基于光學(xué)檢測(cè)方法的斜拉橋模型試驗(yàn)與有限元分析

張玥 賈會(huì)明

【摘 要】本文將數(shù)字散斑相關(guān)方法、數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)與有限元分析方法相結(jié)合，用于針對(duì)某斜拉橋結(jié)構(gòu)模型的位移與裂紋進(jìn)行檢測(cè)。在試驗(yàn)過程中，采用人工制斑技術(shù)分別針對(duì)結(jié)構(gòu)模型的索孔、固定端兩處位置噴制散斑，利用本文編制的測(cè)量程序進(jìn)行橋梁位移值的計(jì)算，將其作為已知邊界條件施加在有限元模型上，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的位移值、應(yīng)力值與應(yīng)變值，并基于數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行橋梁微小缺陷檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述光學(xué)檢測(cè)方法可有效節(jié)約建模與計(jì)算時(shí)長(zhǎng)、提高計(jì)算精度，在橋梁檢測(cè)中具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】橋梁檢測(cè);數(shù)字圖像;數(shù)字散斑;有限元分析

Abstract： This paper combines digital speckle correlation method， digital image recognition technology and finite element analysis method to detect displacement and crack of a cable-stayed bridge structure model. In the course of the experiment， the displacement value， the stress value and the strain value of the bridge structure are obtained by using the manual spot making technique to spray the speckle at the two positions of the cable hole and the fixed end of the structure model. The experimental results show that the above optical detection method can effectively save the modeling and calculation time， improve the calculation accuracy， and has good application value in bridge detection.

Keywords： Bridge Detection; Digital Image; Digital Speckle; Finite Element Analysis

引言

在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，變形、位移量通常是判斷橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，以往采用接觸式測(cè)量方法時(shí)無(wú)法有效保障測(cè)量精度，運(yùn)用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變值時(shí)也易受到測(cè)量面積、測(cè)量場(chǎng)所等條件的干擾，因此對(duì)于非接觸式光學(xué)測(cè)量技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提出了更高的要求。本文采用的數(shù)字圖像處理技術(shù)是一種新的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，具有光路簡(jiǎn)單、表面處理技術(shù)簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)全場(chǎng)非接觸性、無(wú)損測(cè)試，將其應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中可獲取到更加精確的位移、應(yīng)力與應(yīng)變值，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁微小缺陷的精確識(shí)別，能夠有效提升橋梁檢測(cè)質(zhì)量。

1光學(xué)檢測(cè)的基本原理與相關(guān)檢測(cè)方法分析

1.1數(shù)字散斑原理

數(shù)字散斑相關(guān)方法是指依據(jù)變形前后物體表面隨機(jī)分布的散斑場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，確定物體的變形量。具體來說，需分別采集物體變形前、后的兩幅數(shù)字散斑圖，選取變形前數(shù)字散斑圖中的一小塊圖像作為樣本子區(qū)，則變形后的數(shù)字散斑圖中與樣本子區(qū)對(duì)應(yīng)的圖像區(qū)域即定義為目標(biāo)子區(qū)，通過確定二者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可完成變形量的提取，其變形量主要由位移分量、應(yīng)變分量?jī)刹糠纸M成。在統(tǒng)計(jì)相關(guān)量計(jì)算時(shí)需建立一個(gè)數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，用于判斷目標(biāo)圖像與樣本圖像中的子區(qū)是否對(duì)應(yīng)，配合搜索算法完成位移、形變的求解[1]。在將數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中時(shí)，需利用攝像機(jī)記錄散斑圖，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將散斑圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，并以圖像數(shù)據(jù)文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，通過數(shù)字相關(guān)方法運(yùn)算求解出變形體的表面位移與應(yīng)變。

1.2數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)

1.2.1橋梁裂紋的圖像特征分析

采用數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行橋梁裂紋圖像特征分析，從中可以發(fā)現(xiàn)，橋梁裂紋的寬度通常為一個(gè)較小的物理量，在采集到的圖像中裂紋與背景的對(duì)比度往往較小，且易受噪聲干擾的影響，為實(shí)現(xiàn)對(duì)較小物理量的非接觸性測(cè)量并且保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，需針對(duì)橋梁裂紋圖像進(jìn)行綜合處理，保障獲取到的裂紋尺寸的可靠性[2]。

1.2.2橋梁裂紋的圖像識(shí)別方法

首先是邊緣檢測(cè)，主要依據(jù)不同特征區(qū)域的灰度變化檢測(cè)圖像發(fā)生特性變化的具體位置，利用灰度值一階導(dǎo)數(shù)的極大值代表邊界點(diǎn)的強(qiáng)度，將圖像f中的任意一點(diǎn)灰度值梯度設(shè)為G（x，y），其計(jì)算公式為：

其次是圖像分割，主要指提取出圖像中的邊緣、區(qū)域等有意義的特征部分，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割處理。本文采用Canny算子進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)，經(jīng)由迭代求解出閾值，從背景圖像中提取出裂紋信息，完成圖像的分割處理。

再次是圖像增強(qiáng)，選取g（x，y）作為增強(qiáng)處理后的圖像灰度值梯度，其數(shù)值等同于T[G（x，y）]，其中T的定義域在（x，y）上。倘若需使圖像低端、高端的灰度值保持不變，需將中間灰度值由s1到s2拉伸至t1到t2，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋信息的有效增強(qiáng)。

最后是裂紋寬度、長(zhǎng)度等幾何信息的獲取，依據(jù)裂紋的起始點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)即可計(jì)算出裂紋的長(zhǎng)度;寬度計(jì)算時(shí)，可做出裂紋的法線，與裂紋邊緣存在M、N兩交點(diǎn)，其距離即為裂紋寬度，計(jì)算公式為：

1.3電阻應(yīng)變測(cè)量方法

電阻應(yīng)變測(cè)量方法主要以電阻應(yīng)變片作為傳感元件，選取被測(cè)試件表面一指定點(diǎn)，將其應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化并進(jìn)行放大處理。該檢測(cè)方法在測(cè)量位移、應(yīng)變中得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)在于具備較高的靈敏度與精確度，分辨率達(dá)到一個(gè)微應(yīng)變，其測(cè)量結(jié)果以電信號(hào)的形式呈現(xiàn)，可提高數(shù)據(jù)處理便捷度、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量;但其缺陷在于試驗(yàn)裝置與流程較為繁瑣，無(wú)法獲取試件整體應(yīng)力分布狀況，僅能測(cè)得應(yīng)變片絲柵面積上的平均應(yīng)變，適用范圍較為狹窄。

2數(shù)字圖像處理技術(shù)與有限元方法在橋梁檢測(cè)中的具體應(yīng)用

鑒于當(dāng)前數(shù)字散斑相關(guān)方法已在結(jié)構(gòu)位移測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但尚且無(wú)法滿足應(yīng)變測(cè)量要求，本文擬將數(shù)字圖像處理技術(shù)與有限元方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將其運(yùn)用于某斜拉橋結(jié)構(gòu)模型中開展橋梁檢測(cè)的試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過程中，分別選取模型的固定端、斜索索孔位置噴制散斑，在橋梁模型承載條件下采集散斑圖，并利用應(yīng)變儀輔助完成檢測(cè)。利用編制的軟件進(jìn)行位移值的計(jì)算，并將其作為邊界條件施加在有限元模型上計(jì)算出位移值、應(yīng)力值與應(yīng)變值，用于在較短時(shí)間內(nèi)建立模型、完成相應(yīng)數(shù)值計(jì)算，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范，從而為橋梁檢測(cè)工作提供一種便捷的新方法。

2.1數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1人工制斑技術(shù)

在人工散斑制作時(shí)，選取白、黑兩種顏色的漆分別噴涂在試件表面構(gòu)成白、黑兩色斑點(diǎn)，使后一次噴涂上的斑點(diǎn)與前一次噴上的斑點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效重疊，形成高質(zhì)量散斑圖，利用噴頭與試件距離調(diào)節(jié)斑點(diǎn)大小，借此提高計(jì)算精度。

2.1.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字散斑測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由以下五部分組成：其一是計(jì)算機(jī)，選取P4C1.2G微型計(jì)算機(jī)作為控制中心，其內(nèi)存為512M，用于實(shí)現(xiàn)圖像的高速采集;其二是圖像采集卡，用于實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換;其三是CCD攝像機(jī)，用于將圖像轉(zhuǎn)化為CCD電荷信號(hào)，生成完整的視頻信號(hào);其五是放大鏡頭，選取組合變焦鏡頭實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)大小的便捷調(diào)節(jié)[3]。

2.1.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選取Borland C++ Builder6.0作為軟件開發(fā)工具，在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行，軟件系統(tǒng)的位移測(cè)量模塊主要由圖像采集、像素標(biāo)定、位移計(jì)算等部分組成。在軟件系統(tǒng)中位移測(cè)量部分的程序設(shè)計(jì)上，分別讀入第一幅計(jì)算用圖像文件、第二幅計(jì)算用圖像文件——針對(duì)內(nèi)存中未經(jīng)處理的兩幅圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括灰度化、去噪、銳化——針對(duì)內(nèi)存中處理后的兩幅圖像進(jìn)行屏幕顯示——生成相關(guān)分析結(jié)果：各點(diǎn)原始中心位置，偏移后中心點(diǎn)位置，n個(gè)位置偏移量n個(gè)相關(guān)系數(shù)。

2.1.4試驗(yàn)過程分析

采用數(shù)字散斑相關(guān)方法完成試件在不同變形狀態(tài)下的兩幅圖像的采集與數(shù)字化處理，獲取面內(nèi)位移分量與位移梯度[4]。具體來說，需先在試件表面制作人工散斑，采集試件變形前的圖像作為參考圖像，選取試件變形后的圖像作為目標(biāo)圖像，利用軟件進(jìn)行處理獲取試件的變形信息。鑒于采用數(shù)字散斑相關(guān)方法獲取到的位移信息主要以像素值的形式存在，因此在試驗(yàn)前可先利用坐標(biāo)紙貼在試件表面完成標(biāo)定處理，隨后測(cè)量?jī)梢阎本€間的像素?cái)?shù)，即可依據(jù)距離獲得放大倍數(shù)，滿足測(cè)量精度要求。

2.2基于工程實(shí)例的橋梁模型試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的目標(biāo)是以試驗(yàn)的實(shí)物或模型為參照，利用多種測(cè)量?jī)x器設(shè)備、試驗(yàn)技術(shù)手段，在荷載與其他因素的作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的測(cè)量，圍繞強(qiáng)度、剛度、抗裂性等層面實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能、承載能力的判斷，確定結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求。通過依托工程實(shí)例開展橋梁模型試驗(yàn)，能夠?yàn)閺?fù)雜橋跨結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)研究提供參考，既可以針對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，也能夠用于確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部受力狀態(tài)。

2.2.1工程概況

以某市一斜拉橋?yàn)槔摌蛄鹤溆谀晨焖佘壍澜煌ň€上，橋梁主橋結(jié)構(gòu)為獨(dú)塔無(wú)背索斜拉橋，跨徑布置為31m+44m+130m，其中31m+44m為斜橋塔范圍，130m為主跨范圍;主梁寬度為11.6m，采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，斜索錨固在主梁懸臂端，利用預(yù)應(yīng)力鋼束構(gòu)成的拉桿將斜索作用傳遞至主箱室處;在主梁斜索間各設(shè)有3.25m的兩道T型結(jié)構(gòu)撐梁，在主箱室內(nèi)部設(shè)有尺寸為75cm×20cm的橫隔板。該橋的立面布置與橋面系布置情況如圖1、圖2所示。

2.2.2結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

其一是幾何相似，需確保橋梁結(jié)構(gòu)模型與橋梁真實(shí)結(jié)構(gòu)滿足幾何相似原則，利用長(zhǎng)度相似常數(shù)代表模型比例，本文建立的結(jié)構(gòu)模型與原橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度相似常數(shù)SL=1：50。其二是力學(xué)相似，要求橋梁結(jié)構(gòu)模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的荷載大小成比例、方向保持一致，其集中荷載相似常數(shù)Sp=Sl2·Sσ。其三是物理相似，要求橋梁結(jié)構(gòu)模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的應(yīng)力、應(yīng)變與變形關(guān)系保持相似性，本文建立的橋梁結(jié)構(gòu)模型與真實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變比S?=1，彈性模量比SE1=8.4849×10-2，其中實(shí)際橋梁C60混凝土的EC=36.0GPa，有機(jī)玻璃試件的E=3.097GPa。

2.3試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.3.1試驗(yàn)方法

首先選用電測(cè)法進(jìn)行橋梁應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量，選取BE350-2BB型電阻應(yīng)變片配合YJ-22型靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)量處理儀作為試驗(yàn)設(shè)備，在索孔、固定端附近均采用半橋輸出方式，將溫度補(bǔ)償片粘貼在與模型相同且不受力的材料處進(jìn)行溫度補(bǔ)償。隨后選用數(shù)字散斑相關(guān)方法采集圖像，選取橋梁的C18索孔、固定端兩處噴涂散斑，針對(duì)其位移數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集;在固定端采用分布荷載，選取沙袋平鋪在主梁平面處，在僅施加索力的情況下采集索孔位置的散斑圖，配合應(yīng)變儀測(cè)量索力值變化情況。最后采用數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行橋梁含裂紋下腹板的檢測(cè)，選用相機(jī)型號(hào)為尼康D300。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果

采用數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)模型的C18索孔與固定端兩個(gè)位置的散斑圖進(jìn)行計(jì)算，分別獲取C18索孔上下、左右位置的像素位移值（如圖3、圖4所示）與固定端上下、左右位置的像素位移值（如圖5、圖6所示）。

采用圖像增強(qiáng)技術(shù)與Canny邊緣檢測(cè)將獲取的裂紋圖像進(jìn)行分割處理，測(cè)得裂紋寬度為0.24mm，將其與顯微鏡實(shí)測(cè)數(shù)值0.245mm相比較，可得出誤差為2%，證明該圖像識(shí)別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)橋梁微小缺陷的有效識(shí)別，在線檢測(cè)速度較快、檢測(cè)成本較低、測(cè)量結(jié)果精度較高，在橋梁裂紋檢測(cè)中具備良好的應(yīng)用價(jià)值[5]。

2.4有限元計(jì)算結(jié)果

將上文獲取到的C18索孔與固定端四個(gè)邊上的位移值加載到有限元模型上，以此作為已知位移邊界條件，選用PLANE42進(jìn)行有限元計(jì)算，分別得到C18索孔、固定端X向的位移值、應(yīng)力圖與應(yīng)變圖（如圖7-圖12所示）。

結(jié)合上述圖片可分別計(jì)算得出橋梁索孔處沿橋向應(yīng)力值與應(yīng)變值（如表1所示）、橋梁固定端處沿橋向應(yīng)力值與應(yīng)變值（如表2所示）。由此可見，將運(yùn)用數(shù)字散斑相關(guān)方法計(jì)算得出的位移值施加在有限元模型上，以此作為已知邊界條件，其計(jì)算得出的應(yīng)力值均未超過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值、符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，并且利用ANSYS計(jì)算出的應(yīng)變值為某一節(jié)點(diǎn)處的最大值475με，而利用電測(cè)法計(jì)算出的應(yīng)變值為平均值303με，因此將數(shù)字散斑相關(guān)方法與有限元方法相結(jié)合計(jì)算出的應(yīng)變值相較于應(yīng)變儀測(cè)量出的應(yīng)變值精度更高，可有效節(jié)約建模時(shí)間與計(jì)算時(shí)間，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)論

本文選取數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行橋梁位移、裂紋的檢測(cè)，配合有限元方法開展復(fù)雜橋梁模型試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，采用該方法測(cè)得的橋梁結(jié)構(gòu)模型的索孔處最大應(yīng)力為1.636MPa、轉(zhuǎn)化為實(shí)橋?yàn)?9.027MPa，固定端最大應(yīng)力為1.784MPa、轉(zhuǎn)化為實(shí)橋?yàn)?0.748MPa，計(jì)算結(jié)果符合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，證明該橋梁測(cè)試結(jié)果合格。利用兩種方法測(cè)得的索孔、固定端兩處的最大應(yīng)變值分別為475με和526με，而采用傳統(tǒng)應(yīng)變儀測(cè)得的索孔、固定端兩處的平均應(yīng)變值分別為303με和101με。在采用數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)測(cè)得的橋梁裂紋寬度為0.24mm，與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差僅為2%，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁微小缺陷的有效識(shí)別。由此證明，本文采用的測(cè)量方法測(cè)得結(jié)果的精度更高，在橋梁位移與裂紋檢測(cè)中具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

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（作者單位：1.內(nèi)蒙古科技大學(xué);2.陜西建大工程技術(shù)檢測(cè)中心有限公司）