（固体力学专业论文）桥梁检测及其光学检测方法研究.pdf

摘要 本文分别通过数值计算和现场检测两种手段对d h 立交桥破坏最严重的匝2 西连续梁段进行了承载力分析，并总结出了适于异形连续梁承载力测试的有限元 模型和实验方法。结果表明，两种方法所得到的结果比较吻合。 本文还研究了利用数字图像处理技术采集与测量土木结构面内位移的光学 测试方法，即形心搜索法。所谓形心搜索法是，在待测面内位移的物体表面均匀 喷上浅色背景，然后画上数个与背景颜色反差很大的离散标记，最后利用变形前 图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为该标记形心处的位移 增量来测量粱体表面位移的方法。在提取标记形心处的位移增量时，用计算机图 形学、边缘检测、图像二值化等数字图像相关知识处理图像得到了数据，并开发 了数字图像数据处理系统。利用这系统，可以准确地获得标记形心处的位移。 从实验数据表明，此方法的误差一般在0 ，1 1 之间，绝对误差绝大部分都在 1 0 a n 以内，也说明了此方法是计算速度快、精度高的测量方法。 本文将形心搜索法和有限元法位移插值函数相结合探索了快速测量桥梁梁 体局部表面位移场、应变场的一种新方法。所用测量节点位移增量的方法是形心 搜索法，并用插值函数设定了单元内的位移模式，并在此基础上进一步求出了单 元内的应变和应力。较一般方法测物体表面局部位移场、应变场，具有较高的精 度和很高的计算速度。在本文中，在待测位移场的梁体表面上喷上以矩阵形式排 列的m ”个与背景颜色反差很大的离散标记，以标记形心坐标作为变形前节点 坐标。以变形前图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为节点位 移增量，用弹性力学平面问题理论进一步计算出了单元内的应变和应力。 本文还在数字图像相关原理的基础上，把形心搜索法与数字图像相关方法进 行了结合。在数字图像相关测量方法的相关算法中，每一种算法都需要获取初始 值，而且初始值的获取对于相关运算的正确性和计算速度起着至关重要的作用。 本文的计算方法以用形心搜索法得到的标记形心处的位移增量作为初始值，并以 变形莳标记形t l , 处的坐标值作为子区中心值，并运用相关理论计算了包含一个标 已的变形前后图像。从而节省了初始值的搜索所用的时间，并保证了相关运算收 敛于全局最小值点。 关键词：桥梁检测、a n s y s 、形心、二值图像、闽值分割、边缘检测、数字图 像相关 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o no f o u rc o u n t r yh a s g o r e nt h eh u g e a c h i e v e m e n tt h a tm a k e so n ef o c u sa t t e n t i o nw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn m i o n a l e c o n o m y h i g h w a yn e t se x t e n d i n gi na l l d i r e c t i o n so fm a n yc i t i e st h a tt a k eh i g h e r l e v e lh i 曲w a ya s1 y l a i l ls k e l e t o nh a v ea l r e a d yf o r m e d p r e l i m i n a r i l y b u ta f t e rb r i d g ei s e s t a b l i s h e da n do p e nt ot r a f f i c ，v a r i o u sf a c t o rc a nm a k es a f ed e g r e eo fb r i d g ed r o p a l o n gw i t ht i m ep a s s n o w o n l yf r o mi n c r e a s i n go f v e h i c l el o a da n d t r a f f i c ，m a n yb r i d g e sh a v eh u g eh i d d e n t r o u b l e s o ，i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f eo p e r a t i o no fe x i s t i n gb r i d g ea n dp r o l o n gi t s s a f et e n u r eo f b e i n g u s e da sf a ra sp o s s i b l e ，i ti sn e c e s s a r yt od e t e c ta n da s s e s se x i s t i n g b r i d g ea n d t ok n o wi t ss a f ec o n d i t i o na n ds u r p l u sb e a r i n gc a p a c i t y t h e r e f o r e ，f o rb u i l t b r i d g er e c e n t l ya n d o l d b r i d g e ，d e t e c t i o nt ob r i d g eh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g t h i sp a p e rh a sa n a l y z e db e a r i n gc a p a c i t yt oc o n t i n u o u sb e a ms e c t i o nd a m a g e d s e r i o u s l yo fd o n g h u a no v e r p a s sb yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dd e t e c t i o no nj o b s i t er e s p e c t i v e l ya n dh a ss u m m a r i z e d e x p e r i m e n tm e t h o d a n df i n i t ee l e m e n tm o d e l t h a ta r es u i t a b l ef o rt e s to f b e a r i n gc a p a c i t yo fi r r e g u l a rc o n t i n u o u sb e a m a s ar e s u l t ， t h ec o n c l u s i o n sg o t t e nb yt w om e t h o d sa r ec o i n c i d e n tf a i r l y t h i sp a p e rh a ss t i l ls t u d i e dt h em e t h o do fh a n d l i n gt h ed i s p l a c e m e n ti ns t r u c t u r a l s u r f a c eu s i n gd i g i t a li m a g e - c e n t e ro f f i g u r es e a r c h m e t h o d t h ec e n t e ro f f i g u r es e a r c h m e t h o dc l a i m e di st h em e t h o dt h a ts p r a yt h eb a c k g r o u n do fl i g h tc o l o ro ns u r f a c e m e a s u r e d ，t h e nd r a w t h eg r e a tm a r k st h a tt h e i rc o l o ri sd i f f e r e n tf r o mt h eb a c k g r o u n d c o l o r ，f i n a l l yt a k et h ec h a n g eo f c o o r d i n a t e so fs o m ec o r r e s p o n d i n gc e n t e ro f f i g u r ei n o r i g i n a li m a g e a n df o r m e di m a g ea sd i s p l a c e m e n t so f t h ec e n t e ro f f i g u r e w h e n d r a w i n gt h ed i s p l a c e m e n ti n c r e m e n to f m a r k e dc e n t e ro f f i g u r e ，t h i sp a p e r h a sh a n d l e di m a g e sb yc o m p u t e rg r a p h i c sa n de d g ed e t e c t i o ne t c ，a n dd e v e l o p e d d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m u s i n gt h i ss y s t e m c a ng e tt h e d i s p l a c e m e n t o f m a r k e dc e n t e ro f f i g u r ea c c u r a t e l y f r o me x p e r i m e n t a ld a t a s ，t h ee r r o ro f t h i sm e t h o d i si n01 一l g e n e r a l l ya n da b s o l u t ee r r o ri sn e a r l yi n1 0 肼2 w i t h i n i ti sam e t h o d w i t hr a p i dc a l c u l a t i n gs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e da nr a p i da n de f f e c t i v ec a l c u l a t i o nm e t h o do fm e a s u r i n g s t r a i nv a l u eo fm a r k e dc e n t e ro ff i g u r ea tt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gd i g i t a li m a g e c o r r e l a t i o np r i n c i p l ef u l l y i nd i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o nm e t h o d ，t oo b t a i ni n i t i a lv a l u ep l a yam o s t i m p o r t a n tr o l e f o rt h ec o r r e c t n e s sa n ds p e e do fc o r r e l a t i o no p e r a t i o nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h i s p a p e rt a k e st h ed i s p l a c e m e n ti n c r e m e n to f m a r k e dc e n t e ro f f i g u r ea si n i t i a lv a l u ea n d t a k e sc o o r d i n a t e so fm a r k e dc e n t e ro ff i g u r ei no r i g i n a li m a g ea sc e n t e rv a l u e so f s u b s e l ，t oc a l c u l a t eo r i g i n a la n df o r m e di m a g ei n c l u d i n g am a r k b y c o r r e l a t i o nt h e o r y s o ，c a l lr a i s ec a l c u l a t i o ns p e e da n dp r e c i s i o nu n d e rt h ep r e r e q u i s i t eo fg u a r a n t e e i n g c o r r e l a t i o no p e r a t i o nt or e s t r a i n tt h em i n i m u mv a l u ep o i n to f o v e r a l lp o i n t s k e y w o r d s ：b r i d g e d e t e c t i o n 、a n s y s 、c e n t e ro f f i g u r e 、b i n a r yi m a g e 、 t h r e s h o l dp a r t i t i o n 、e d g ed e t e c t i o n 、d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的酩明并表示了谢意。 学位论文作者签名：金涮乏v 签字日期：剃牛年f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：金波 导师签名 冬够唏 寸 签字i 期：0 p d 乒年f 月 j 日签字日期：2 一忤，月日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1桥梁检测工作的重要意义 近年来，随着国民经济的飞速发展，我国公路建设取得了令人瞩目的巨大成 就，很多省市以高等级公路为主骨架四通八达的公路网已初步形成。桥梁是公路 的重要组成部分，目前，我国每年建设大量的公路桥梁，但是，桥梁建成通车以 后，随着时间的推移，种种因素会使桥梁安全度有所下降，如：原设计未达到使 用要求，施工未达到设计要求，桥梁存在病害，材料老化、锈蚀而未及时养护， 车辆荷载增大或交通量剧增，桥梁伸缩缝损坏或桥面不平整对桥梁结构带来的不 利影响等等。目前，仅从车辆荷载增大和交通量剧增这一个因素来看，很多桥梁 就存存着巨大的安全隐患。 我国经济建设的发展对作为先行的交通提出了愈来愈高的要求，反映在公路 运输方面，是交通量的不断增加和车辆载重量的增大。过度的疲劳加速了大桥的 夭折，以重庆宜宾大桥为例，本来到2 0 0 5 年的设计f 7 1 车流量才只有7 7 6 0 辆，而 目前实际上已达到4 7 0 0 0 多辆。这种长年累月的超负荷运营，终于导致了重大事 故的发生。京银路( 1 1 0 国道) 是晋煤外运通过北京市的一条主要干道，沿线有桥 涵4 5 座。建桥初期，陔路日交通量仅为几百辆次昼夜，其中多为解放、黄河 等中型载重卡车，载重量为8 1 0 吨。随着国民经济的发展，运煤车辆不断增加， 交通量同益增大，单车轴重也逐渐加大，目前，日交通量已达1 0 0 0 0 多辆次昼 夜，车型多为重型载重卡车。大量运煤车辆超载超限运行，最大单车总重已经超 过1 0 0 吨。因此京银路自通车以来，沿线桥梁重车一侧桥面不断出现坑洞，桥面 破损_ l | c 重，桥面板普遍出现裂缝、渗水，严重危及了交通行车安全。 根据全国公路普查资料显示，我国公路桥梁中危桥约占3 5 4 ；国道干线上 的危桥约占2 4 。除此以外，还有许多存在各种隐患的“半危桥”。以经济较为 发达的广东省为例：据2 0 0 0 年1 1 月2 9 日广州羊城晚报报道，广东省交通 厅对广东省内现有、在建桥技术状况进行了普查，结果发现1 8 7 万余座桥梁中， 属于三、四类不良状况或承载力不足问题的桥有4 2 4 4 座，占总数的2 2 7 ，长 达1 0 9 6 1 6 m 。虽然这些难顶重负的桥不都是危桥，但却也都是有新患旧患的险桥。 j 刊样的情况在一些发达国家也曾相当严重。1 9 6 7 年，美国俄亥俄河上的银 蚺章绪沦 桥拍：定豇噩i ：0 蜂删m 坍崩，造成一州人纯l ：，f n j 这场灾难竟然是_ j ：桥梁螺栓连接 处的烷杆断：錾! ! - j i 起的。矫的埘坳r j i 起了人们刈桥梁绌构发令性的霓视。汉年，美 州肼z 扎_ 嘲家桥梁榆测汁划，婴求对公蹄l f 】勺桥梁进行定期和不定期的检测， 19 7 i t 炎川修 j 了1 日家桥梁枪测标准( m ) 。n b l s 要求，对6 i m 以j ：桥 梁进fj 。资产竹刚，斤嘤求0 人节少2 年次进行定1 l i = i 榆蠢。1 9 7 8 年，美幽_ 义 玎始_ ：行r 公踏桥梁改建和维修圳，1 项l | ( i i b l l h ，) ，大幅度地提高了桥梁维修加 的j 川 j 并逐小增k 。h1l 为19 9 2 - - 2 0 0 3 年的h b i _ c r i ”认可柏投资总额卣乃1 表。 宴 麒 j ： ： 谣 临 鼍 。i 儿叫1 1 墨至薹萋至萤窭塞蚕 奇协 图1 一l1 9 9 22 0 0 3q - - ：mi 1 3 l ，认j 的投资总额 l i i 口，炎蛳年新处桥梁约7 ( ) ( ) ( ) 懈，改建约2 0 0 0 脒约】i 企荚桥梁总数的 1 蕊、，亿这i i l ：j | 卜l 铒f r 约1 ( 5 0 0 0 脒) 的桥梁 l lj 砚缺陷。似足，扣二政府1 1 i 雠畎| = _ f 的 史持r 、，久缺侨粱的数 l ；：从1 2 年的2 5 1 0 0 ( ) 座，到j 9 9 6 年的1 8 2 7 2 6 鹰，2 0 ( 1 0 年的i6 7 9 9 3 序，逐 r 红日出少，i 箍新资金投入的增_ f i j | ，还将继续减少，这也矿足 炎啡纠j j n 蹄j 期0 努力| 1 铱 0 咏指，公蹄桥梁。水矬没婴经历3 个阶段：新建阶段、新建与养护并亚 阶段、乔护1j 心建阶段。从以i ：资秘i4 i j t g g i t l ，以茺嘲为代农的发达围家已经基 小进、了养护j 改建阶段。我f i 虽然新建桥梁的任务仍很重，但也攮奉进入了新 建。j j i 护肝t ! 阶段，j l 养j ：1 1 l 、段矬已成为i r 点任务。然而，山于在人们的印蒙中， 桥粱r j 晒变少此n ：很多地力仍赴r ( 矬改轻维护。据统计，我圆桥粱的维护赞 川俅卟j f 。j ： 2 亿，眦丈际投x v , j h 订8 亿元，仪i ! i l 5 多t i ，而f l 维护手段 山l 确次乏，仪满足j 刘桥| f l f 的修修补补，这利竹况! j i ! 然) i 起了符省m 的m 视。 所以，为了保h l ! ；弛y f 桥的蜜个运一，尽w 能量正【丈其? 奠全使j _ | h i 瞅，就要剥现 订桥张进仃榆删k f - i i ；，了斛儿安个状况干剩余乐绒力。这样的检测吖i 硷足划新建 桥梁，还是对帆仃桥浆_ l i 仃精根i 压蜓的意义。 一九址桥愉测1 。鼬0 邗1 j 的推移，越米越多的桥梁将达到或接近其漱 汁使川年m 或符种原h 发小结构性缺拟：桥的老化观织叫j j 】! 。幽此，对桥 n8f：is -誊 0 0 o 0 o 0 o o 0 钟劬 天津火学硕十学位论文 第一章绪论 进行安全评估和研究剩余承载能力的鉴定方法和技术手段已经成为当务之急。只 有对这些旧桥的整体和各组成部件进行检查、检测，经过检算分析，必要时还需 辅以相关试验，才能使其病害情况、损伤程度得到进一步的了解，并且对病害与 损伤原因、现有承载能力、功能以及能否正常运营等作出鉴定，给出桥梁安全状 况的明确结论，同时还可提出需采取的措施及维修加固的建议。这样才能彻底消 除公路交通中潜在的隐患，避免重大灾难性事故的发生。 其次是对新桥的检测。在公路建设中，桥梁工程不仅规模巨大，而且技术难 度相对较高，施工质量很难完全达到设计要求，所以，当桥梁竣工后，应该进行 鉴定检测，其主要内容为测试梁跨结构的实际承载能力。通过对测试结果的综合 分析，掌握桥梁的技术状况，确定桥梁的使用条件，提出桥梁通车后的养护措施， 有效地保证桥粱结构物的使用安全与耐久性。另外，对于高速公路上结构新颖的 桥梁进行鉴定性监测工作，除直接完成生产性目的外，还具有重要的理论意义和 科学实验价值。因为这些桥梁虽然都在一定理论指导下，经过精心设计与计算而 成，但建成后桥梁的实际受力状态与承载能力是否与理论分析相符，在质量上是 否符合国家没计标准和设计文件的要求，这些要通过现场检测结果来确定。另外， 检测结构新颖的桥梁时，在了解荷载作用下桥梁实际受力状态的基础上，探索具 有普遍意义的规律，可为充实和发展桥梁结构计算理论积累丰富的宝贵资料。 1 ，2 桥梁检测的主要内容与基本方法 桥梁检测的内容因桥而异。对于新建桥梁和既有桥梁，检测的内容“分别 如下表所示： 1 新建桥梁检测的内容、方法及说明 表1 一l 项目检测内容检测方法说明 尺寸横截面尺寸量测，放射线透射，激光超声结构全部暴露在 波，冲击弹性波，雷达外或部分结构暴 露在外 钢筋j ( i i 置混凝土保护层雷达，电磁诱导法，x 射线限于表层钢筋 钢筋间距雷达，电磁诱导法，x 射线限于表层钢筋 钢筋直径电磁诱导法限于表层钢筋 结构总刚度共振法，激光多普勒仪振幅，频率 天津人学硕十学位论文 第一章绪论 2 既有桥梁检测的内容，方法及说明 表1 2 项目检测内容检测方法 说明 表面破损目测，照相 锈斑，裂缝 表面缺陷数字照相机，热录像仪，激光声包括蜂窝 内部缺陷测，热录像仪，雷达，超声波，x混凝土内侧的 射线，冲击弹性波蜂窝 应力与挠小变形放射线透射，激光 度大变形千分表，应变片 振动加速度传感器，l v d t ，激光多普 勒传感器 应力应变片，光学传感器 强度和刚混凝土强度钻芯取样，回弹，拉拨试验 度弹性模量钻芯取样，超声波 裂缝和剥裂缝分布数字照相机，热录像仪 落裂缝宽度数字照相机，热录像仪，激光 裂缝深度超声波 丌裂进程a e ，玻璃纤维传感器需要连续测试 扩散深度碳化深度钻芯取样 氯化深度钻芯取样 酸侵蚀深度钻芯取样 其它物质多谱分析限于混凝土表 层 渗透性渗透性现场渗透实验 钢筋锈蚀锈蚀位置自然电位法 锈蚀程度自然电位法，电流分析 需要周期性的 测试 1 3 数字散斑相关测量方法的历史、现状与发展 数字图像相关( d i c ) “。“”是对全场位移和应变进行量化分析的光测实验力学 第一章绪 仑 山。法它的 l 小原理址通过比较试什变形时后表而散斑图的变化，米获得位移神i 应变场。较之坩岜) t i j i 0 力学力法，具有如r 优点：j e 光路简单，小需要特殊的光 学仪i u + 以使川白j 匕做j t f , i ，对测试环境婴求低。另外它的测量范幽和灵敏度 j q 以f f 变f t ，j 以遁川j ：从微删j j j 5 7 , 删、从犬变形到微变，髟箨种n 犹的测m r - i 。 近些i 采，随符汁骆桃艘什_ 手i l 软件技术朐乜迷发疑以及1 螋蜓为囱效f 勺算法的提 出，他l e 突破j i f l 0 数州处j ：i i | | 1 9 限制，获褂j 更广泛的j 照用。 数7 i 冬】像州) ：方j _ ：的心烈山壶f l 址在8 0 年代仞i if 术y a m a g u c h j 和荚吲 s o ul 】。r o li l l ；1 人。j 知0w t 吖s 和w f r a n s o r i 等人同时提出f r j 。 y h t c hi 住研t 物体小变形咐朵j h 测撤物体变形附后光强的互相火函数峰值 来导l i 刊勿体的f ) ：移。1c 、m 和r n n s o n 迎过刈物体变形前后得到对数宁次度场进 ：柏天迭代延罅，也就是训算1 i i 关系数随试凑化移及其导数的变化过科，找 h 荆l 火系数的擞值埘掰刽州l 心l _ f 位移、麻变。 较之其它实验方泄、，数4 j 7 吲像_ l 关技术史：【j j j 依赖于汁算机的运算，此一些 学嚣，j 枷何| | j 陕十关运算的述嫂摊“运算的精艘的研究方而作了鳄力。1 9 8 5 年， 卜c 【：l ll i 和l m i s o l l 臀，) ( j 数 豫州疋，j 浊的精t g 进行研究，允善r 这科，测试 方法的理论。i q 8 6 年，m a s 【o r 等人提l 了。坤i 优 j 6 l i j 搜索算 ：i ，提f 矗了 十h 关i 俐型索迷皮。1 9 f 1 8 年，m s u l t o n 等人义从刖沦上分析r 业象素恢复过样 所带牝等测i j 跌托捉川e 琢索恢复等合：| ! | ! 力。法。】9 8 9 年，a b r u c k 等人 n 聚j 1 jj ，二儿i 次计条捅仳、旷织裘t f i = 构f i jx i ( ! w io r l i a p h s o n 迭代算浊水搜索棚 关系数的板位，捉l 岛搜索迷度秆i 精度，使数字f l f 义方法的删沦业肌完善。 阢0 孙父运钾山。法的成熟，近年来数字蚓像相天的研究卜要集中在相火运算 后数抓的处州i ：。l i ij 利川4 1 】关运铧卣接获得的能移梯度波动 “大，所以一些学 嚣尝试丸消除槲笑运馋捩搿的化移场i 噪j ：i ，然后n i i2 f v 移梯度。1 9 9 1 年，m a sl i t l w l 等人采用w a h l ) l i 光卅投术年带惩罚参数_ 仃瞅元法消除位移场的噪音并计 算梯心场，摊i ：0 了汁竹戍变f l j j f 度。1 9 9 7 年，w ，i o n g 采删自然i 样条数据光滑 矗法川化彬、l ，- 均浊、r ：f l 他穆场，j 娅变的跌辫【叮以瞵低到l ( ) 0 i x 2 0 “。1 9 9 5 年， a 吼几t 孳人义捉川。u 知j 越变场分离卅魁性应变并计算应力场的力 法从i f i j 为数。j i 蚓像十) ：测城技术k , i j t + 分析断裂等弹塑 m ：i n l 题奠定了赫础。 数。州矧7 - - 4 1 i 天技术x , j 。史骗条什要求低，骐仃髀棒件和广泛的适用。眺。1 9 9 ：3 年，( ，i i n n 等人他】1 这利技术时目j 合企笛材料的裂纹尖端i i 1 t 1 区域进行r 分 析，乃”州p lc l ：| ；j 7 裂圳沦f i ! j 实验研究丌i ； 了一条新的方法。i9 9 5 年，j s 1 y o n s 将、i 川。j i i l i 川0 试取得j 很好f r , j 效粜。1 9 9 8 年，y 1 c t i i ! l o 等人利用这利，方法 站台“逃像乐馔箭测试冲。h 坡诗f 裂纹扩展情况，汁钟：了动态应力强度圳 r 。i 巫打螳学齐。结合特殊f l q 设桥将数宁图琢牛关f i 9 j 3 想扩展到绯物体内 天津大学硕二l 学位论文 第一章绪论 部和离面位移的测量。 从未来的发展上看，数字图象相关技术必然会随着计算机和图像采集设备性 能的提高而应用到更加广泛的领域，同时其精度也将获得飞跃性提高。 1 4本文的主要研究工作 1 本文在天滓d h 立交桥静载实验结果和外观检测结果的基础上，利用有限 元分析软件a n s y s 对该立交桥破坏最为严重的一段连续粱进行分析和计算，并 且将数值计算结果与静载实验结果进行比较和分析，并研究使用a n s y s 进行结 构分析时在建模、处理支座约束等方面的技巧。 2 本文在研究数字图像处理技术在位移测量中的应用的基础上提出了利用数 字图像处理技术精确测量桥台与引路之间相对沉降量的一种新方法。所用数字图 像计算方法是一种形心搜索法。该方法测土木结构挠度，具有较高的精度和计算 速度。尤其是在计算速度上比起同类方法有显著的提高。所谓形一1 2 搜索法是，在 待测面内位移的梁体表面均匀喷上浅色背景，然后画上数个与背景颜色反差很大 的离散标记，最后利用变形前图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变 化作为该标记形心处的位移增量来测量梁体表面位移的方法。在提取标记形心处 的位移增量时，用计算机形态学去噪音、计算机图形学、边缘检测、图像二值化 等数字图像相关知识处理图像得到了数据。 3 本文将形心搜索法和有限元法位移插值函数相结合探索快速测量桥梁梁体 局部表面位移场、应变场的一种新方法。所用测量节点位移增量的方法是上述形 心搜索法，并用插值函数设定了单元内的位移模式，并在此基础上进一步求出了 单元内的应变和应力。较一般方法测物体表面局部位移场、应变场，具有较高的 精度和很高的计算速度。在本文中，在待测位移场的梁体表面上喷上以矩阵形式 排列 1 9 m x ”个与背景颜色反差很大的离散标记，以标记形心坐标作为变形前节 点坐标，以变形前图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为节点 位移增量，用弹性力学平面问题理论进一步计算出了单元内的应变和应力。 4 数字散斑相关方法是一种基于相关原理的非接触式表面变形测量的光学方 法。近年来国内外许多学者围绕这一方法开展了大量的研究工作。由于其光路简 单、非接触、全场测量等优点，已经在实验力学领域得到了较为广泛的应用。此 外与之相关的数字图像识别技术本身也在不断的发展、完善、提高、并派生出一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 些与之相关的方法。本文在数字图像相关原理的基础上，把形心搜索法与数字图 像相关方法进行了结合。在数字散斑相关测量方法的相关算法中，每一种算法的 计算过程都需要按照一定的算法获得初始值，而且初始值的获取对于相关运算的 正确性和计算速度起着至关重要的作用。本文的计算方法以用形心搜索法得到的 标记形心处的位移增量作为初始值，并以变形前标记形心处的坐标值作为子区甲 心值，并运用相关理论计算了包含一个标记的变形前后图像。相对于数字散斑相 关方法，该计算方法的特点是： m 不需要在试件表面制作散斑场，仅需在试件表面喷上均匀背景，然后在 背景上作出与背景颜色反差很大的标记即可，简单易行。 h 识别过程较数字散斑相关方法简单，其相关系数具有很好的单峰性。 c 计算f ； 提前给定初始值( 即图像中标记的形心处位移增量) 和子区中心 值( 即变形莳图像中标记的形心坐标) ，因此单对于数字散斑相关计算而苦在计 算精度和速度上都有所提高。 d 其相关系数的单峰性使变形测量的范围加大，对小变形和大变形测量都 能取得较为理想的结果。 e 其相关系数的单峰性，降低了误相关的几率，同时放宽了实验的条件， 使该方法对测量物的要求较低，如试件表面的平整度等。 i 数字散斑相关方法是全场测量力：曩而本文的形心搜索相关法是点测量 方法，但是随着取点的增多可趋于全场测量。 天泮人学硕士学位论文第二章天津d h 立交桥的检测 第2 章天津d h 立交桥的检测 2 1 天津d h 立交桥概况 天津d h 立交桥“”始建于1 9 8 6 年，竣工于1 9 8 8 年1 0 月。d h 立交桥南北长 约6 0 0 m ，主桥宽1 7 m ，横跨东西向的四号公路和铁路，东有匝2 桥，西有匝1 桥 连接四号公路，宽9 5 m ，整体俯视图如图2 - 1 所示。 图2 - 1d i 立交桥平面示意图 天津人学硕十学位论文第二章天津d h 立交桥的检测 由于国民经济的快速发展，大型集装箱拖车的日流通量同益增多，致使该桥 通车5 年后，引桥及主桥的部分构件等发生损坏。因此，1 9 9 3 年对大桥进行了 一次大修，主要内容是： 1 匝1 线主桥引桥的路基及加筋挡土墙，全部拆除重建： 2 改建i 期工程全部栏杆； 3 改建主桥伸缩缝1 1 道： 4 重建i 期工程全部桥面混凝土； 5 新建桥头搭板。 自9 3 年以来，未对大桥进行全面系统的技术检测和强度评估工作。该桥位 于塘沽港，离海较近，气候湿润，水分中的盐、碱度较高，混凝土及钢筋的腐蚀 比较，i 重。随着天津近年来进、出口的迅速发展，车辆只流通量的迅猛增加，致 使该桥部分构件出现损伤及破坏。桥面铺装损坏严重，横向、纵向及网状裂纹处 处可见。伸缩缝破坏、磨损与橡胶老化等，当行车通过时均有跳车现象发生，增 加了桥体负载，影响了行车的安全性、舒适度。梁体、桥墩及排水系统、栏杆、 人行道、照明系统也发生了程度不同的损坏。为了适应天津交通量的快速发展， 确保桥梁的安全性，提出对d h 立交桥进行检测、复核计算和评估，为立交桥的 改造、加固和维修提供重要依据。 依据上述现状，对破坏最为严重的连续梁段测试区( 见图2 - 1 的匝2 西) 进 行了静载实验。与此同时，本文对匝2 西一箱二室连续梁进行了有限元数值计算。 并对静载实验结果和有限元计算结果进行了比较和分析。 2 。2o h 立交桥静载实验 1 静载实验内容 】) 试验段的位置： 见图2 2 所示，连续梁段测试区为三跨连续梁( 一箱二室异形梁) 的 一联，弯梁的曲率半径r = 2 9 7 5 m 。 2 ) 测试内容与方法： * 粱挠度的测试 采用位移传感器与微机联机的自动采集记录系统进行挠度的测试。对所 选的三跨连续梁，在各跨跨中箱粱的下表面各布置3 个测点，共9 个测点。 ( 见图2 2 所示) 天津人学硕士学位论文第二荜天津渊立交桥的检测 伸 图2 - 2 三跨连续梁挠度测点示意图 2 静载荷载的布置 用并排的两辆汽车作为载荷( 为汽车一超2 0 级重车车型) ，针对三跨连续梁 试验段，载荷位置在、柱问的跨中加载。 1 ) 对施加载荷的车辆要求 汽车一超2 0 级重车车型，汽车的轴重和两汽车的距离见图2 3 所示。经计 算分析，如图2 - 3 所配载荷的超2 0 级重车车型汽车，其载荷等效作用点在距汽 车最后车轮j 0 2 5 m 处。 等效力5 5 0 k n 纵向布置 岳丑日r 一 卜i 矗+ i 耐5 横向布置 汽车一超2 0 级重车车型 ( 轴重力单位：k n尺寸单位：m ) 图2 3 汽车的轴重和两汽车间距离示意图 2 ) 施加载荷的工况： ： 况】：连续梁测量挠度，载荷位置在、柱间的跨中，汽车的横向位 置与上述相同。即最后车轮应距跨中心5 0 2 5 m 处。 天律大学硕l 一亨。位论文第二章天津d h 立交桥的检测 3 ) 施加载荷的时间顺序： a ) 对工况i 连续加载三次。 b ) 每次加载，当载荷汽车到位之前，通知测试组，采集初始值。 c ) 当载荷汽车到位，停稳5 分钟再通知测试组开始测量。连续测量三次 同时进行外观检查约1 0 分钟，然后通知载荷汽车退出测试区。 d ) 退出测试区5 分钟后进行f 一次加载 3 静载测点编号： 连续梁挠度测点编号见图2 4 所示。 2 “e 0 “ 图2 - 4 连续梁挠度测点编号l n l 一l n 9 ( 俯视) 4 试验结果 1 ) 试验的测试系统 对d h 立交桥连续梁在静载下的挠度进行测量，采用电阻应变片式位移传感 器，传感器量程为o 5 0 m m ，位移分辨率为0 o l m m 。位移测试系统示意图如图2 5 所示。 图2 - 5 位移测试系统示意图 2 ) 试验数据及数据的处理 连续梁在静载下的挠度测量，采用全桥电阻应变片式位移传感器，由于在 天津人学硕十学位论文 第二章天津d h 立交桥的检测 全桥测量电路中，考虑到导线电阻对测量影响较大( 一般使测量值减小) ，以及 位移传感器本身的误差，故对位移传感器进行标定，得出对每个位移传感器测 量值的修f 系数如下： 表2 - 1 位移传感器测量值修正系数 连续梁 i n li n 2工卫可3n 州i n 51 0 叮6 l n 7l n 8i n 9 修正系数 1 0 1 61 1 0 3 31 0 2 11 0 2 01 0 4 7i 0 3 6 1 0 1 81 0 0 9l - 0 1 3 3 ) 试验结果 表2 2 为在工况1 静载作用下连续梁挠度值。 表2 2 工况1 静载作用下连续梁挠度值( 单位：m m ) 连续梁 l n l l n 2l n 3l n 4l n 5l n 6 l n 7l n 8l n 9 工况1 0 8 l0 8 9 1 _ 0 32 3 92 6 12 6 0 0 8 3o 7 31 0 7 注：梁变形向上挠度值为正值，向下挠度值为负值 2 3 天津d h 立交桥的有限元计算 2 3 1 连续梁有限元模型的建立 大型有限元软件a n s y s ”提供了强大的模型生成功能。利用这些功能，我 们可以快速、方便地建立实际工程系统的有限元模型。有限元模型是对实际结构 的物质和数学表示方法。a n s y s 提供了三种创建有限元模型的方法： 实体建模方法 直接建模方法 输入在计算机辅助设计系统( c a d ) 中创建的模型 2 蛐1 1 日目 天津_ 人学硕十学位论文 第二章天渖0 h 立交桥的检测 ( c ) 当兰圣 图2 - 6 匝2 西连续梁平剖面图及截面图 考虑到本次建模的特点：变截面一箱两室曲梁，本文采取的建模方法是实体 建模。因为实体建模适合于建立庞大或复杂的模型，特别是三维模型，它可以利 用a n s y s 提供的拖拉，拉伸，旋转，映射和拷贝等操作减少建立模型的工作量。 实体建模有两种方法：自底向上建模方法和自上而下的建模方法。这里采用的是 自底向上的建模方法。过程如下： 1 本文三跨连续梁是曲梁，因此采用柱坐标系。建立模型的基本思想是先 创建曲粱的一个截面，使这个截面围绕定轴旋转生成整个体。注意到连续梁具有 对称性，所以先建立模型的一一半，另一半通过映射来实现。 2 本文三跨连续梁有变截面部分。因此首先建立变截面部分两端截面。输 入截面1 上各个控制点坐标值，此时这些点在柱坐标中的0 值均为0 0 0 ，它们 和z 轴都在同一个平面内，利用这些关键点生成线，由线生成截面l ；同理创建 截面2 ，由图纸算出截面2 在柱坐标中的0 值为5 4 7 ( 如图2 7 所示) 。 图2 7 变截面部分两端截面图2 - 8 两个截面之间直线示意图 天津人学硕十学位论文 第二章天津d h 立交桥的检测 图2 - 9 变截面部分的模型图2 一l o 连续梁模型和桥墩位置示意图 3 根据桥梁图纸图2 6 ，首先通过旋转截面1 建立桥梁等截面部分梁体，然 后建立截面1 向截面2 变化的部分。 变截面部分梁体的建立为：通过截面l 和截面2 对应关键点连接创建两个截面 之间直线( 见图2 8 ) ，再由这些直线生成面。最后通过布尔减运算得到变截面 部分箱梁模型( 见图2 9 ) 。 4 通过映射操作建立模型的另一半。整个连续梁模型如图2 1 0 所示。 2 3 2 添加载荷与约束 在为模型添加荷载之前，需要定义材料常数和单元类型。本文中，单元为 s o l i d4 5 ，混凝土的弹性模量e = 3 0 g p a ，泊松比u = 0 1 6 。网格划分采取自由化 分， s m a r ts i z e = 6 。 本文采用直接在节点上施加荷载的方法：根据载荷汽车的位置算出其等效集 中力作用点的坐标，选择离集中力作用点最近的节点施加集中力。 边界条件是a n s y s 分析问题的一个重要部分。首先分析x y 平面内的约束。 由于这段连续梁和与其相邻的粱体之间存在着伸缩缝，因此如图2 1 0 所示，桥 墩1 、z l 没有约束桥梁x 、y 方向的位移。由于桥墩2 ，3 和连续梁之间是由橡胶 支座相连，而橡胶支座有一定的摩擦，再加上混凝土桥本身的自重比较大，摩擦 力自然也比较大，因此桥墩2 、3 的支座处理成对连续梁x 、y 方向均有约束。然 后分析z 方向的约束。实际上，连续梁和桥墩1 、2 、3 、4 之间只是接触，因此 与桥墩的接触面上各节点虽然不产生向下的位移，却可能产生向上的位移。如果 采用约束桥墩接触面z 方向位移的方法来计算，在得到的计算结果中，我们就会 看到与支座的接触面上的存在着反力值小于0 的节点，也就是说，这些节点上受 天津人学硕十学位论文 第一二章天津d h 立交桥的检测 到的是支座给它的拉力，但实际情况不可能出现。只有释放支座对受到拉力节点 的约束，爿符合实际情况。所以，本文所采取的约束方法是：首先约束四个接触 面z 方向的位移，以及桥墩2 、3 接触面x 、y 方向的位移进行计算，然后在得到 的计算结果中显示其节点支座反力，选择出所有受压力( 也就是反力值大于0 ) 节点的节点号，删除对四个支座接触面z 方向的约束，只对受压力的节点添加z 方向约束。在上述约束状态下计算出结果后，再次察看