基于機器視覺技術的組合式結構橋梁橫梁連接剛度損傷分析

張 瑾，許慧榮

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

據統計，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構形式之一。簡支T梁橋因其具有施工快捷、預制方便及受力特點明確等優勢而備受橋梁設計師的青睞。簡支T梁橋的上部是由主梁、橋面板、橫隔板等結構組成。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，車輛荷載通過橋面板、橫隔板等構件分配到各片主梁，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，基于機器視覺技術對組合式結構橋梁橫梁連接進行剛度損傷分析。

機器視覺技術以計算機為載體，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律進行分析，并與有限元計算值的結果進行比較，證明機器視覺技術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JTJ 021—89《公路橋涵設計通用規范》設計荷載為汽車-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（鋼筋混凝土現澆板梁）+13×16.00 m（鋼筋混凝土T梁），橋面總寬24.60 m。

根據簡支T梁橋的結構特點，利用Midas Civil有限元軟件建立半幅簡支T梁上部結構有限元梁格模型[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律與上部結構各片T梁撓度變化密切相關，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人工測量的方法，傳統檢測手段不但現場檢測困難，且數據影響因素較多，主要存在如下問題：監測時間較長，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）可以克服現場人工測量存在的困難，可實時監測主梁撓度變化，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律分析，實時監測數據也可為全橋整體長期性變形監測提供基礎數據。

2 基于機器視覺技術的活載橫向分布規律分析

2.1 機器視覺測量原理

機器視覺利用工業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。其實現過程如下：假設待測點A的空間坐標為（X，Y，Z），相機圖像坐標為（x，y，z），則兩者轉換關系為：

式（1）中：R為三階旋轉矩陣；T為三階的平移向量。

從幾何關系出發，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化：

式（4）（5）中：Nx、Ny為單位距離內像素點的數量；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。

在上述理論的基礎上，通過機器視覺技術采集到的信號通過傳輸與轉換，最終以數據形式呈現給用戶，數據采集與傳輸的拓撲圖如圖2所示。

圖2 數據采集與傳輸拓撲圖

2.2 現場數據采集

利用機器視覺技術，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℃，現場采用BJJC-C1型機器視覺測量儀，配合BJJC-C3型數據箱和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 數據分析

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

結果如表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對比

分析上述數據可知，現場測得的撓度都小于理論模型的計算值，實測結果與理論計算結果相比較為吻合，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，利用機器視覺技術進行現場數據采集的方法準確，且對比分析橫向分布系數實測結果與理論計算結果，可知該橋的橫向剛度較好，證明了機器視覺技術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 結論

在橋梁工程中，為了確保橋梁結構的安全性和可靠性，橋梁橫梁連接剛度損傷的分析計算是橋梁結構安全驗算的重點。本文通過實橋靜載試驗，采用機器視覺技術可以快速求出簡支T梁橋的橫向分布系數實測值。通過分析現場數據可知，現場測得的撓度都小于理論模型的計算值，且橫向分布系數實測結果與理論計算結果較為吻合，說明該橋剛度和強度較好，證明了機器視覺技術在組合式結構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采集到的實時監測數據也可為全橋整體長期性變形監測提供基礎數據。