桥梁面相学及其研究进展

周志祥,周丰力,楚 玺

(1.深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 518060; 2.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室,重庆 400074)

0 引 言

结构健康检(监)测是避免土木工程结构发生坍塌的重大安全事故的有效措施之一。工程人员采用检(监)测获得的各项参数来评估结构现有损伤程度,确定结构在役性能,判定材料退化状态,最终评估结构的安全性和使用寿命。结构健康检(监)测的评定结果对结构设计验证、损伤识别、施工安全、维护效率等至关重要[1-3]。现有桥梁安全检(监)测方法可分为以下3大类:

1)定期检查,即借助专用桥检车对桥梁结构关键部位做近距离人工检查,其优点是可信度高,缺点是费用高,对桥上交通存在不利影响,检测频率低。

2)经常性安全检查,通常以人工目视检查为主,要求每月不少于1次,其优点是检查频次高、费用低,缺点是缺乏客观量化数据,结论依赖巡检人员主观判断,实效欠佳(发生坍塌事故桥梁中,既往经常性安全检查记录为一、二类桥梁的案例常见)。

3)长期健康监测,通过在桥梁上安装的系列传感器获得桥梁的作用输入和结构响应输出数据,据此进行桥梁健康状况实时监测,其优点是可长期实施,在原数据可靠条件下结构状态监测结论可信,但也存在3方面问题:①长期健康监测系统费用高,难以推广应用;②传感器的有效寿命约5～10 a,远小于桥梁使用寿命,导致监测系统长期维护难、费用高;③传感器自身不可避免存在数据漂移问题,且是安装在长期承受冲击、振动、疲劳和环境变化的桥梁上采集数据,数据的稳定性和可靠性难以保证[4-5]。

迄今,医学界已研发出一系列高精尖仪器进行人体健康状况检测,不过,检测结果只是体检当日被检测者的健康状况,不能说明体检日以外其余时间的健康状况。而国粹中医仅通过望、闻、问、切即可诊断人体健康状态,籍此人们可实时了解自身健康状况。

受中医面相学的启迪,笔者提出了兼顾更加实效、经济、便捷、可信的桥梁安全状态检(监)测新理念——桥梁面相学,即依据桥梁外观形态变化来获知结构近期安全状态的科学。首先,借助机器视觉实现对桥梁结构的“望”,以数字图像的方式全息记录桥梁结构形态的变化状况;然后,结合桥梁结构先验知识,进行力学计算、AI分析;最终,实现对桥梁安全状态的监测。

1 桥梁面相学的理论基础

混凝土立方体试件外部受压过程与内部损伤发展的关系如图1:从开始加载直至试件破坏的过程中,混凝土试件外观形态随着加载的不同阶段发生不同速率的竖向压缩和横向膨胀变形,与此同时,试件内部经历无损→微裂缝产生→裂缝发展→裂缝贯通→试件破坏的过程,说明结构外观形态变化与结构内部损伤存在内在的关联规律。换言之,通过对大量实践/试验数据的研究,总结出外观形态变化与结构内部状态的关联规律后,即可基于外观形态的变化来推测结构内部的健康状况[6-8],此乃桥梁面相学的理论基础。

图1 混凝土外部受压对应于内部损伤Fig. 1 External compression of concrete corresponding to internal damage

经典的结构力学方程〔式(1)〕为桥梁面相学提供了理论依据,假设作用力F不变,若结构形态位移d发生变化,则刚度K即结构健康状态随之发生改变:

(1)

图2为对两跨连续板桥的有限元仿真分析。分析结果表明荷载作用、基础沉降、支座缺失、结构损伤均会导致桥面形态(位移云图)发生变化[9-11]。

图2 荷载作用和结构损伤引起桥面形态变化Fig. 2 Changes in bridge deck morphology due to loading and structural damage

笔者团队试验对比了获取桥梁结构外观形态及数字图像的各种方法,包括使用激光雷达、数码相机、无人机等装备进行扫描、拍摄或摄影等,研究结果表明:常规情况下选用数码相机摄影来监测桥梁安全状态具有经济(无耗使用)、方便(非接触式)、全息(图像内全部信息)、可信(图像易辨真伪)、便维(小型非接触设备)及先进(吻合未来发展趋势)等优势[12]。现代科技的高速发展,数字图像采集硬件日趋高清、高速、远距、大视域、廉价和便捷,设想若干年后从卫星获得的图像可廉价并清晰到能用来进行常规大型结构形态变化的识别,地球上的大型建筑结构还需要专门的安全监测吗?

2 桥梁面相学的研究进展

10余年来,笔者团队利用各种新型设备,采用不同方法对多种模型桥进行了检(监)测试验,如:用相机及激光记录空心板桥和箱型梁加载全过程试验〔图3(a)、(b)〕,用自动摄影技术记录组合梁全过程形态转换试验〔图3(c)〕,基于桥梁面相学理论的悬索桥试验〔图3(d)〕[13-18]。

图3 基于数字图像的桥梁结构承载-损伤-变形监测试验Fig. 3 Bridge structure load-damage-deformation monitoring test based on digital images

针对不同加载水平下的多种结构全息形态,团队进行了数万次的图像采集、处理及分析对比,并在实体桥梁上开展了应用研究(图4),使桥梁面相学从概念到方法,从试验到认知,从识别到诊断,从理论到实践,从设备到应用等各方面都得到了明显的发展[19-23]。

图4 桥梁面相学的实桥应用Fig. 4 Application of bridge physiognomy in real bridges

2.1 桥梁动静影像全息性态监测系统

笔者团队采用基于定点相机平转 + 竖转的拍摄方法分区域采集长大桥梁各部分结构数字图像,根据相机最大旋转角与图像分辨率、相邻图像旋转角与图像重叠度的关系,总结出长大桥梁结构安全监测时空序列图像的处理技术[24-25],探讨了基于模糊集理论的结构模糊图像增强的实现途径[26],建立了利用结构特征点 + 自然纹理的桥梁结构全场位移矢量构造模型,探索了基于结构表面全场位移矢量变化的结构损伤位置及损伤程度的识别方法[27],构造了成本低廉、视场非固定、视距可调节的桥梁图像采集硬件系统,开展了单机定轴旋转采集桥梁结构图像序列试验,提出了由定点旋转相机采集图像获得桥梁总体等效正射立面图像的理论,该理论得到了试验验证(图5)。

图5 基于400 kN加载下的全场位移矢量变化的结构损伤识别验证Fig. 5 Validation of structural damage identification based on full-field displacement vector variation under 400 kN loading

桥梁动静影像全息性态监测系统已成功应用于成都青龙场立交的吊杆拱桥安全监测,如图6。

图6 桥梁动静影像全息性态监测系统应用实例Fig. 6 Application of holographic monitoring system for dynamic and static images of bridges

监测设备安装在距桥梁约200 m处楼房窗台上,实时获取作用于桥梁上车辆的车型、车速、位置及环境温湿度(作用输入),从而得到桥梁结构的动+ 静形态(响应输出),即为分析桥梁结构状态的原始数据。目前,该监测系统正应用于深圳市松福大道沙井河大桥(主孔跨径182 m下承式钢管混凝土系杆拱桥)上并进行进一步完善。

2.2 WWWQ-G桥梁安全巡检车

针对常规桥梁的检测,笔者团队[28]提出采用WWWQ-G桥梁安全巡检车来替代现有的桥梁人工巡检,其中:W——望,在巡检车上安装激光雷达、全景相机,获取桥面及以上结构图像数据;W——闻,在巡检车上安装声音传感器,采集巡检车过桥的声音时空数据;W——问,桥梁日常运营维护及大事件记录管理数据库;Q——切,在车轴上安装振动传感器,采集巡检车过桥的振动信号时空数据;G——调控荷载,对巡检车采用空载-重载或常振-强振调控对比荷载,以期及时诊断桥梁结构的安全状态。WWWQ-G桥梁安全巡检车克服了人工巡检片面、主观且无量化数据的缺陷,显著提高了巡检结论的科学性和准确性。并且,一辆车即可完成辖区内成百上千座桥梁的巡检,可节省约80%桥梁巡检人力成本。

具体检测步骤如下:

Step 1安装摄像头、传感器(图7)。用WWWQ-G桥梁安全巡检车对桥梁状态进行全面量化的数据采集。

图7 WWWQ-G桥梁安全巡检车Fig. 7 WWWQ-G bridge safety inspection vehicle

Step 2基于历次桥梁WWWQ-G巡检数据,结合AI技术进行对比分析,可相对准确地诊断桥梁结构当前的安全状态。

笔者团队采用安装了声音和振动传感器的模型小车对室内模型桥梁进行结构状态检测试验〔图8(a)〕,笔者在室外道路上开展试验以进行原理验证〔图8(b)〕[29-32]。

图8 WWWQ-G桥梁安全巡检车的试验研究Fig. 8 Experimental study of WWWQ-G bridge safety inspection vehicle

2018年5月—2019年6月,团队使用自主研发的车载相机WWWQ-G桥梁安全巡检车对重庆市北碚区文星湾大桥进行每月一次的安全巡检。巡检车以20 km/h时速在桥上行驶并连续拍摄桥面照片,经对桥面数字图像进行系列分析处理后,获得桥面空间几何形态的三维数字重构(图9),通过对历次数字化桥面空间几何形态进行叠差分析,得到了桥面形态全息时空变化数据。相较于常规人工巡检,WWWQ-G桥梁安全巡检车获得的检测结果精度更高。

图9 WWWQ-G桥梁安全巡检车在文星湾大桥监测中的应用Fig. 9 Application of WWWQ-G bridge safety inspection vehicle in monitoring Wenxingwan Bridge

2.3 常规跨径桥梁的安全监测系统

针对现有常规跨径桥梁安全监测的不足,笔者团队研发了主梁全息变形监测系统[33]、墩-梁连接状态监测系统[34]、桥面偏载监视与预警引导系统[35]。目前,这3种监测系统正在深圳市福龙路香环立交桥和深圳市爱国路高架桥局部区段进行安装调试和试点应用。

2.3.1 主梁全息变形监测系统

针对量大面广的常规跨径桥梁安全监测,团队研发了用普通摄像头对桥梁上多个标靶点动静位移进行精准监测的系统。图10为在实验室内对距摄像头10～35 m的悬索桥模型多个标靶点的动静位移开展监测试验及所获得的较高精度的监测结果。图11为采用桥墩摄像头监测斜对主梁轮廓线全息动静形态变化。

图10 基于普通摄像头的悬索桥模型安全监测试验Fig. 10 Safety monitoring experiment of suspension bridge model based on ordinary camera

图11 桥墩摄像头监测主梁Fig. 11 Pier camera monitoring the main beam

2.3.2 墩-梁连接状态监测系统

图12为常规跨径简支梁桥墩-梁连接处位移监测原理示意,由图可见主梁受弯失效、桥墩偏压变形、基础超限沉降等均可在墩-梁连接部位的相对变位中得到明确的反映。

图12 墩-梁位移监测原理Fig. 12 Principle of pier-beam displacement monitoring

为此,笔者在墩顶上方主梁外伸翼缘安置摄像头,从机器视觉来监测简支主梁与桥墩连接相对位移。同时,在实验室内开展了简支T形梁桥墩-梁连接足尺模型(图13)的多种墩-梁相对变位监测的试验研究。

图13 墩-梁结合部位模型Fig. 13 Model of pier-beam joint

2.3.3 桥面偏载监视与预警引导系统

为避免含宽桥面窄支承梁桥的独柱墩桥梁在严重超偏载下发生无预兆的瞬间侧翻事故,从源头上杜绝桥梁上多辆重车超偏载情况的发生,笔者提出了一种宽桥面窄支承梁桥防侧翻及突发障碍的监视与预警引导系统。通过摄像头获取车辆在桥面上行驶的位置信息,智能识别侵入桥面设定偏载预警区内的大货车数量,当设定偏载预警区内大货车数量超过安全阈值时,设置在桥面两侧的声光报警器即发生报警并语音提示引导大货车迅速驶离重车偏载预警区回归正道,如图14。同时,该系统还可依据监控视频信息对桥上故障停车及车辆掉落异物等情况进行桥面突发异常状态识别,通过设置在桥面两侧声光报警器对桥上车辆提出相应的引导行驶路线。

图14 桥面偏载监视与预警引导系统Fig. 14 Bridge bias load monitoring and early warning guidance system

2.4 拉索性态远距全域视频检测系统

为了更经济便捷地检(监)测大型斜拉桥拉索状态,有效解决缆索承重桥梁非接触视觉测量的测试精度低、视域范围窄及结构关键性能信息缺失的技术难题,杜鹏[36]、简传熠[37]、邵帅[38]开展了基于远距离机器视觉的桥梁拉索动静形态与力学性态的关联机制研究,提出了融合全视域-多视域数字图像的监测方法,解析了定点旋转测量装置获取的大型桥梁影像序列的时空关联信息及时空序列图像特性,实现了复杂场景下监测结构模糊形态学信息的强化与冗余信息的弱化,根据可视化大规模全息形态特征参数及信号特性,提出了表征拉索损伤状态的信号统计平稳性指标和动力学响应指标,明晰了拉索全息形态特征参数与损伤状态特性间的关联机制,并开展了室内模型拉索全息形态特征参数测试试验研究(图15)。

图15 室内模型拉索全息形态特征参数测试试验Fig. 15 Experiment on testing holographic morphological characteristic parameters of indoor model bracing cable

笔者团队对某一模型拉索进行了试验及有限元分析。图16为基于视频分析获得的1束七丝钢绞线(在某处切断1丝)动力学响应指标(CDR-i) 沿长度方向的有限元分析结果。可见,钢绞线局部损伤部位CDR-i存在明显的异常表现〔图15(c)〕,而其余全长均无明显差异,表明全息监测能够实现结构局部损伤识别。

图16 模型索损伤识别分析Fig. 16 Model cable damage identification analysis

拉索性态远距全域视频检测系统在李家沱大桥索力测试中的应用(图17)验证了该系统的实用性。

图17 拉索性态远距全域视频检测系统用于李家沱大桥索力测试Fig. 17 Application of a long-range, global video inspection system for tension cable state behavior in Lijiatuo Bridge cable tension test

3 结 语

基于中医望、闻、问、切的诊治方法,提出了桥梁面相学理论,详细阐述了桥梁面相学理论基础,总结了基于桥梁面相学理论研究开发的几种检(监)测系统,介绍了各检(监)测系统在实桥中的应用案例。检(监)测系统包括:

1)桥梁动静影像全息性态监测系统,一种全息、经济、方便且准确获取桥梁结构形态数据的数字图像监测方法。凭借视场非固定、视距可调节等特点,实现了对结构全息动力形态特征参数的可视化提取,拓宽了监测系统的视觉感知能力,将常规结构动力特性模型分析转变为基于机器视觉的特性可视化分析。

2)WWWQ-G桥梁安全巡检车,基于机器视觉、机器听/嗅觉、运维记录及机器感觉来获得桥梁结构的WWWQ数据,通过软件和硬件对原始数据噪声进行剔除,最终实现对桥梁损伤的量化分析。

3)常规跨径桥梁的安全监测新系统,以主梁、墩-梁、桥面为监测目标,利用布设的摄像头获取不同车辆荷载过桥的图像数据,通过对目标结构相对变位进行量化分析,并对比现有变形数据,最终实现对结构部件连接状态的预警。

4)拉索性态远距全域视频检测系统,利用全视域-多视域拉索形态时空序列数据与拉索力学性态特征的关联机制,对拉索性态监测数据进行基于全息形态特征参数的拉索状态多参数融合识别,实现了各种因素影响下物理引导与数据驱动的拉索数字孪生与损伤的系统测量误差的识别。