橋梁預制樁施工機械裂紋無損檢測技術研究

高曉清

（江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，江蘇 江陰 214400）

預制樁施工是橋梁工程修建中的必要組成部分，其作用是將橋梁上部的荷載傳遞到深處承載力較強的土層中，以穩固整體橋梁的穩定性，提高橋梁結構的安全性。然而，橋梁預制樁在施工過程中，受到機械的擠壓作用力，很容易出現裂紋。裂紋一旦存在，若是不能及時發現和處理，繼續擴展下去，會形成貫穿裂紋，最終使得預制樁整體粉碎，失去其作用。面對這種情況，進行機械裂紋檢測是十分必要的。機械裂紋檢測目前主要有兩類方法，即有損檢測，這種檢測方法準確性較高，但是很容易再次損傷檢測目標，因此相比有損檢測，第二類無損檢測更常用。目前，關于無損檢測方法有很多。例如，基于超聲波的檢測技術，該技術通過向被檢測目標發射超聲波，然后采集回波信號，最后通過分析，識別預制樁是否存在機械裂紋。這種檢測方法效率較高，但是很容易受到檢測目標的材質、晶粒度的影響，檢測準確性不穩定?；诘卮艌黾畹臋z測方法，該方法是在磁場的作用下采集關于待檢測目標的磁導率，存在缺陷的目標的磁導率有別于沒有缺陷的目標的磁導率，由此可以判斷是否存在缺陷。這種方法準確度相對較高，但是檢測過程較為復雜，且不能確定缺陷的深度。結合前人研究經驗，將渦流脈沖技術與紅外成像技術相結合，研究一種復合機械裂紋無損檢測。

1 基于渦流脈沖紅外熱成像的無損檢測研究

單一的檢測技術均存在各種各樣的缺陷，使得檢測結果的可靠性不足。針對這一點，提出一種基于渦流脈沖紅外熱成像的無損檢測技術。該檢測技術主要分為3部分，即橋梁預制樁渦流脈沖紅外熱圖像采集與處理、圖像特征提取、裂紋檢測實現。下面針對這3 個步驟進行具體分析。

1.1 橋梁預制樁渦流脈沖紅外熱圖像采集與處理

檢測的第一步就是獲取關于待檢測目標的數據，在本研究中是指預制樁的渦流脈沖紅外熱圖像。成像原理是利用激勵線圈向著橋梁預制樁發送脈沖電磁，在橋梁預制樁表面形成渦流。當橋梁預制樁表面沒有裂紋時，渦流感應是均勻分布的，因此，橋梁預制樁的表面溫度也是相同的。然而，當橋梁預制樁表面存在裂紋時，渦流感應會根據裂紋的位置呈現不規則分布。基于這種情況，通過紅外熱像儀拍攝橋梁預制樁，就可以獲得橋梁預制樁紅外圖像。由此可知，渦流脈沖是熱源，紅外熱像儀是傳感器。在完成橋梁預制樁的紅外圖像采集后，還需要對圖像進行預處理，提高圖像質量。

（1）紅外圖像灰度化。通過下述公式將紅外圖像的像素轉換到0 ～255?；叶然饺缦拢?/p>

式中，Q(i,j)代表灰度化后的像素；R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)分別代表紅、綠、藍三色彩原始分量。

（2）紅外圖像平滑。紅外圖像平滑的作用是去除圖像中噪聲點，使得圖像中隱藏的細節信息更加清晰化。在這里利用改進中值濾波法進行平滑，主要分為兩個步驟。第一步驟是對圖像中的所有像素點進行極值點分類，分類公式如下：

式中，A(i,j)代表圖像中位置(i,j)處的像素點；B代表噪聲點類別；C代表圖像像素點類別；SA(i,j)代表像素點A(i,j)的鄰域；minSA(i,j)，maxSA(i,j)分別代表SA(i,j)內所有像素點的最小值和最大值。

針對分類出來的B，進行中值濾波，具體公式如下：

式中，D(i,j)代表中值濾波后(i,j)處的灰度值；AB(i,j)代表B 中噪聲點；W 代表濾波模板。

（3）圖像對比度增強。圖像對比度增強的目的是增強圖像中裂紋處與其他背景像素之間的對比度，具體過程如下。

步驟1：輸入待處理的橋梁預制樁渦流脈沖紅外熱圖像。步驟2：去除冗余直方圖，將直方圖壓縮。步驟3：將壓縮后的直方圖全顯示范圍擴展。步驟4：利用最小誤差法對直方圖進行閾值分割，得到兩個類型的子圖像直方圖，分別記為低灰度范圍直方圖F1(k)和高灰度范圍直方圖F2(k)。其中，k代表圖像中的灰度級。步驟5：分割后兩個子圖像直方圖對數變換。變換公式如下：

式中，1P、2P分別代表對數變換后的子圖像直方圖；U代表分割閾值。

步驟6：兩個子直方圖在各自范圍內均衡化。步驟7：合并均衡化后的兩個子直方圖。步驟8：得到增強后的橋梁預制樁渦流脈沖紅外熱圖像。

經過上述一系列過程，完成了橋梁預制樁渦流脈沖紅外熱圖像采集與處理工作。

1.2 橋梁預制樁紅外熱圖像特征提取

圖像中包含的信息量一般較多，若是都用于最后的裂紋檢測，工作量比較大，因此，通過提取圖像中的特征信息，可以很大程度上減少檢測工作量?；谛〔ǚ纸夂螅崛D像的小波能量和不變矩。具體過程如下。

步驟1：對橋梁預制樁紅外圖像的像素進行歸一化處理。步驟2：將Harr 小波作為小波基函數，其表達式如下。

式中，γ代表支撐域；μ(t)代表Harr 小波函數。步驟3：確定圖像的分解尺度，記為N。步驟4：利用μ(t)將橋梁預制樁紅外熱圖像分解為N個尺度的頻子圖像。步驟5：計算N個尺度低頻子圖像的能量，計算公式如下：

式中，Eg代表第i 個尺度低頻子圖像的能量；rg(i,j)代表第g 個尺度低頻子圖像；mn 代表第g 個尺度低頻子圖像的大小。步驟6：計算每個尺度低頻子圖像的中心矩。計算公式如下：

式中，yαβ代表中心矩；(io,jo)代表圖像質心的坐標；h=1,2,...,H;t=1,2,...,T代表階數。步驟7：根據yαβ得出兩個不變矩，即平移不變性和伸縮不變性的矩值。步驟8：由每個尺度低頻子圖像的能量和兩個不變矩進行歸一化處理，構成整個圖像特征矢量。

經過上述過程，完成橋梁預制樁紅外熱圖像特征提取工作。

1.3 機械裂紋檢測

基于上述章節的研究成果，本章節進行橋梁預制樁施工機械裂紋檢測。檢測以支持向量機為核心，構建檢測模型。檢測模型表達式如下：

式中，f(x)代表最優分類結果；al代表最優超平面加權系數向量；bl代表拉格朗日乘子；d代表分類閾值；cl代表第l個特征向量；λ( )代表核函數。

在利用支持向量機檢測出橋梁預制樁是否存在裂紋之后，進一步確定裂紋的幾何參數。具體過程如下：

步驟1：利用OTSU 法確定圖像中的裂紋目標。步驟2：計算最大類間方差，從整個圖像中分割出裂紋區域。步驟3：采用鏈碼定義缺陷邊界。在一個圖像中，一個像素連接到另一個像素有8 條不同的路徑，給每個路徑賦予一個代號，就是鏈碼。假設以裂紋區域的J(i,j)點為起點，按照順時針方向，其鏈碼示例為J(i,j)→12501076。步驟4：鏈碼圈定了一個裂紋邊緣區域，由此形成了具有M 個頂點不規則圖形。步驟5：根據鏈碼可以直接裂紋的面積和周長。

經過上述章節的研究，完成橋梁預制樁施工機械裂紋無損檢測技術分析。

2 算例測試與分析

2.1 算例概況

橋梁預制樁最常見的材質為混凝土。為此，按設計好的配合比澆筑混凝土預制樁試件，試件尺寸為40cm×10cm×10cm。然后采用3 點彎曲試驗形成預制裂紋。預制裂紋的尺寸設計如表1 所示。

表1 預制裂紋的尺寸設計表

在完成試件制作后，采集預制樁試件的渦流脈沖紅外熱圖像。

2.2 圖像特征提取結果

設置小波分解尺度為7，基于章節1.2 研究，提取每個尺度子圖像的能量和不變矩，結果如表2 所示。

表2 圖像特征提取結果

2.3 對比分析

利用所研究檢測技術、基于超聲波的檢測技術、基于地磁場激勵的檢測技術進行預制樁試件裂紋檢測，然后計算裂紋的面積和周長，然后與實際情況（由表1 預制裂紋尺寸計算獲得）進行對比。結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 裂紋面積誤差對比圖

圖2 裂紋周長誤差對比圖

從圖1 和圖2 中可以看出，與基于超聲波的檢測技術、基于地磁場激勵的檢測技術相比，所研究技術應用下裂紋面積和周長誤差要更小，說明所研究技術的檢測結果更準確，證明了技術的有效性。

3 結語

橋梁是一種特殊的道路工程。當道路工程修建到地形地勢復雜或者河流山谷地段時，需要建造橋梁預制柱。橋梁預制柱在維持橋梁工程修建過程的穩定性中起到了重要的作用，因此保證其結果無缺陷至關重要。在此背景下，研究一種橋梁預制樁施工機械裂紋無損檢測技術。該技術通過渦流脈沖讓橋梁預制樁出現溫度，然后采集紅外圖像?；趯t外圖像的處理和分析，判斷其是否存在裂紋以及裂紋的尺寸，完成無損檢測。最后，通過算例，檢測了試件的裂紋以及尺寸偏差，證明了所研究技術的檢測效果。