基于激光測量的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法

李衛(wèi)永 于 杰

（中建二局第一建筑工程有限公司，亦莊 100176）

鋼結(jié)構(gòu)普遍采用焊接的連接方式，加工較為簡便，構(gòu)造相對簡單，不僅具有較好的連接性能，而且可以節(jié)省材料，增加建筑工程的剛度，滿足實(shí)際建筑的需求。鋼結(jié)構(gòu)是建筑工程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在加工生產(chǎn)和焊接過程中均有可能出現(xiàn)缺陷[1]。例如：在生產(chǎn)過程中，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)因腐蝕條件因素導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)缺陷；在焊接過程中，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)由于集中應(yīng)力的存在引起載荷的不斷變化，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)缺陷。表面缺陷的產(chǎn)生往往是從小到大的，小缺陷沒有得到及時(shí)處理就會(huì)變成大缺陷，會(huì)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)造成較大的財(cái)產(chǎn)損失[2]。

鋼結(jié)構(gòu)缺陷存在兩種形式，分別為可見式的表面缺陷和不可見式的內(nèi)部缺陷。鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時(shí)會(huì)因溫度等影響而出現(xiàn)裂紋等缺陷，如果不及時(shí)處理會(huì)出現(xiàn)更大的裂紋，影響鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失去安全性[3]。少部分鋼結(jié)構(gòu)會(huì)直接出現(xiàn)內(nèi)部缺陷情況，影響鋼結(jié)構(gòu)的安全性。鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋是最常見也是最危險(xiǎn)的缺陷形式之一，由此引發(fā)的故障超過70%[4]。因此，在鋼結(jié)構(gòu)缺陷識別過程中，需要識別裂紋情況，最大限度地減少裂紋缺陷出現(xiàn)的可能性。基于此，研究基于激光測量的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法，以確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 基于激光測量的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法設(shè)計(jì)

1.1 提取建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷特征

在識別鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的過程中，需要先提取鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷特征。使用激光測量的方式，可以測量鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷長度和延伸到內(nèi)部的缺陷長度[5]。其中，激光測量儀的使用必不可少。當(dāng)激光投射到鋼結(jié)構(gòu)表面時(shí)，光條情況可以反映鋼結(jié)構(gòu)的幾何信息，即分別從表面結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩方面反映鋼結(jié)構(gòu)的幾何信息。幾何信息的特征就是鋼結(jié)構(gòu)表面的特征。線型激光束投射到鋼結(jié)構(gòu)表面時(shí)，線斑中間部分最亮。隨著線斑的移動(dòng)，如果線斑中間部分亮度轉(zhuǎn)暗，則說明該區(qū)域存在缺陷，需要找出缺陷可能存在的位置并檢測該區(qū)域。如果可以明顯看出缺陷，說明是表面缺陷；如果不能明顯看出缺陷，說明是內(nèi)部缺陷[6]；還有部分缺陷屬于表面缺陷但并沒有明顯特征，需要利用激光束進(jìn)一步提取特征。

1.2 基于激光測量定量分析鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷

使用激光測量方法會(huì)存在光照強(qiáng)度差異、鋼結(jié)構(gòu)表面性質(zhì)差異以及測量儀噪聲等問題，影響表面缺陷的特征提取。因此，這里定量分析表面缺陷特征。為了使鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷信息更加清晰，使用激光測量方式時(shí)會(huì)通過提取激光中心圖像保留表面缺陷信息。但是，周圍環(huán)境會(huì)干擾光束圖像，需要通過定量分析方式減少圖像干擾情況的發(fā)生。圖像噪聲主要是顆粒噪聲，定量分析時(shí)需要消除噪聲。當(dāng)激光光束中心點(diǎn)發(fā)生變暗現(xiàn)象時(shí)，需要孤立處理該區(qū)域，并灰度處理該區(qū)域包含的激光束圖像，公式如下：

式中：M(sx)為灰度處理后的激光束圖像值；hx為圖像灰度像素值；x為常數(shù)；h為圖像的灰度級別；m、i為常數(shù)；K為處理系數(shù)。灰度處理后的圖像缺陷特征明顯，需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，使圖像中的缺陷情況更加明顯，公式如下：

式中：d為圖像增強(qiáng)處理后的缺陷特征數(shù)據(jù)；Dx為噪聲修正系數(shù)；m為常數(shù)；fm為修正系數(shù)；dmax為最大缺陷特征數(shù)據(jù)；a為最大系數(shù)；dmin為最小缺陷特征數(shù)據(jù)；r為最小系數(shù)。圖像增強(qiáng)處理后，光束與背景對比度較強(qiáng)，可以更加清晰地分辨鋼結(jié)構(gòu)表面的缺陷，大幅提升了識別精準(zhǔn)度。

1.3 實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的精準(zhǔn)識別

為了實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的精準(zhǔn)識別，本文從兩方面進(jìn)行分析：一方面，提取鋼結(jié)構(gòu)表面的明顯特征；另一方面，提取鋼結(jié)構(gòu)表面不明顯的缺陷特征。通過兩方面的特征提取，可清晰化處理建筑鋼結(jié)構(gòu)表面的缺陷，從灰度、增強(qiáng)等方面得到幾個(gè)特定的圖像區(qū)域。提取表面缺陷特征，可以獲得更有價(jià)值的缺陷特征。由于激光測量過程產(chǎn)生的光束存在較多的不確定性因素，想要實(shí)現(xiàn)較高的缺陷識別精準(zhǔn)度，需要加強(qiáng)測量的魯棒性。

魯棒性的中心加強(qiáng)公式如下：

式中：l為魯棒性的中心加強(qiáng)值；P為魯棒性加強(qiáng)值；Q為橫截面魯棒性的加強(qiáng)值；c為加強(qiáng)系數(shù)；T0、T1分別為鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的初始測量值和末端測量值；Tc+1為魯棒性加強(qiáng)后缺陷位置測量值；Tc為魯棒性的測量閾值；v為灰度加強(qiáng)系數(shù)；Tv+1為灰度加強(qiáng)后缺陷位置的測量值；Tv為灰度加強(qiáng)閾值。加強(qiáng)測量的魯棒性后，測量精準(zhǔn)度更高，識別效果更佳。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的識別方法是否具有實(shí)用價(jià)值，對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

首先，通過缺陷檢測裝置檢測鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部與表面缺陷，以更清晰地認(rèn)知鋼結(jié)構(gòu)。缺陷檢測裝置如圖1所示。

其次，提取表面缺陷特征可得出鋼結(jié)構(gòu)表面的主要缺陷結(jié)構(gòu)。建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷如圖2所示，裂紋放大圖像如圖3所示。

最后，將傳統(tǒng)建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法與設(shè)計(jì)的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法進(jìn)行對比，得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，分析鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋缺陷。檢測過程從鋼結(jié)構(gòu)表面沿試件內(nèi)部進(jìn)行檢測，使用激光測量方法分析鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況。激光測量儀振動(dòng)能量迅速衰減后，證明鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況良好，可以減少表面缺陷識別的不確定性因素，提升識別的精準(zhǔn)度。表面缺陷的識別方式分為兩種：一種是直接觀察缺陷，通常此類缺陷較為明顯；另一種是使用激光測量的方式觀察缺陷，通常此類缺陷不明顯，很容易降低識別精準(zhǔn)度。使用激光測量方式的表面缺陷識別示意圖，如圖4所示。

由圖4可知，表面缺陷囊括了上表面缺陷和下表面缺陷。使用激光測量方法可測量表面埋深距離和缺陷深度距離，從而精準(zhǔn)識別缺陷的實(shí)際長度，提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)選取8個(gè)鋼材試件，將其標(biāo)號為M1～M8。由于建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷以表面裂紋為主，因此將傳統(tǒng)建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法提取的鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋長度與設(shè)計(jì)的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法提取的鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋長度進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，隨機(jī)選取的M1～M8試件中，每個(gè)試件的實(shí)際裂紋長度均不同。傳統(tǒng)建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法提取的鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋長度與實(shí)際裂紋長度相差±0.020 mm，鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別效果不佳，容易影響建筑鋼材料的使用，造成施工質(zhì)量問題。而設(shè)計(jì)的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法提取的鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋長度與實(shí)際裂紋長度僅相差±0.001 mm，其中M1、M6、M8試件的識別的裂紋長度與實(shí)際裂紋長度一致。綜上所述，設(shè)計(jì)的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法可以保證最佳鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別效果，裂紋識別誤差較小，識別精準(zhǔn)度較高。

3 結(jié)語

近年來，鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為航空航天、車輛以及壓力管道等工程領(lǐng)域中不可或缺的部分，在工業(yè)上的應(yīng)用尤為重要。鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)切口、咬邊、夾雜或微細(xì)裂紋等缺陷。使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷易受環(huán)境侵蝕和載荷附加作用的影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷擴(kuò)散到內(nèi)部時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)安全性下降，會(huì)影響工程的下一步施工。研究基于激光測量的建筑鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷識別方法，通過實(shí)驗(yàn)分析可以得出新識別方法的識別效果更佳，提高了鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的識別精度，可為鋼結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量提供保障。