既有橋梁監(jiān)測、檢測技術與狀態(tài)評估

《土木工程專業(yè)研究方法論與創(chuàng)新教育》課程結課論文既有橋梁監(jiān)測、檢測技術與狀態(tài)評估題名：既有橋梁監(jiān)測、檢測技術與狀態(tài)評估作者：·····班級：·····郵箱：·····指導教師：·····目錄TOC\o"1-3"\h\u1引言 32橋梁健康監(jiān)測的根本組成局部 42.1健康結構檢測技術的傳感器系統(tǒng)的組建 42.2信號采集與處理系統(tǒng)的組建 42.3平安評價系統(tǒng)的組建 52.4對于橋梁工作的環(huán)境的檢測 53橋梁結構平安監(jiān)測的指標 53.1撓度監(jiān)測 63.2支座位移監(jiān)測 63.3伸縮縫間距 63.4裂縫長度及數(shù)量 63.5橋梁自振頻率 73.6橋梁交通流量及車輛軸重 74橋梁結構平安監(jiān)測的方法 84.1目測 84.2地質雷達監(jiān)測法 84.3基于數(shù)字圖像處理的橋梁裂縫檢測技術 84.4基于機器視覺技術的橋梁撓度測試方法 95橋梁健康狀態(tài)評估 105.1線結構分析及狀態(tài)評估方法 105.2橋梁承載能力狀態(tài)評估的模糊神經網(wǎng)絡推理方法 11參考文獻 11既有橋梁監(jiān)測、檢測技術與狀態(tài)評估···〔····大學······班學號：····〕摘要：本文針對橋梁工程中經常出現(xiàn)的病害，匯編總結了近年來有關既有橋梁對于病害開展變化的監(jiān)測、檢測與整體狀態(tài)評估的方法。主要詳細闡述了基于數(shù)字圖像處理的橋梁裂縫檢測技術的原理，供相關學者參考。關鍵詞：監(jiān)測技術;檢測技術;狀態(tài)評估;橋梁工程Abstract：Tosolvetheproblemsinbridgeengineering，theauthorofthispapersummarizedrecentyearsofBridgesDiseasedevelopment，detectingandtheoveralldevelopmentandchangeofstateevaluationmethod.Mainlyexpoundsthebridgecrackdetectionbasedondigitalimageprocessingtechnology，forthereferenceofrelatedscholars.Keywords：DetectionTechnique；MonitoringTechnology；BridgeEngineering1引言在諸多橋梁病害中，橋梁裂縫是一種危及橋梁平安但卻較難計測的一種破損狀態(tài)。目前對此類病害的檢測多停留在人工作業(yè)階段，通常使用近距離的檢測儀器將裂紋放大后對寬度進行檢測，裂紋的長度那么是靠不精確的測量或者估算得到。這種方法需要檢測人員借助道路檢測車或者搭架進行，因此工作強度大、檢測費用高昂且對人員平安要求很高。因此，橋梁工程的監(jiān)測、檢測技術隨著科技的進步在不斷提高。本文旨在通過研究文獻資料匯總近年來有關橋梁工程監(jiān)測、檢測技術的最新研究成果，以供參考。2橋梁健康監(jiān)測的根本組成局部整體來講，大型的橋梁工程結構健康監(jiān)測技術的組成是由傳感器系統(tǒng)、信號采集處理系統(tǒng)以及平安評估系統(tǒng)組成的，這些系統(tǒng)在技術執(zhí)行的時候分工明確，每一個系統(tǒng)都有其專門的檢查領域，使得所得到的數(shù)據(jù)更加的至關，理解起來也更加的便捷，此外，這些系統(tǒng)在設計的時候將對于橋梁的平安檢查放在了第一位，與健康檢測技術的使用目標是相一致的，在設計的時候還將系統(tǒng)的準確性以及經濟性聯(lián)系在一起，對每一個局部的本錢進行嚴格的控制，對于現(xiàn)場的傳感器設置也更加的謹慎以防止花銷的增加，在進行數(shù)據(jù)分析的時候，做到的是不單單的將系統(tǒng)反響的數(shù)據(jù)作為主要的依據(jù)，而是要結合仿真的計算以及以往的施工經驗進行分析，防止期間任意一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題都將導致分析的結果不準確。2.1健康結構檢測技術的傳感器系統(tǒng)的組建目前國家對于傳感器的研究也是相當?shù)闹匾?，所以出現(xiàn)了種類各異的傳感器的設備，其可靠性以及精確性都各不相同，所以在橋梁結構健康監(jiān)測技術中選用什么樣的傳感器就成為了一項問題。在選擇橋梁結構健康監(jiān)測技術中使用的傳感器的時候，注意結合橋梁的結構類型、工作的環(huán)境以及在橋梁上可能遇見的被破壞的形式等狀況，還要考慮到傳感器的尺寸大小，防止放置在橋梁的某一位置上影響其正常的運作使用，傳奇器的安裝方式也要受到橋梁結構的影響，選擇時也要注意這方面問題的考慮。此外，由于橋梁工程的使用時間很長，健康監(jiān)測技術的運轉周期也就必需滿足長期工作的需要，這時傳感器的工作性能也就會受到諸如人為因素以及自然因素的印象，所以在構建傳感器系統(tǒng)的時候也要注意傳感器的使用壽命以及面對惡劣環(huán)境的適應能力，保障其不會受到外界因素的干擾而打亂了在橋梁的檢測工作。2.2信號采集與處理系統(tǒng)的組建信號采集與處理系統(tǒng)的主要工作就是對收集而來的信號進行記錄、必要時進行量化與傳輸?shù)墓ぷ?。由于大型的橋梁結構健康監(jiān)測技術在工作的時候工作的時間長，收集的數(shù)據(jù)多并且種類各異，包含了物理數(shù)據(jù)以及一些并不直觀的數(shù)據(jù)資料，面對著這樣的數(shù)據(jù)時，最主要的還是要對其進行預處理的工作，將采集到的數(shù)據(jù)進行簡單地分析，對第一手的資料進行分解、變換、進行參數(shù)計算等等，制作出簡單的健康報告，以便于進一步的分析，當簡單地將結構健康監(jiān)測技術中的數(shù)據(jù)進行分析之后，接下來的工作就是要將這些數(shù)據(jù)向更加科學的系統(tǒng)內進行傳輸，以便獲得更加詳細準確的健康監(jiān)測的報告。2.3平安評價系統(tǒng)的組建平安評價系統(tǒng)主要是將信息收集系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)進行更加深入的分析，爭取得到包含更多信息量、更加科學的、更為客觀的健康平安報告，對于橋梁目前的耐久性、正常性以及功能是否正常進行一次完全的分析評價。這一過程需要對得到的有關橋梁的振幅、自振頻率、振型以及應力等特征性很強的橋梁參數(shù)進行分析，并加上人工的對于橋梁外表的損傷狀況進行檢查，可以較為準確的估算出橋梁結構在時間的推移下功能是否產生了退化的情況。在對數(shù)據(jù)進行了科學的分析之后，必不可少的工作就是要制作出健康檢查報告，在制作報告的時候，一定要注意加上大量的實驗測試結果、精密計算的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場的檢查結果等等，在找尋出其中的關聯(lián)后才可以使得健康檢查報告更具有可靠性。2.4對于橋梁工作的環(huán)境的檢測〔1〕由于橋梁結構的特殊性，風場的特性對其有著不可無視的影響，在進行健康監(jiān)測技術實施的時候，一定要注意對風向、風速的觀察，雜分析出風場的特征，總結出是否對橋梁的結構產生了影響?！?〕還要對橋梁周圍的溫度進行檢測，橋梁周圍的溫度情況的有關數(shù)據(jù)一定會是計算橋梁健康狀況的原始數(shù)據(jù)之一，對其的準確性的考量一定要認真的執(zhí)行。〔3〕橋梁上通過的車輛的信息也會對橋梁的健康狀況產生影響，在進行詳細的健康檢查的階段，掌握來往車輛的重量、數(shù)量以及車速等信息，對于計算橋梁目前的承載力有很大的幫助。另外，造成橋梁外表出現(xiàn)損傷情況的也是車輛的來往，所以在進行現(xiàn)場的檢測的時候，也可以對出現(xiàn)損壞的原因做進一步的探究。3橋梁結構平安監(jiān)測的指標橋梁結構退化過程中，能夠反映結構退化的指標主要有：結構撓度、裂縫、混凝土碳化深度及速率、鋼筋銹蝕速率、結構自振頻率變化。同時影響橋梁退化模式變化的指標為：交通流量及車輛軸重。結合我國《城市橋梁養(yǎng)護技術標準》的相關規(guī)定，我們選擇：結構撓度、支座位移、伸縮縫間距、裂縫長度及數(shù)量、結構自振頻率、交通流量及車輛軸重等6項指標作為橋梁結構平安監(jiān)測指標。3.1撓度監(jiān)測橋梁撓度的變化直接反映了橋梁的承載能力變化，一直是橋梁結構平安監(jiān)測系統(tǒng)最主要和最重要的監(jiān)測內容之一。其監(jiān)測實現(xiàn)方法根據(jù)橋梁大小和結構類型不同而變化。對于大局部城市橋梁，可以通過在橋梁上部結構和墩臺設置高精度水準網(wǎng)精確測量橋梁結構的變形。對于大跨度橋梁，那么可以采用水能壓力場的監(jiān)測方法，在橋梁測量范圍內設置壓力場，通過傳感器測量壓力場變化，再對信號進行A/D轉換得出橋梁結構撓度變化。橋梁的撓度監(jiān)測周期可以采用雙監(jiān)測模式：一方面，每3～4年對全橋水準網(wǎng)復查一次；一方面，每年對跨中、支座位置復查一次。3.2支座位移監(jiān)測橋梁支座位移監(jiān)測設置對象為：斜彎橋、坡橋以及有特殊要求的橋梁。設置測點的方式為在主要支座周邊的墩頂、梁體底部設置水平、垂直間距監(jiān)測點，定期檢查。支座位移監(jiān)測點的監(jiān)測周期宜一年兩次，冬夏進行。3.3伸縮縫間距伸縮縫是橋梁結構的次要部位，但其間距變化直接反映橋梁結構的梁體位移。在正常情況下，伸縮縫的作用是調節(jié)橋梁結構因溫度變化引起的梁體變位，其間距變化是在一定距離內反復變化。但是當橋梁發(fā)生梁體滑移或支座滑移時，伸縮縫間距的變化一般是不可逆的。通過定期檢查伸縮縫間距的變化，可以知道橋梁發(fā)生的梁體位移是否在設計范圍內。其設置方式是在伸縮縫的兩端設置固定間距檢查點，檢測周期建議為每年4次，全橋監(jiān)測。3.4裂縫長度及數(shù)量裂縫長度及數(shù)量是橋梁平安監(jiān)測體系的另外一個重要參數(shù)和指標。橋梁退化過程中，橋梁結構受拉部位的裂縫一直從微裂縫逐漸開展為明顯的裂縫，數(shù)量也不斷增加。裂縫監(jiān)測方法主要是監(jiān)測裂縫的出現(xiàn)時間、開展速率、分布范圍等3項指標，其監(jiān)測周期應視橋梁退化階段而定。橋梁投入運營的中、早期，檢測周期可以設為3～5年，對于車流量大、荷載重的主、次干道橋梁和屬于運營晚期的橋梁，檢測周期應控制在3年以內。3.5橋梁自振頻率橋梁結構自振頻率的變化反響了橋梁結構承載能力的退化過程。根據(jù)國內外近20年對一百多座橋梁的觀測，當橋梁的實測一階頻率下降到橋梁完好時實測一階頻率的75%～85%時，橋梁根本進入運營末期，此時橋梁外觀病害病癥表現(xiàn)也非常明顯，橋梁處于危險狀態(tài)。目前，檢測橋梁結構自振頻率的方法有兩種：一種是通過動載試驗，測量車輛荷載沖擊作用下測試橋跨結構產生的動力響應，利用橋梁的余振分析結構的基頻和振型；一種是脈動法，通過測量橋梁結構因外界各種因素引起的微小的和不規(guī)那么的振動來分析確定橋梁的動力特性，如振動頻率和振動模態(tài)。這兩種檢測方法都已經成熟，且廣泛應用于橋梁結構檢查。由于橋梁結構退化過程是一個漫長的過程，周期地采用脈動法測量橋梁結構的振動頻率和振動模態(tài)，同時不會給橋梁結構帶來損傷效應，因此常采用脈動法測量橋梁自振頻率。橋梁的自振頻率采樣周期易分階段控制，在橋梁投入運營的中、早期，檢測周期可以設為3～5年，對于車流量大、荷載重的主、次干道橋梁和屬于運營晚期的橋梁，檢測周期應控制在3年以內。3.6橋梁交通流量及車輛軸重橋梁交通流量及車輛軸重是影響橋梁結構退化模式的重要外界因素。定期測量橋梁交通流量及車輛軸重，比擬橋梁的設計通行能力、實際通行能力、預測今后預期通行能力，可以協(xié)助檢測人員合理判斷其它橋梁監(jiān)測指標的變化趨勢，評估橋梁使用壽命。目前，我國處于經濟快速開展時期，城市交通流量、車輛軸重增長迅猛，橋梁設計等級標準低于通行車輛的荷載標準，給橋梁帶來破壞性作用。因此交通流量和車輛軸重的監(jiān)測周期應根據(jù)城市交通規(guī)劃和車輛增長變化及時進行。建議監(jiān)測周期為每年進行一次主、次干道主要交通流量指標調查。4橋梁結構平安監(jiān)測的方法橋梁結構的平安監(jiān)測方法有很多種，相對較為傳統(tǒng)的有目測法、塞尺法、光學放大鏡、光學檢測儀。目前較為先進的有基于數(shù)字圖像處理的橋梁裂縫檢測技術、基于機器視覺技術的橋梁撓度測試方法，等等。我在這里列述兩種方法：一種是簡單易操作的；一種是科技含量較高，較為精準的。4.1目測用肉眼可以直接看到裂縫的大小，裂縫中鋼筋是否銹蝕，橋體的裂縫多少，通過目測可以大概了解橋梁是否處于較平安的狀態(tài)，是否需要儀器來檢測，如果橋梁出于平安狀態(tài)，看是否存在潛在的破壞因素以及是否影響人們的心理。4.2地質雷達監(jiān)測法地質雷達檢測在公路路面無損檢測中得到了廣泛應用。利用超聲波在不同介質外表的不同反射情況而研制的地質雷達同樣可用于橋梁鋼筋的銹蝕檢測，通過計算機處理后，地質雷達采集的數(shù)據(jù)能非常逼真地顯現(xiàn)結構內部的情況。地質雷達是檢測鋼筋銹蝕的最快捷的方法之一，具有良好的應用前景。橋梁是交通路線的“穴位”，橋梁的破壞導致交通不暢通，給在橋梁上行使的車輛帶來災難，為了更好的防止橋梁的破壞多帶來的各種弊端，研究橋梁的破壞機理和橋梁破壞風險的檢測方法是十分必要的。4.3基于數(shù)字圖像處理的橋梁裂縫檢測技術數(shù)字圖像處理是用計算機對圖像信息進行各種處理的技術和方法。由于一幅圖像幾乎包含了被攝物體的所有信息，因此如何根據(jù)工程應用的具體要求，通過對原始圖像的技術處理，快速準確地提取結構的特征信息，以到達解決工程問題的目的是本文研究的重點，也是難點所在。理論上講，采用現(xiàn)代圖像處理技術的成熟算法對于結構的缺陷識別是切實可行的。但是，在工程實際中，受野外條件、攝像器材、物理定標、被攝物污染〔筆跡、油漆、草根粘接物等〕的多種影響，對于橋梁裂紋類微小缺陷，往往難以通過一種簡單的成熟算法從實際圖像中提取出來。實驗室研究說明，要想較為清楚地提取裂紋信息，尤其是針對背景較為復雜的圖像，常常需要多種算法的綜合使用，如增強、濾波、細化、邊緣識別等等。根據(jù)以上工程實際特點，研究開發(fā)了一種含圖像增強、分割和邊緣識別等多種圖像處理算法的裂紋識別分析軟件。工程試驗說明，采用該軟件，綜合運用多種圖像分析算法，可以在一定條件下較為準確地識別出結構裂紋的物理尺寸。4.4基于機器視覺技術的橋梁撓度測試方法如下圖為基于模板匹配算法的結構位移計算方法流程圖。首先，由工業(yè)數(shù)碼相機獲取原始圖像，以包含有穩(wěn)定目標點的原始圖像為根底建立直角坐標系。在這一過程中，可以將起始時刻目標點的位置作為初始像素坐標〔x0，y0〕，并截取起始時刻原始圖像中目標點所在區(qū)域圖像〔一般為包含目標點的盡可能小的矩形區(qū)域圖像〕作為模板。然后，將選定的模板與后續(xù)時刻〔如第ｔ時刻〕獲取的原始圖像進行模板匹配運算。為了減小模板與原始圖像進行模板匹配運算的計算量，在原始圖像中劃分出包含目標點的感興趣區(qū)域，用模板與ＲＯＩ進行模板匹配，從而提高模板匹配的運算效率。ＲＯＩ的大小以目標點的位移變化幅值為參考，需涵蓋目標點的最大位移幅值變化范圍。當模板與ＲＯＩ到達最正確匹配時，獲得目標點第ｔ時刻的像素坐標〔xt，yt〕，由此進一步推出第ｔ時刻目標點的像素坐標變化量〔xt－x0，yt－y0〕。最后，通過尺寸標定得出像素大小與實際尺寸的比例系數(shù)ｒ，將像素坐標變化量與比例系數(shù)相乘計算得到目標點的實際位移。5橋梁健康狀態(tài)評估橋梁健康狀態(tài)主要從兩方面來評估：強度和剛度。評估方法目前主要包含承載力評估荷載試驗，但此方法對于結構本身傷害較大。目前較為合理的計算方法主要有有限元分析、神經網(wǎng)絡、層次分析、遺傳算法、構件分析等方法。下面著重研究兩種方法：有限元方法以及神經網(wǎng)絡法。5.1線結構分析及狀態(tài)評估方法利用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，通過授權的數(shù)據(jù)庫接口，獲取結構系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)(對應于橋梁健康監(jiān)測內容，輸入指環(huán)境作用、運營荷載等，輸出指結構特征和結構響應等)并分析其相關性。為了能夠在線實時分析并且方便使用，編制有限元分析程序內核，將橋梁結構的有限元模型數(shù)據(jù)按照內核能夠識別的格式寫入程序，通過數(shù)據(jù)庫接口讀取輸入數(shù)據(jù)，并將其轉化為程序能夠識別的荷載數(shù)據(jù)格式，程序讀取該荷載數(shù)據(jù)后形成荷載向量，進行結構分析，得到理論分析的結構輸出數(shù)據(jù)，并將其與實測的結構輸出數(shù)據(jù)進行比照，以判斷結構行為是否合理正常。建立一個滿足工程精度要求、反映橋梁力學特性的有限元模型，是進行結構平安評定的重要前提，因此該方法中內嵌的有限元模型是經過模型修正的。模型修正方法分為矩陣型修正法和參數(shù)型修正法，矩陣型修正法的目的是使修正后的有限元模型求出的特征值與實測值吻合，參數(shù)型修正法的目的是使修正后的有限元模型的響應〔靜力位移、動響應和頻響函數(shù)等〕與試驗結果相吻合。根據(jù)橋梁健康監(jiān)測內容的特點，該方法中采用了參數(shù)型修正法對模型進行修正。5.2橋梁承載能力狀態(tài)評估的模糊神經網(wǎng)絡推理方法模糊理論能夠直觀、高效地表征和處理領域專家的經驗和知識，其推理方式類似于人類的思維方式是處理不確定性或非線性問題的有利工具且有較強的解釋推理功能。