基于視頻融合的橋梁裂縫數(shù)字孿生監(jiān)測實例分析

崔鑫 CUI Xin；戚瑞琨 QI Rui-kun；周子杰 ZHOU Zi-jie

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

截至2022 年底，我國公路總里程535 萬公里左右，其中高速公路17.7 萬公里，形成了以高速公路為骨架、普通干線為脈絡、農(nóng)村公路為基礎的全國公路網(wǎng)，為社會經(jīng)濟的發(fā)展提供了堅實的交通保障。但隨著使用年限的增加，橋梁各部位將出現(xiàn)不同的病害，而裂縫作為最常見的病害之一，其發(fā)展往往會導致混凝土碳化和鋼筋銹蝕，影響橋梁結構的使用壽命[1]。鋼筋混凝土橋梁結構裂縫一般由以下三個方面的因素引起[2][3]：一是外荷載的直接應力或結構次內(nèi)力引起；二是由變形因素引起；三是由耐久性因素引起。

裂縫是混凝土受力性能試驗的關鍵指標，也是橋梁健康檢測的重要內(nèi)容之一。裂縫檢測結果可以直觀地反映混凝土結構的損傷程度，也可以反映出大部分結構病害的早期表現(xiàn)。對于橋梁結構來說，定期的裂縫檢測和裂縫跟蹤監(jiān)測往往能揭示橋梁結構的受力機理，同時也可以評估橋梁的剛度損失和剩余承載力。目前，常用的裂縫監(jiān)測方法有超聲波檢測法、沖擊彈性波法、聲發(fā)射檢測法、攝影檢測法、傳感儀器監(jiān)測、光纖傳感網(wǎng)絡監(jiān)測等[4]。具體的裂縫監(jiān)測常常采用多種監(jiān)測方法相結合的方式。

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字孿生技術逐漸推廣到土木工程領域。該技術是借助運行歷史數(shù)據(jù)、傳感設備更新及有關物理模型等一系列數(shù)據(jù)，將多尺度、多物理量及多學科進行集成仿真的過程，并在虛擬空間中進行映射，以此對與之相對應的現(xiàn)實目標的全生命周期進行反映。數(shù)字孿生技術在城市高架快速路診斷中進行全面應用[5]，可以最大限度地提升城市高架快速路的病害診斷效率及精準性，便于技術人員針對有關病害進行全面的修復施工。

為掌握裂縫開裂的損壞程度，預測其發(fā)展趨勢，對橋梁現(xiàn)狀進行分析，形成評定結論，以指導橋梁養(yǎng)護、加固和維修工作。本文以某五跨預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋為背景工程，結合日常運營期間重車通行狀態(tài)下該橋健康監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)獲得的全過程數(shù)據(jù)，分析視頻數(shù)據(jù)中重車的橋面位置，以及橋梁關鍵結構響應的演化過程，對重車運行狀態(tài)下橋梁的結構狀態(tài)進行綜合評估。

1 工程背景

案例橋梁為一座偏南北走向的五跨預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，跨徑組合為42m+3×65m+42m。該橋上部結構橫斷面為單箱單室整體式箱梁，箱梁底面采用盆式橡膠支座，下部結構橋臺及橋墩均采用重力式橋臺或橋墩。

該橋道路中心線和河道中心線正交。橋面總寬11m，橋面布置為：0.25m 欄桿+0.75m 人行道+9m 機動車道+0.75m 人行道+0.25m 欄桿。機動車道橋面鋪裝采用瀝青混凝土，兩端橋臺處設有梳形鋼板伸縮縫，橋面兩側護欄采用混凝土梁柱式欄桿。橋梁側面照見圖1 所示。

圖1 案例橋梁側面照

考慮結構長期運營下，主梁上部承重構件出現(xiàn)了多條腹板斜裂縫，結合監(jiān)測橋梁自身的特點、病害情況和管理養(yǎng)護需求，對該橋主橋裂縫和結構溫度進行實時在線監(jiān)測。根據(jù)橋梁損傷情況，全橋主梁腹板西側腹板均設置裂縫及結構溫度監(jiān)測測點，其中1#跨監(jiān)測測點布置在跨中西側腹板處，2#跨～4#跨監(jiān)測測點布置在1/4 跨和3/4 跨處西側腹板，5#跨監(jiān)測測點布置在跨中西側腹板處。各測點布置見圖2 所示，測點列表見表1 所示。

表1 測點信息

圖2 測點位置示意圖

2 裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場對主梁裂縫進行實時監(jiān)測，典型主梁裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3 以及表2 所示。

表2 橋梁裂縫寬度&結構溫度測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3 截面測點裂縫寬度&結構溫度數(shù)據(jù)時程曲線

由圖3 中和表2 中數(shù)據(jù)可知，大橋主梁監(jiān)測的主要裂縫，裂縫寬度在車輛和環(huán)境作用下往復開合，最大裂縫寬度瞬時增加量在0.03～0.71mm 之間，最大相對裂縫寬度變化值發(fā)生在2# 跨1/4 跨西側腹板處，裂縫寬度增加0.71mm。全橋裂縫測點裂縫寬度在車輛荷載和短時升溫作用下瞬時增加后，均能回復到基本位置，未出現(xiàn)明顯的趨勢性變化，裂縫寬度變化數(shù)據(jù)未超出預警值。各測點溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)高度吻合，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。結構溫度變化相對穩(wěn)定，均未超出預警值。

3 基于視頻融合的裂縫分析

3.1 裂縫突變數(shù)據(jù)分析

選取代表性的北側第一跨跨中裂縫傳感器（編號CRK1-1），測點位置如圖4 黑圈內(nèi)灰色標記點所示。

圖4 測點位置示意圖

以北側第一跨跨中裂縫傳感器CRK1-1 在某日的監(jiān)測數(shù)據(jù)為分析對象，當日裂縫突變點列表如圖5 所示，突變具體監(jiān)測時間和數(shù)據(jù)如表3 統(tǒng)計所示。

表3 裂縫監(jiān)測突變數(shù)據(jù)列表

圖5 測點某日數(shù)據(jù)監(jiān)測

3.2 數(shù)據(jù)突變原因分析

3.2.1 溫度影響分析

調(diào)取現(xiàn)場溫度傳感器數(shù)據(jù)如圖6 所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明當日溫度變化緩慢，而裂縫突變數(shù)據(jù)突變時間在秒級，與溫度的相關性低。

圖6 測點某日溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2.2 重車影響分析

調(diào)取現(xiàn)場監(jiān)控視頻進行裂縫成因分析，歷史視頻數(shù)據(jù)表明，CRK1-1 在當日監(jiān)測數(shù)據(jù)中的各主要突變處，現(xiàn)場均有重車通過，如圖7 所示。

圖7 南側監(jiān)控視頻重車截圖

由于現(xiàn)場硬件設備授時差異，同步對比了裂縫傳感器裂縫寬度突變時間和視頻傳感器重車出現(xiàn)時間。時間對比表明兩組傳感器的時間偏差在3min 左右。

綜合分析判斷，裂縫寬度的突變是由于現(xiàn)場重車通過造成。目前重車通過時產(chǎn)生的裂縫寬度突變，尚未超過初設預警值0.2mm。短期的裂縫寬度突變和恢復表明結構處于帶裂縫工作狀態(tài)，重車經(jīng)過導致結構裂縫較為明顯地開合。

4 結論

本文以某五跨預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋為背景工程，對主梁裂縫和結構溫度測點數(shù)據(jù)進行分析，并基于視頻融合技術對裂縫突變原因進行分析，研究結論如下：①結構監(jiān)測數(shù)據(jù)總體穩(wěn)定，均未超出預警值。各測點溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)高度吻合，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。全橋裂縫測點裂縫寬度在車輛荷載和短時升溫作用下瞬時增加后，均能回復到基本位置，未出現(xiàn)明顯的趨勢性變化。②短期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，裂縫寬度的突變是由于現(xiàn)場重車通過造成。目前重車通過時產(chǎn)生的裂縫寬度突變，尚未超過初設預警值0.2mm。短期的裂縫寬度突變和恢復表明結構處于帶裂縫工作狀態(tài)，重車經(jīng)過導致結構裂縫較為明顯地開合。③在后期橋梁運營養(yǎng)護過程中，應結合長期監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁的損傷累積進行進一步研判，并應加強對橋梁所在道路重載車輛的管理和限制，避免超限車輛經(jīng)過。④數(shù)字孿生模型在提升橋梁病害監(jiān)測可視化程度的同時，可以有效對橋梁病害進行時空融合分析。視頻和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的同步性分析值得進一步研究。