基于機(jī)器視覺(jué)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(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)橋梁90%以上均為中小跨徑橋梁，其中簡(jiǎn)支T梁橋是最常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一。簡(jiǎn)支T梁橋因其具有施工快捷、預(yù)制方便及受力特點(diǎn)明確等優(yōu)勢(shì)而備受橋梁設(shè)計(jì)師的青睞。簡(jiǎn)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(guò)橋面板和橫隔板形成了一個(gè)整體的空間受力系統(tǒng)，車(chē)輛荷載通過(guò)橋面板、橫隔板等構(gòu)件分配到各片主梁，形成車(chē)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(jiǎn)支T梁橋[1]為例，基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)組合式結(jié)構(gòu)橋梁橫梁連接進(jìn)行剛度損傷分析。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)以計(jì)算機(jī)為載體，通過(guò)計(jì)算機(jī)提取被檢測(cè)對(duì)象圖像中的信息，并進(jìn)行識(shí)別、分析、測(cè)量及檢測(cè)，具有信息量大、速度快的特點(diǎn)。本文以簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)此簡(jiǎn)支T梁橋靜載試驗(yàn)的偏載與中載工況中活載橫向分布規(guī)律進(jìn)行分析，并與有限元計(jì)算值的結(jié)果進(jìn)行比較，證明機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在此類(lèi)橋梁橫梁連接剛度損傷分析中的可行性和準(zhǔn)確性。

1 研究背景

某簡(jiǎn)支T梁橋根據(jù)JTJ 021—89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-20級(jí)，掛車(chē)-100，人群荷載3.0 kN/m2，橋梁全長(zhǎng)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(jiǎn)支T梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Midas Civil有限元軟件建立半幅簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)橋靜載試驗(yàn)中橋梁撓度測(cè)量通常采用全站儀及水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)人工測(cè)量的方法，傳統(tǒng)檢測(cè)手段不但現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)困難，且數(shù)據(jù)影響因素較多，主要存在如下問(wèn)題：監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，影響橋面交通；測(cè)量各片T梁撓度不同步，容易受環(huán)境溫度差的影響；實(shí)驗(yàn)過(guò)程重度依賴(lài)檢測(cè)人員。

本次實(shí)驗(yàn)采用了無(wú)接觸式的測(cè)量方式（機(jī)器視覺(jué)技術(shù)）可以克服現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量存在的困難，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主梁撓度變化，及時(shí)獲取車(chē)載作用下橋梁各目標(biāo)測(cè)點(diǎn)撓度變化情況，進(jìn)行活載橫向分布規(guī)律分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可為全橋整體長(zhǎng)期性變形監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的活載橫向分布規(guī)律分析

2.1 機(jī)器視覺(jué)測(cè)量原理

機(jī)器視覺(jué)利用工業(yè)相機(jī)將空間某點(diǎn)坐標(biāo)記錄在相機(jī)圖像空間坐標(biāo)系中，再利用圖像坐標(biāo)系中參照點(diǎn)的坐標(biāo)反推該點(diǎn)的空間坐標(biāo)。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：假設(shè)待測(cè)點(diǎn)A的空間坐標(biāo)為（X，Y，Z），相機(jī)圖像坐標(biāo)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(jì)誤差）：

式（2）（3）中：f為相機(jī)焦距。

圖像平面坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系間可進(jìn)行如下轉(zhuǎn)化：

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

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

式（6）中：Z為物像距離，在測(cè)量系中是已知的。

因此通過(guò)式（6）即可測(cè)得空間點(diǎn)A的坐標(biāo)。

那么在T0、T+1時(shí)刻，A點(diǎn)的位移變化量為：

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

在上述理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集到的信號(hào)通過(guò)傳輸與轉(zhuǎn)換，最終以數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)給用戶(hù)，數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)耐負(fù)鋱D如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸拓?fù)鋱D

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可快速獲取橋梁目標(biāo)點(diǎn)位在橋梁某荷載作用下的撓度變化情況，為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，對(duì)本橋進(jìn)行實(shí)橋荷載試驗(yàn)[3]。

實(shí)橋荷載試驗(yàn)當(dāng)天天氣為晴，溫度為28℃，現(xiàn)場(chǎng)采用BJJC-C1型機(jī)器視覺(jué)測(cè)量?jī)x，配合BJJC-C3型數(shù)據(jù)箱和BJJC-C2型紅外靶標(biāo)，在某簡(jiǎn)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(yàn)的對(duì)象，第二跨T梁跨中位置的8片梁（半幅）各布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試斷面撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置斷面圖

采用大型載重汽車(chē)進(jìn)行等效荷載試驗(yàn)，加載車(chē)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(gè)工況進(jìn)行加載，實(shí)際布載情況如圖5、圖6所示。

圖4 加載車(chē)型圖（單位：cm）

圖5 偏載工況車(chē)輛布置圖（單位：cm）

圖6 正載工況車(chē)輛布置圖（單位：cm）

采用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量?jī)x對(duì)橋梁偏載工況與正載工況下T梁撓度值進(jìn)行測(cè)量，單片T梁在加載過(guò)程中的撓度時(shí)程曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7 偏載工況下T梁撓度時(shí)程曲線

圖8 正載工況下T梁撓度時(shí)程曲線

2.3 數(shù)據(jù)分析

在正載與偏載工況下，對(duì)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集到的目標(biāo)點(diǎn)位撓度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與有限元計(jì)算值的結(jié)果進(jìn)行比較[4-5]。

結(jié)果如表1、表2所示。

表1 偏載工況橋面實(shí)測(cè)撓度值與理論值對(duì)比分析

表2 正載工況橋面實(shí)測(cè)撓度值與理論值對(duì)比分析

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

圖9 偏載工況橋面實(shí)測(cè)撓度值與理論值對(duì)比圖

圖10 偏載工況下理論與實(shí)測(cè)荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖11 正載工況橋面實(shí)測(cè)撓度值與理論值對(duì)比

圖12 正載工況下理論與實(shí)測(cè)荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

分析上述數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的撓度都小于理論模型的計(jì)算值，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較為吻合，說(shuō)明實(shí)橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)該橋梁實(shí)際剛度與理論剛度基本相等，驗(yàn)證了理論模型與實(shí)際橋梁受力一致。說(shuō)明在實(shí)橋荷載試驗(yàn)中，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的方法準(zhǔn)確，且對(duì)比分析橫向分布系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果，可知該橋的橫向剛度較好，證明了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在此類(lèi)橋梁橫梁連接剛度損傷分析中的可行性和準(zhǔn)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(jì)算是橋梁結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算的重點(diǎn)。本文通過(guò)實(shí)橋靜載試驗(yàn)，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以快速求出簡(jiǎn)支T梁橋的橫向分布系數(shù)實(shí)測(cè)值。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的撓度都小于理論模型的計(jì)算值，且橫向分布系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果較為吻合，說(shuō)明該橋剛度和強(qiáng)度較好，證明了機(jī)器視覺(jué)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(zhǔn)確性和可行性，且通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集到的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可為全橋整體長(zhǎng)期性變形監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。