋型的易損部位。本文以某簡支T梁橋[1]為例，基于機器視覺技術(shù)對組合式結(jié)構(gòu)橋梁橫梁連接進行剛度損傷分析。

機器視覺技術(shù)以計算機為載體，通過計算機提取被檢測對象圖像中的信息，并進行識別、分析、測量及檢測，具有信息量大、速度快的特點。本文以簡支T梁橋為研究對象，基于機器視覺技術(shù)對此簡支T梁橋靜載試驗的偏載與中載工況中活載橫向分布規(guī)律進行分析，并與有限元計算值的結(jié)果進行比較，證明機器視覺技術(shù)在此類橋梁橫梁連接剛度損傷分析中的可行性和準確性。

1 研究背景

某簡支T梁橋根據(jù)JTJ 021—89《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》設(shè)計荷載為汽車-20級，掛車-100，人群荷載3.0 kN/m2，橋梁全長476.0 m，橋梁跨徑組合為9×16.00 m（鋼筋混凝土T梁）+1×5.00 m（鋼筋混凝土現(xiàn)澆板梁）+7×16.00 m（鋼筋混凝土倒T梁）+1×5.00 m（鋼筋混凝土現(xiàn)澆板梁）+13×16.00 m（鋼筋混凝土T梁），橋面總寬24.60 m。

根據(jù)簡支T梁橋的結(jié)構(gòu)特點，利用Midas Civil有限元軟件建立半幅簡支T梁上部結(jié)構(gòu)有限元梁格模型[2]，如圖1所示。

圖1 有限元模型

簡支T梁橋橋梁荷載橫向分布規(guī)律與上部結(jié)構(gòu)各片T梁撓度變化密切相關(guān)，在實橋靜載試驗中橋梁撓度測量通常采用全站儀及水準儀等傳統(tǒng)人工測量的方法，傳統(tǒng)檢測手段不但現(xiàn)場檢測困難，且數(shù)據(jù)影響因素較多，主要存在如下問題：監(jiān)測時間較長，影響橋面交通；測量各片T梁撓度不同步，容易受環(huán)境溫度差的影響；實驗過程重度依賴檢測人員。

本次實驗采用了無接觸式的測量方式（機器視覺技術(shù)）可以克服現(xiàn)場人工測量存在的困難，可實時監(jiān)測主梁撓度變化，及時獲取車載作用下橋梁各目標測點撓度變化情況，進行活載橫向分布規(guī)律分析，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)也可為全橋整體長期性變形監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 基于機器視覺技術(shù)的活載橫向分布規(guī)律分析

2.1 機器視覺測量原理

機器視覺利用工業(yè)相機將空間某點坐標記錄在相機圖像空間坐標系中，再利用圖像坐標系中參照點的坐標反推該點的空間坐標。其實現(xiàn)過程如下：假設(shè)待測點A的空間坐標為（X，Y，Z），相機圖像坐標為（x，y，z），則兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式（1）中：R為三階旋轉(zhuǎn)矩陣；T為三階的平移向量。

從幾何關(guān)系出發(fā)，由小孔成像原理可知（不計誤差）：

式（2）（3）中：f為相機焦距。

圖像平面坐標系與相機坐標系間可進行如下轉(zhuǎn)化：

式（4）（5）中：Nx、Ny為單位距離內(nèi)像素點的數(shù)量；u0、v0為像表點中線坐標。

將式（2）—式（5）代入式（1）中，則圖像坐標與空間坐標的關(guān)系式可以表示為：

式（6）中：Z為物像距離，在測量系中是已知的。

因此通過式（6）即可測得空間點A的坐標。

那么在T0、T+1時刻，A點的位移變化量為：

式（7）中：ΔX、ΔY、ΔZ分別為A點由T0時刻至T+1時刻在X、Y、Z方向的位移量。

在上述理論的基礎(chǔ)上，通過機器視覺技術(shù)采集到的信號通過傳輸與轉(zhuǎn)換，最終以數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)給用戶，數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)耐負鋱D如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸拓撲圖

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

利用機器視覺技術(shù)，可快速獲取橋梁目標點位在橋梁某荷載作用下的撓度變化情況，為了驗證該方法的準確性，對本橋進行實橋荷載試驗[3]。

實橋荷載試驗當天天氣為晴，溫度為28℃，現(xiàn)場采用BJJC-C1型機器視覺測量儀，配合BJJC-C3型數(shù)據(jù)箱和BJJC-C2型紅外靶標，在某簡支T梁橋中選擇病害較多的第二跨T梁作為本次荷載試驗的對象，第二跨T梁跨中位置的8片梁（半幅）各布置8個測點，測試斷面撓度測點布置如圖3所示。

圖3 測點布置斷面圖

采用大型載重汽車進行等效荷載試驗，加載車型如圖4所示。選擇第二跨跨中8#梁最大正彎矩加載（偏載）與第二跨跨中5#梁最大正彎矩加載（正載）2個工況進行加載，實際布載情況如圖5、圖6所示。

圖4 加載車型圖（單位：cm）

圖5 偏載工況車輛布置圖（單位：cm）

圖6 正載工況車輛布置圖（單位：cm）

采用機器視覺測量儀對橋梁偏載工況與正載工況下T梁撓度值進行測量，單片T梁在加載過程中的撓度時程曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7 偏載工況下T梁撓度時程曲線

圖8 正載工況下T梁撓度時程曲線

2.3 數(shù)據(jù)分析

在正載與偏載工況下，對通過機器視覺技術(shù)采集到的目標點位撓度變化數(shù)據(jù)進行處理，與有限元計算值的結(jié)果進行比較[4-5]。

結(jié)果如表1、表2所示。

表1 偏載工況橋面實測撓度值與理論值對比分析

表2 正載工況橋面實測撓度值與理論值對比分析

偏載工況橋面實測撓度值與理論值對比如圖9所示。偏載工況下理論與實測荷載橫向分布系數(shù)對比如圖10所示。正載工況橋面實測撓度值與理論值對比如圖11所示。正載工況下理論與實測荷載橫向分布系數(shù)對比如圖12所示。

圖9 偏載工況橋面實測撓度值與理論值對比圖

圖10 偏載工況下理論與實測荷載橫向分布系數(shù)對比

圖11 正載工況橋面實測撓度值與理論值對比

圖12 正載工況下理論與實測荷載橫向分布系數(shù)對比

分析上述數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場測得的撓度都小于理論模型的計算值，實測結(jié)果與理論計算結(jié)果相比較為吻合，說明實橋荷載試驗檢測該橋梁實際剛度與理論剛度基本相等，驗證了理論模型與實際橋梁受力一致。說明在實橋荷載試驗中，利用機器視覺技術(shù)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的方法準確，且對比分析橫向分布系數(shù)實測結(jié)果與理論計算結(jié)果，可知該橋的橫向剛度較好，證明了機器視覺技術(shù)在此類橋梁橫梁連接剛度損傷分析中的可行性和準確性。

3 結(jié)論

在橋梁工程中，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，橋梁橫梁連接剛度損傷的分析計算是橋梁結(jié)構(gòu)安全驗算的重點。本文通過實橋靜載試驗，采用機器視覺技術(shù)可以快速求出簡支T梁橋的橫向分布系數(shù)實測值。通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場測得的撓度都小于理論模型的計算值，且橫向分布系數(shù)實測結(jié)果與理論計算結(jié)果較為吻合，說明該橋剛度和強度較好，證明了機器視覺技術(shù)在組合式結(jié)構(gòu)橋梁橫梁連接剛度損傷分析中的準確性和可行性，且通過機器視覺技術(shù)采集到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)也可為全橋整體長期性變形監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。