融合無(wú)人機(jī)線型測(cè)量與振動(dòng)測(cè)試的橋梁狀態(tài)評(píng)估

周云 ，李劍 ，劉鵬 ，周曉楓 ?，潘恒 ，杜宗

［1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430201］

城市橋梁是城市交通線的動(dòng)脈，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們的日常生活起到重要的紐帶作用.然而，由于日曬雨淋、凍融循環(huán)、疲勞腐蝕、材料老化、車輛超載等因素影響，且隨著服役年限增長(zhǎng)，橋梁受到的荷載逐年增大，橋梁在運(yùn)營(yíng)階段將會(huì)產(chǎn)生損傷甚至破壞坍塌，引發(fā)災(zāi)難性事故［1］.傳統(tǒng)橋梁狀態(tài)評(píng)估方法主要通過(guò)靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)合確定結(jié)構(gòu)的性能，由于封閉交通不便、檢測(cè)費(fèi)用高及檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此部分運(yùn)營(yíng)城市和高速公路橋梁的試驗(yàn)開(kāi)展不便且成本高.

線型測(cè)量是判斷橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的重要依據(jù)，通過(guò)檢測(cè)橋梁線型變化，可以及時(shí)掌握橋梁使用過(guò)程各關(guān)鍵截面的撓度變化，進(jìn)一步掌握橋梁在結(jié)構(gòu)安全、行車條件、耐久性等方面的變化.現(xiàn)有橋梁線型測(cè)量手段主要依靠水準(zhǔn)測(cè)量方法，使用水準(zhǔn)儀或全站儀測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)的高程坐標(biāo)，畫出斷面圖得到橋梁線型，該方法是一種傳統(tǒng)的方法，精度高但效率較低［2-3］.本文使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)橋梁線型進(jìn)行測(cè)量，該技術(shù)是建立實(shí)景模型的有效方法［4-6］.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和橋梁線型測(cè)量開(kāi)展了深入研究.Zhang 等［7］提出基于傾斜攝影技術(shù)的橋梁施工進(jìn)度管理方法，通過(guò)建立武漢沌口長(zhǎng)江大橋施工進(jìn)度可視化管理平臺(tái)，論證了該技術(shù)在橋梁施工進(jìn)度管理中具有廣闊的應(yīng)用前景.Pepe 等［8］使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立一座兩跨石拱橋的三維點(diǎn)云模型，基于工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)定義材料本構(gòu)，進(jìn)而重建橋梁有限元模型.劉瓊瓊［9］使用非測(cè)量相機(jī)近景攝影測(cè)量方法開(kāi)展了橋梁線型檢測(cè)，使用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)檢校法對(duì)實(shí)橋進(jìn)行實(shí)測(cè)，計(jì)算的誤差為0.235 m.張紹成等［10］采用GPS 和北斗的實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)（RTK）與高精度光纖慣性測(cè)量系統(tǒng)（INS）結(jié)合的緊組合解決方案，利用INS 輔助RTK 在信號(hào)失鎖的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁線型的準(zhǔn)確測(cè)量.何聰［3］使用傾角傳感器對(duì)傾角狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)差分處理濾除影響測(cè)量精度的共模噪聲干擾，采用微處理器對(duì)傾角電壓信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣和溫度補(bǔ)償處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁線型狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

外觀調(diào)查也是橋梁檢測(cè)中常用的手段，通過(guò)觀察橋梁缺陷和損傷的部位、性質(zhì)、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)，查明缺陷及損傷發(fā)生的主要原因，進(jìn)而分析和評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài).隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使用無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀調(diào)查也有了長(zhǎng)足的發(fā)展.Gillins 等［11］對(duì)位于俄勒岡州的獨(dú)立橋進(jìn)行無(wú)人機(jī)巡檢，重點(diǎn)針對(duì)焊縫開(kāi)裂、混凝土裂縫、支座移動(dòng)、螺栓生銹或松動(dòng)等情況進(jìn)行檢查.Burgett等［12］在不封閉交通的情況下，利用無(wú)人機(jī)檢查貝茨大橋的螺栓松動(dòng)、支座缺陷、混凝土裂縫等病害，有效節(jié)約了檢測(cè)成本.

基于隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)識(shí)別須在環(huán)境激勵(lì)（如行車、風(fēng)、海浪等）作用下，通過(guò)獲取輸出響應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別，進(jìn)而評(píng)估橋梁安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài).國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用環(huán)境振動(dòng)測(cè)試對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)識(shí)別進(jìn)行了大量的研究工作.Pan 等［13］研究了影響結(jié)構(gòu)識(shí)別結(jié)果的各種不確定因素來(lái)源，并通過(guò)對(duì)一座大跨度鋼拱橋的結(jié)構(gòu)識(shí)別和模型校驗(yàn)說(shuō)明了如何減小不確定性因素對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響.Zhang 等［14］介紹了一套基于環(huán)境振動(dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)識(shí)別策略，并對(duì)一座大跨懸索橋進(jìn)行了模態(tài)分析，不同結(jié)構(gòu)識(shí)別方法結(jié)果的一致性驗(yàn)證了該策略的有效性.周云等［15］采用隨機(jī)子空間識(shí)別法（Stochastic Subspace Identification，SSI）方法，對(duì)兩座大跨度拱橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別，并利用靈敏度分析方法，精確建立了能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)狀況的有限元校驗(yàn)?zāi)Ｐ?Kim 等［16］對(duì)一座單纜懸索橋進(jìn)行了非平穩(wěn)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試，為消除非平穩(wěn)性，根據(jù)實(shí)測(cè)響應(yīng)引入調(diào)幅函數(shù)，以準(zhǔn)確識(shí)別出非平穩(wěn)環(huán)境振動(dòng)下橋梁的阻尼.Altunisik 等［17］對(duì)Buzlup?nar 木橋進(jìn)行了無(wú)損環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)該橋進(jìn)行了工作模態(tài)分析，基于模態(tài)拾取動(dòng)力參數(shù)，對(duì)有限元模型的彈性模量、邊界條件及截面特性進(jìn)行了校正，進(jìn)而對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行了評(píng)估.Yang 等［18］開(kāi)發(fā)了一種確定性隨機(jī)子空間識(shí)別方法，提高了在列車荷載作用下鐵路橋梁的模態(tài)可識(shí)別性.Yang等［19］針對(duì)具有異步響應(yīng)的橋梁模態(tài)分析，提出一種增強(qiáng)的NExT，通過(guò)采用兩階段時(shí)滯技術(shù)同步多通道響應(yīng)，并基于有限元模型及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性.Saidin等［20］對(duì)馬來(lái)西亞一座50 m長(zhǎng)的UHPC 公路橋進(jìn)行了單跨環(huán)境振動(dòng)測(cè)試，采用SSI、頻域識(shí)別法、增強(qiáng)頻域識(shí)別法獲取其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，并利用靈敏度方法對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行了修正，準(zhǔn)確評(píng)估了橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀態(tài).

本文以一座三跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用線型觀測(cè)和結(jié)構(gòu)病害調(diào)查，結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試聯(lián)合工作模態(tài)分析，綜合評(píng)估目標(biāo)橋梁在不封閉交通情況下的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài).利用無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)重建目標(biāo)橋梁三維實(shí)景模型并通過(guò)點(diǎn)云模型提取橋梁線型.利用小型無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)目標(biāo)橋梁輔助進(jìn)行外觀質(zhì)量調(diào)查，調(diào)查橋墩病害和支座損傷特征.通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)測(cè)試并利用CMIF 法捕捉結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，對(duì)比10 年前歷史基線模態(tài)數(shù)據(jù)并綜合考慮環(huán)境溫度影響，判斷結(jié)構(gòu)剛度無(wú)明顯下降，提出了通過(guò)對(duì)比歷史基線數(shù)據(jù)在不封閉交通條件下進(jìn)行橋梁狀態(tài)評(píng)估的系統(tǒng)方法.

1 工程概況

目標(biāo)測(cè)試橋梁位于長(zhǎng)沙市湘江新區(qū)，橋梁全長(zhǎng)842 m，全橋橋面寬29.5 m，跨孔布置：3×30 m（北引橋）+（73+106+73）m（主橋）+3×30 m（南引橋），主橋和引橋均為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu).主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，直腹板單箱單室截面.中支點(diǎn)處梁高665 cm，高跨比1∕15.9，跨中和邊支點(diǎn)處梁高265 cm，高跨比1∕40.主橋4、5 號(hào)橋墩采用雙薄壁墩，墩底尺寸7.64 m×2.14 m，墩頂尺寸7.64 m×6.62 m.該大橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示.湖南大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究團(tuán)隊(duì)于2022年6月對(duì)該橋進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn)及線型測(cè)量.

圖1 某大橋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the bridge

2 不封閉交通的橋梁狀態(tài)評(píng)估

結(jié)構(gòu)識(shí)別理論最早由Hart 與Yao 在1977 年提出［21］，是使用輸入和∕或輸出測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)的系統(tǒng)性方法，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐漸形成了“理論-試驗(yàn)-評(píng)估”六步綜合圓的范式［22］，使其成為提高橋梁運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理決策可靠性的有效工具.本文在不封閉交通的條件下，運(yùn)用“無(wú)人機(jī)三維建模線型測(cè)量+無(wú)人機(jī)病害調(diào)查+隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試”的結(jié)構(gòu)識(shí)別方法對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)綜合對(duì)比歷史數(shù)據(jù)（線型、外觀、動(dòng)力特性）進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估.具體流程如圖2所示.

圖2 “理論-試驗(yàn)-評(píng)估”六步綜合圓Fig.2 Six-step of “Theory-Test-Evaluation” circle

2.1 無(wú)人機(jī)攝影線型測(cè)量及外觀調(diào)查

2.1.1 技術(shù)路線及實(shí)施方案

1）整體技術(shù)路線.本研究基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立橋梁三維實(shí)景模型，在模型中提取橋梁三維高程信息，確定橋梁線型，整體技術(shù)路線步驟主要分為5步.

第1 步原始數(shù)據(jù)采集.使用無(wú)人機(jī)采集目標(biāo)橋梁多視圖影像、POS 數(shù)據(jù)和外控成果.對(duì)采集圖像進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)確保航向重疊率不小于80%，旁向重疊度不小于60%，為了獲取準(zhǔn)確高程信息并控制消除由于數(shù)字積累誤差造成的遠(yuǎn)距離幾何失真，應(yīng)同時(shí)采集POS數(shù)據(jù)和外控點(diǎn)成果.

第2 步空中三角測(cè)量.以傾斜攝影瞬間POS 系統(tǒng)的觀測(cè)值作為多角度傾斜影像的初始方位元素，根據(jù)成像模型，可計(jì)算每個(gè)像元的物方坐標(biāo).利用基于物方的多基線多特征匹配技術(shù)可生成傾斜影像之間大量的連接點(diǎn)，使用光束法區(qū)域網(wǎng)平差空中三角測(cè)量，使用中心投影共線方程［式（1）］進(jìn)行平差，基于最小二乘法解算誤差方程，實(shí)現(xiàn)稀疏點(diǎn)云構(gòu)建.

式中：（x，y）為像點(diǎn)坐標(biāo)；（x0，y0）為像主點(diǎn)坐標(biāo)；X、Y、Z為像點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)坐標(biāo)；XS、YS、ZS為成像投影中心坐標(biāo)；ai、bi、ci（i=1，2，3）是3 個(gè)姿態(tài)角的方向余弦；f為焦距.

第3 步多視圖影像匹配.空中三角測(cè)量解算出各影像外方位元素，使用最佳影像匹配單元進(jìn)行特征匹配和逐級(jí)像素匹配，利用多視圖視覺(jué)匹配算法對(duì)稀疏點(diǎn)云進(jìn)行加密，將這些匹配單元定義成種子面片，將種子面片進(jìn)一步擴(kuò)展，過(guò)濾錯(cuò)誤面片，迭代擴(kuò)散，得到稠密的面片結(jié)構(gòu)，完成密集點(diǎn)云的重建.

第4 步構(gòu)建TIN 模型.基于點(diǎn)云采用Delaunay三角化方法對(duì)三維密集點(diǎn)云進(jìn)行三角剖分，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN），通過(guò)優(yōu)化三角網(wǎng)，調(diào)整內(nèi)部三角尺寸并簡(jiǎn)化相對(duì)平坦地區(qū)三角網(wǎng)絡(luò)，獲得TIN模型.

第5 步紋理映射.將建立的TIN 模型封裝成三維白模，建立三維點(diǎn)與圖像中坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于瓦片技術(shù)將三維白模分割成若干個(gè)子區(qū)域，將圖像紋理映射到空間三維白模上，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)橋梁三維實(shí)景模型重建.

2）基于整體最小二乘法進(jìn)行坐標(biāo)提取.對(duì)于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，很難找到中心點(diǎn)并確定其坐標(biāo)，本文采用整體最小二乘法對(duì)分割后的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行平面擬合，提取擬合后的中心坐標(biāo)作為中心點(diǎn)坐標(biāo)，用中心點(diǎn)表示目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際高程.

整體最小二乘法是通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)最佳匹配函數(shù)方法，在點(diǎn)云平面擬合過(guò)程中保證所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到擬合平面的平均距離最小，具體方法如下.

點(diǎn)云M任意一點(diǎn)坐標(biāo)表示為Mi（xi，yi，zi），i=0，1，…，n-1.對(duì)于一般線性方程A1x+B1y+C1z+D1=0，將其用矩陣表示為：

改寫為：

記增廣矩陣C=AL，對(duì)增廣矩陣C進(jìn)行奇異值分解：

整體最小二乘解可由增廣矩陣右奇異向量的最后一列Vn+1得到，即整體最小二乘解為：

對(duì)傾斜攝影技術(shù)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后使用整體最小二乘法進(jìn)行擬合.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界擬合后的中心即為目標(biāo)物表面中心，提取中心點(diǎn)坐標(biāo)并記錄.

2.1.2 橋梁線型測(cè)量分析

線型同樣是評(píng)估橋梁健康狀況的重要指標(biāo)，基于線型幾何參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可確定橋梁結(jié)構(gòu)持久荷載狀態(tài)的變化以及推求判定基礎(chǔ)變位情況.采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影方法對(duì)橋梁線型進(jìn)行檢測(cè).

無(wú)人機(jī)測(cè)量時(shí)使用DJI Mavic2 無(wú)人機(jī)，其最大像素2 000 萬(wàn)，等效焦距28 mm，可實(shí)時(shí)接收全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，獲取準(zhǔn)確的無(wú)人機(jī)飛行定位信息.基于2.1.1節(jié)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理，利用Context-Capture10.17 軟件建立某大橋三維實(shí)景模型，如圖3所示.采用精密水準(zhǔn)儀并使用普通水準(zhǔn)測(cè)量方法對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影方法所獲取的橋梁線型進(jìn)行校核.對(duì)橋梁上具有顯著性特征的盲道和伸縮縫寬度及3處車行道與人行道的高度差進(jìn)行了實(shí)測(cè).以盲道X向（橋梁橫向）和伸縮縫Y向（橋梁縱向）長(zhǎng)度誤差表征模型X向和Y向精度，以車行道與人行道高度差表征模型Z向精度.X、Y、Z三個(gè)方向及三維精度計(jì)算公式分別如式（8）、式（9）所示.

圖3 某大橋三維實(shí)景模型Fig.3 3D real scene model of the bridge

式中：Ti和分別為X、Y、Z三個(gè)方向第i段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和模型分析值；S為均方根誤差.

相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表1所示，X、Y、Z向及其三維誤差在1.6%～3.5%之間，三維實(shí)景模型的精度和鏡頭成像質(zhì)量、飛行高度、光照條件等密切相關(guān)，本模型精度滿足要求.

表1 精度計(jì)算結(jié)果Tab.1 Accuracy calculation results

1）主橋橋面線型檢測(cè).將某大橋按照主跨8 等分點(diǎn)、邊跨和引橋4 等分點(diǎn)布置測(cè)試斷面，在車行道上、下游邊緣線2 條線上分別布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖4所示.

圖4 橋面線型測(cè)試測(cè)站設(shè)置Fig.4 Bridge line shape test station setting

使用普通水準(zhǔn)測(cè)量方法人工測(cè)量橋梁線型，并保證閉合差滿足規(guī)范要求；使用五視傾斜攝影方法采取橋梁多視圖序列影像，利用2.1.1 節(jié)的傾斜攝影原理建立三維實(shí)景模型提取橋梁線型.

2）引橋橋面線型檢測(cè).采用水準(zhǔn)儀、無(wú)人機(jī)對(duì)引橋橋面線型進(jìn)行測(cè)量.南引橋和北引橋測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示.

圖5 南北引橋3跨連續(xù)梁線型測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout diagram of linear measuring points for three span continuous beams of the north-south approach bridge

以關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)建立橋梁線型，假設(shè)剛構(gòu)橋中間兩支座為不動(dòng)點(diǎn)，處理數(shù)據(jù)時(shí)以兩支座平均高程作為±0，以實(shí)測(cè)點(diǎn)的高程至±0 的差值作為相對(duì)高程，西、東側(cè)橋梁線型實(shí)測(cè)結(jié)果分別如圖6和圖7所示.

圖6 西側(cè)橋梁線型實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.6 Measured results of western bridge line shape

圖7 東側(cè)橋梁線型實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Measured results of eastern bridge line shape

2.1.3 橋梁線型結(jié)果分析

由圖6、圖7可知，水準(zhǔn)測(cè)量東、西側(cè)線型差值最大值為0.091 m，相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕4747（L為橋梁跨度）；無(wú)人機(jī)測(cè)量東、西側(cè)線型差值最大值為0.141 m，相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕3063，說(shuō)明橋梁左、右幅相對(duì)位移較小.水準(zhǔn)測(cè)量與設(shè)計(jì)線型相對(duì)位移最大值為0.163 m，相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕2650；無(wú)人機(jī)測(cè)量與設(shè)計(jì)線型相對(duì)位移最大值則為0.149 m，相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕2899，說(shuō)明橋梁設(shè)計(jì)線型與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近.由于設(shè)計(jì)與施工存在偏差，因此會(huì)存在一定誤差.

水準(zhǔn)測(cè)量與無(wú)人機(jī)測(cè)量線型相對(duì)位移最大值為0.140 m，相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕3085；相對(duì)位移的整體平均值為0.034 m，平均相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕12705，標(biāo)準(zhǔn)差為0.035 m，說(shuō)明水準(zhǔn)測(cè)量與無(wú)人機(jī)測(cè)量結(jié)果較為接近.總結(jié)以上誤差產(chǎn)生的原因，主要有：

1）竣工線型數(shù)據(jù)缺失，實(shí)測(cè)線型只能與設(shè)計(jì)線型比較，會(huì)導(dǎo)致一定偏差.

2）橋梁下部為大面積水域，使用傾斜攝影技術(shù)建模時(shí)無(wú)法提取水面特征點(diǎn)，對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定影響.

由以上線型分析結(jié)果可知，橋梁線型沒(méi)有發(fā)生較大變化，無(wú)人機(jī)線型測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果接近，說(shuō)明無(wú)人機(jī)非接觸測(cè)量橋梁線型具有可行性.

2.2 無(wú)人機(jī)橋梁病害調(diào)查

依據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件缺損的類別、范圍、分布特征以及嚴(yán)重程度，可推斷其發(fā)展變化趨勢(shì)及可能造成的不利影響，進(jìn)而評(píng)定其技術(shù)狀況等級(jí).

通過(guò)相機(jī)拍攝橋面系、橋墩及橋臺(tái)處的外觀，進(jìn)行質(zhì)量調(diào)查，而對(duì)于橋墩支座的外觀采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)查.調(diào)查結(jié)果如圖8所示.

圖8 橋梁外觀質(zhì)量檢查Fig.8 Bridge appearance quality inspection

在外觀質(zhì)量調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，橋梁下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)部分擋塊破損，橋墩涂刷層開(kāi)裂；上部結(jié)構(gòu)箱型梁個(gè)別位置出現(xiàn)龜裂、蜂窩麻面、析白等現(xiàn)象，部分支座處鋼板銹蝕；但未發(fā)現(xiàn)支座移位、脫空、剪切變形等明顯影響結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題.表明橋梁的結(jié)構(gòu)安全性能沒(méi)有明顯下降，進(jìn)而輔助佐證了隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試及無(wú)人機(jī)線型測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2.3 基于隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試的動(dòng)力特性

2.3.1 隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試

環(huán)境振動(dòng)測(cè)試，也稱隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試.為準(zhǔn)確獲取橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的模態(tài)參數(shù)，動(dòng)力測(cè)試時(shí)使用LMS Cadax-16 通道動(dòng)態(tài)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.在不封閉交通的情況下，將測(cè)點(diǎn)布置在行車道邊緣靠近人行道的位置，分別對(duì)左、右幅橋梁進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試.

受到傳感器數(shù)量限制，每幅橋梁進(jìn)行3 組測(cè)試，每組測(cè)試中包含2個(gè)參考點(diǎn)（固定）與6～7個(gè)移動(dòng)點(diǎn)，模態(tài)測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示.使用鉛垂向傳感器測(cè)試豎直方向的模態(tài)，每次測(cè)試時(shí)間約為20 min，采樣頻率為50 Hz，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程在1 d 內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)大氣溫度為25～30 ℃.拾取的典型豎向加速度響應(yīng)時(shí)程如圖10所示.

圖9 模態(tài)測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布置Fig.9 Test point layout in modal test

圖10 典型豎向加速度響應(yīng)時(shí)程Fig.10 Typical vertical acceleration time history

2.3.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理及特征提取

振動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理及模態(tài)分析對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)識(shí)別六步圓中的第4 步，主要對(duì)采集到的加速度信號(hào)進(jìn)行處理以獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性.數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及過(guò)濾、數(shù)據(jù)處理，模態(tài)分析通過(guò)CMIF 方法捕捉結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)處理流程如圖11所示.

圖11 數(shù)據(jù)處理流程Fig.11 Flowchart of the data processing

振動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及過(guò)濾共包含3 個(gè)步驟，旨在使獲得的數(shù)據(jù)更適于采用數(shù)學(xué)方法解釋.第1 步，異常峰值檢查∕移除，指在動(dòng)力測(cè)試過(guò)程中，間歇性傳感器連接故障、微波干擾、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障等因素的存在，導(dǎo)致環(huán)境振動(dòng)測(cè)試的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)明顯的誤差（如尖峰），需要進(jìn)行人為或設(shè)置參數(shù)進(jìn)行檢查.第2 步，時(shí)間窗選擇是通過(guò)人為選取合適的時(shí)域信號(hào)，以避免異常數(shù)據(jù)的干擾.第3 步，基于工程經(jīng)驗(yàn)初步分析，確定主要關(guān)注的低階頻率在10 Hz 以內(nèi).為了獲取目標(biāo)頻段內(nèi)的信號(hào)，設(shè)置了一個(gè)截止頻率為10 Hz的巴特沃夫低通過(guò)濾器，以消除目標(biāo)頻段外的信號(hào)影響.

振動(dòng)數(shù)據(jù)處理包含4 個(gè)步驟，主要目的是對(duì)上一步驟中過(guò)濾后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲取包含結(jié)構(gòu)模態(tài)信息的頻率響應(yīng)函數(shù).

第1 步在輸入信號(hào)缺失的情況下，通過(guò)將移動(dòng)點(diǎn)信號(hào)與參考點(diǎn)信號(hào)做互相關(guān)得到互功率譜密度函數(shù)，用以代替脈沖響應(yīng)函數(shù).本文中使用的自相關(guān)函數(shù)（RXX）和互相關(guān)函數(shù)（RXY）分別為［23］：

式中：RXX代表自相關(guān)函數(shù)；RXY代表互相關(guān)函數(shù)；x(ti)代表隨機(jī)信號(hào)；x(ti+τ)與y(ti+τ)代表時(shí)移信號(hào).

第2步對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行線性平均以提高測(cè)量信噪比，減小隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的影響.

第3步對(duì)脈沖響應(yīng)函數(shù)添加指數(shù)函數(shù)窗進(jìn)行預(yù)處理以防止信號(hào)泄露.

第4步進(jìn)行快速傅里葉變換得到結(jié)構(gòu)的偽頻率響應(yīng)函數(shù).

CMIF 是一種零階空間域算法，用于估算結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，分為兩階段算法.第1 階段：計(jì)算頻率響應(yīng)函數(shù)中的CMIF 函數(shù)，并將其作為頻率的函數(shù)以對(duì)數(shù)幅度繪制，選取頻率響應(yīng)函數(shù)中的明顯峰值，以識(shí)別近似的固有頻率，基于對(duì)選定頻率下的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣進(jìn)行奇異值分解，如式（12）所示，得出模態(tài)參與因子及模態(tài)向量.第2 階段：對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算加權(quán)和得到增強(qiáng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，采用單自由度算法在增強(qiáng)的頻率響應(yīng)函數(shù)中算得結(jié)構(gòu)的頻率與阻尼系數(shù)，通過(guò)提取左奇異矩陣與右奇異矩陣中的系數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)的模態(tài)振型.

式中：H(jω)為頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣；U(jω)為左奇異矩陣；∑(jω)為對(duì)角矩陣；VH(jω)為右奇異矩陣；上標(biāo)H表示矩陣的轉(zhuǎn)置復(fù)共軛.

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及過(guò)濾、數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別獲取的橋梁豎向CMIF 圖如圖12 所示.將識(shí)別得到的前3 階模態(tài)分別列于表2、表3 及表4 中，左、右兩幅橋前3階測(cè)試頻率基本一致.圖13、圖14、圖15 中分別給出了某大橋主橋、北引橋、南引橋前3階的測(cè)試模態(tài)振型.

表2 目標(biāo)橋梁主橋前3階頻率Tab.2 First 3 order frequency of target bridge main bridge

表3 南引橋前3階頻率Tab.3 First 3 order frequency of south approach bridge

表4 北引橋前3階頻率Tab.4 First 3 order frequency of north approach bridge

圖12 模態(tài)測(cè)試CMIF圖Fig.12 CMIF plot of modal test

圖13 主橋前3階振型Fig.13 First 3 order modes of main bridge

圖14 北引橋前3階振型Fig.14 First 3 order modes of north approach bridge

圖15 南引橋前3階振型Fig.15 First 3 order modes of south approach bridge

目標(biāo)橋梁于2012年12月—2013年1月完成首次動(dòng)載試驗(yàn)和計(jì)算分析，根據(jù)建模計(jì)算確定的第1階振動(dòng)頻率為1.99 Hz；環(huán)境振動(dòng)測(cè)試測(cè)得右幅主橋的第1階振動(dòng)頻率為2.1 Hz，此時(shí)環(huán)境溫度為0～5 ℃.

2.3.3 動(dòng)力參數(shù)綜合評(píng)估

通過(guò)比較本次測(cè)量模態(tài)數(shù)據(jù)與歷史基線模態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，10 年內(nèi)目標(biāo)橋梁1 階頻率僅降低了1.43%～1.90%，綜合無(wú)人機(jī)病害檢查及橋梁線型觀測(cè)結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)可引起結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題的病害，橋梁線型變化較小，因此判斷橋梁剛度無(wú)顯著變化.

文獻(xiàn)［24］對(duì)20 座橋梁的頻率與環(huán)境溫度相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究.研究表明，混凝土橋梁自振頻率與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)溫度大于0 ℃時(shí)，每升高1 ℃，橋梁的自振頻率減小量的范圍為0.08%～0.39%.考慮到兩次測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度相差超過(guò)25 ℃，推測(cè)受到溫度變化影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率降低，而非出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷.

因此，考慮兩次振動(dòng)測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度影響，判斷結(jié)構(gòu)剛度無(wú)明顯下降，且均略高于2012 年建模計(jì)算確定的第1 階振動(dòng)頻率，表明該橋目前的結(jié)構(gòu)剛度和整體性能較好.

3 結(jié)論

本文提出了一種不封閉交通條件下的橋梁健康狀態(tài)評(píng)估方法，采用“無(wú)人機(jī)三維建模線型測(cè)量+無(wú)人機(jī)病害調(diào)查+隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試”綜合評(píng)估了長(zhǎng)沙市某大橋的健康狀態(tài)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該方法的可行性，可以得到以下結(jié)論：

1）使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)重建橋梁三維實(shí)景模型提取的橋梁線型與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果接近，差值平均值為0.034 m，平均相對(duì)撓度值為L(zhǎng)∕12705，標(biāo)準(zhǔn)差為0.035 m，說(shuō)明該方法可以反映橋梁真實(shí)線型狀況，是一種較為可靠的橋梁檢測(cè)方法.外觀病害調(diào)查中，采用無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁支座進(jìn)行觀測(cè)，可清晰了解支座處病害情況；病害調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)明顯影響結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題，可輔助佐證隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試及線型測(cè)量結(jié)果的可靠性.

2）通過(guò)對(duì)比歷史基線模態(tài)數(shù)據(jù)，在不考慮溫度影響情況下，目標(biāo)測(cè)試橋梁1 階頻率僅降低了1.43%～1.90%，綜合無(wú)人機(jī)病害檢查及橋梁線型觀測(cè)結(jié)果，判斷橋梁剛度無(wú)顯著變化.

3）綜合采用“無(wú)人機(jī)三維建模線型測(cè)量+無(wú)人機(jī)病害調(diào)查+隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試”的方式，可對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行多維度健康狀態(tài)評(píng)估，互相佐證各測(cè)量結(jié)構(gòu)的有效性與準(zhǔn)確性，為不封閉交通的橋梁健康狀況檢測(cè)提供新思路.