既有桥梁监测、检测技术与状态评估

《土木工程专业研究方法论与创新教育》课程结课论文既有桥梁监测、检测技术与状态评估题名：既有桥梁监测、检测技术与状态评估作者：·····班级：·····邮箱：·····指导教师：·····目录TOC\o"1-3"\h\u1引言 32桥梁健康监测的根本组成局部 42.1健康结构检测技术的传感器系统的组建 42.2信号采集与处理系统的组建 42.3平安评价系统的组建 52.4对于桥梁工作的环境的检测 53桥梁结构平安监测的指标 53.1挠度监测 63.2支座位移监测 63.3伸缩缝间距 63.4裂缝长度及数量 63.5桥梁自振频率 73.6桥梁交通流量及车辆轴重 74桥梁结构平安监测的方法 84.1目测 84.2地质雷达监测法 84.3基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技术 84.4基于机器视觉技术的桥梁挠度测试方法 95桥梁健康状态评估 105.1线结构分析及状态评估方法 105.2桥梁承载能力状态评估的模糊神经网络推理方法 11参考文献 11既有桥梁监测、检测技术与状态评估···〔····大学······班学号：····〕摘要：本文针对桥梁工程中经常出现的病害，汇编总结了近年来有关既有桥梁对于病害开展变化的监测、检测与整体状态评估的方法。主要详细阐述了基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技术的原理，供相关学者参考。关键词：监测技术;检测技术;状态评估;桥梁工程Abstract：Tosolvetheproblemsinbridgeengineering，theauthorofthispapersummarizedrecentyearsofBridgesDiseasedevelopment，detectingandtheoveralldevelopmentandchangeofstateevaluationmethod.Mainlyexpoundsthebridgecrackdetectionbasedondigitalimageprocessingtechnology，forthereferenceofrelatedscholars.Keywords：DetectionTechnique；MonitoringTechnology；BridgeEngineering1引言在诸多桥梁病害中，桥梁裂缝是一种危及桥梁平安但却较难计测的一种破损状态。目前对此类病害的检测多停留在人工作业阶段，通常使用近距离的检测仪器将裂纹放大后对宽度进行检测，裂纹的长度那么是靠不精确的测量或者估算得到。这种方法需要检测人员借助道路检测车或者搭架进行，因此工作强度大、检测费用高昂且对人员平安要求很高。因此，桥梁工程的监测、检测技术随着科技的进步在不断提高。本文旨在通过研究文献资料汇总近年来有关桥梁工程监测、检测技术的最新研究成果，以供参考。2桥梁健康监测的根本组成局部整体来讲，大型的桥梁工程结构健康监测技术的组成是由传感器系统、信号采集处理系统以及平安评估系统组成的，这些系统在技术执行的时候分工明确，每一个系统都有其专门的检查领域，使得所得到的数据更加的至关，理解起来也更加的便捷，此外，这些系统在设计的时候将对于桥梁的平安检查放在了第一位，与健康检测技术的使用目标是相一致的，在设计的时候还将系统的准确性以及经济性联系在一起，对每一个局部的本钱进行严格的控制，对于现场的传感器设置也更加的谨慎以防止花销的增加，在进行数据分析的时候，做到的是不单单的将系统反响的数据作为主要的依据，而是要结合仿真的计算以及以往的施工经验进行分析，防止期间任意一个系统出现问题都将导致分析的结果不准确。2.1健康结构检测技术的传感器系统的组建目前国家对于传感器的研究也是相当的重视，所以出现了种类各异的传感器的设备，其可靠性以及精确性都各不相同，所以在桥梁结构健康监测技术中选用什么样的传感器就成为了一项问题。在选择桥梁结构健康监测技术中使用的传感器的时候，注意结合桥梁的结构类型、工作的环境以及在桥梁上可能遇见的被破坏的形式等状况，还要考虑到传感器的尺寸大小，防止放置在桥梁的某一位置上影响其正常的运作使用，传奇器的安装方式也要受到桥梁结构的影响，选择时也要注意这方面问题的考虑。此外，由于桥梁工程的使用时间很长，健康监测技术的运转周期也就必需满足长期工作的需要，这时传感器的工作性能也就会受到诸如人为因素以及自然因素的印象，所以在构建传感器系统的时候也要注意传感器的使用寿命以及面对恶劣环境的适应能力，保障其不会受到外界因素的干扰而打乱了在桥梁的检测工作。2.2信号采集与处理系统的组建信号采集与处理系统的主要工作就是对收集而来的信号进行记录、必要时进行量化与传输的工作。由于大型的桥梁结构健康监测技术在工作的时候工作的时间长，收集的数据多并且种类各异，包含了物理数据以及一些并不直观的数据资料，面对着这样的数据时，最主要的还是要对其进行预处理的工作，将采集到的数据进行简单地分析，对第一手的资料进行分解、变换、进行参数计算等等，制作出简单的健康报告，以便于进一步的分析，当简单地将结构健康监测技术中的数据进行分析之后，接下来的工作就是要将这些数据向更加科学的系统内进行传输，以便获得更加详细准确的健康监测的报告。2.3平安评价系统的组建平安评价系统主要是将信息收集系统内的数据进行更加深入的分析，争取得到包含更多信息量、更加科学的、更为客观的健康平安报告，对于桥梁目前的耐久性、正常性以及功能是否正常进行一次完全的分析评价。这一过程需要对得到的有关桥梁的振幅、自振频率、振型以及应力等特征性很强的桥梁参数进行分析，并加上人工的对于桥梁外表的损伤状况进行检查，可以较为准确的估算出桥梁结构在时间的推移下功能是否产生了退化的情况。在对数据进行了科学的分析之后，必不可少的工作就是要制作出健康检查报告，在制作报告的时候，一定要注意加上大量的实验测试结果、精密计算的数据以及现场的检查结果等等，在找寻出其中的关联后才可以使得健康检查报告更具有可靠性。2.4对于桥梁工作的环境的检测〔1〕由于桥梁结构的特殊性，风场的特性对其有着不可无视的影响，在进行健康监测技术实施的时候，一定要注意对风向、风速的观察，杂分析出风场的特征，总结出是否对桥梁的结构产生了影响。〔2〕还要对桥梁周围的温度进行检测，桥梁周围的温度情况的有关数据一定会是计算桥梁健康状况的原始数据之一，对其的准确性的考量一定要认真的执行。〔3〕桥梁上通过的车辆的信息也会对桥梁的健康状况产生影响，在进行详细的健康检查的阶段，掌握来往车辆的重量、数量以及车速等信息，对于计算桥梁目前的承载力有很大的帮助。另外，造成桥梁外表出现损伤情况的也是车辆的来往，所以在进行现场的检测的时候，也可以对出现损坏的原因做进一步的探究。3桥梁结构平安监测的指标桥梁结构退化过程中，能够反映结构退化的指标主要有：结构挠度、裂缝、混凝土碳化深度及速率、钢筋锈蚀速率、结构自振频率变化。同时影响桥梁退化模式变化的指标为：交通流量及车辆轴重。结合我国《城市桥梁养护技术标准》的相关规定，我们选择：结构挠度、支座位移、伸缩缝间距、裂缝长度及数量、结构自振频率、交通流量及车辆轴重等6项指标作为桥梁结构平安监测指标。3.1挠度监测桥梁挠度的变化直接反映了桥梁的承载能力变化，一直是桥梁结构平安监测系统最主要和最重要的监测内容之一。其监测实现方法根据桥梁大小和结构类型不同而变化。对于大局部城市桥梁，可以通过在桥梁上部结构和墩台设置高精度水准网精确测量桥梁结构的变形。对于大跨度桥梁，那么可以采用水能压力场的监测方法，在桥梁测量范围内设置压力场，通过传感器测量压力场变化，再对信号进行A/D转换得出桥梁结构挠度变化。桥梁的挠度监测周期可以采用双监测模式：一方面，每3～4年对全桥水准网复查一次；一方面，每年对跨中、支座位置复查一次。3.2支座位移监测桥梁支座位移监测设置对象为：斜弯桥、坡桥以及有特殊要求的桥梁。设置测点的方式为在主要支座周边的墩顶、梁体底部设置水平、垂直间距监测点，定期检查。支座位移监测点的监测周期宜一年两次，冬夏进行。3.3伸缩缝间距伸缩缝是桥梁结构的次要部位，但其间距变化直接反映桥梁结构的梁体位移。在正常情况下，伸缩缝的作用是调节桥梁结构因温度变化引起的梁体变位，其间距变化是在一定距离内反复变化。但是当桥梁发生梁体滑移或支座滑移时，伸缩缝间距的变化一般是不可逆的。通过定期检查伸缩缝间距的变化，可以知道桥梁发生的梁体位移是否在设计范围内。其设置方式是在伸缩缝的两端设置固定间距检查点，检测周期建议为每年4次，全桥监测。3.4裂缝长度及数量裂缝长度及数量是桥梁平安监测体系的另外一个重要参数和指标。桥梁退化过程中，桥梁结构受拉部位的裂缝一直从微裂缝逐渐开展为明显的裂缝，数量也不断增加。裂缝监测方法主要是监测裂缝的出现时间、开展速率、分布范围等3项指标，其监测周期应视桥梁退化阶段而定。桥梁投入运营的中、早期，检测周期可以设为3～5年，对于车流量大、荷载重的主、次干道桥梁和属于运营晚期的桥梁，检测周期应控制在3年以内。3.5桥梁自振频率桥梁结构自振频率的变化反响了桥梁结构承载能力的退化过程。根据国内外近20年对一百多座桥梁的观测，当桥梁的实测一阶频率下降到桥梁完好时实测一阶频率的75%～85%时，桥梁根本进入运营末期，此时桥梁外观病害病症表现也非常明显，桥梁处于危险状态。目前，检测桥梁结构自振频率的方法有两种：一种是通过动载试验，测量车辆荷载冲击作用下测试桥跨结构产生的动力响应，利用桥梁的余振分析结构的基频和振型；一种是脉动法，通过测量桥梁结构因外界各种因素引起的微小的和不规那么的振动来分析确定桥梁的动力特性，如振动频率和振动模态。这两种检测方法都已经成熟，且广泛应用于桥梁结构检查。由于桥梁结构退化过程是一个漫长的过程，周期地采用脉动法测量桥梁结构的振动频率和振动模态，同时不会给桥梁结构带来损伤效应，因此常采用脉动法测量桥梁自振频率。桥梁的自振频率采样周期易分阶段控制，在桥梁投入运营的中、早期，检测周期可以设为3～5年，对于车流量大、荷载重的主、次干道桥梁和属于运营晚期的桥梁，检测周期应控制在3年以内。3.6桥梁交通流量及车辆轴重桥梁交通流量及车辆轴重是影响桥梁结构退化模式的重要外界因素。定期测量桥梁交通流量及车辆轴重，比拟桥梁的设计通行能力、实际通行能力、预测今后预期通行能力，可以协助检测人员合理判断其它桥梁监测指标的变化趋势，评估桥梁使用寿命。目前，我国处于经济快速开展时期，城市交通流量、车辆轴重增长迅猛，桥梁设计等级标准低于通行车辆的荷载标准，给桥梁带来破坏性作用。因此交通流量和车辆轴重的监测周期应根据城市交通规划和车辆增长变化及时进行。建议监测周期为每年进行一次主、次干道主要交通流量指标调查。4桥梁结构平安监测的方法桥梁结构的平安监测方法有很多种，相对较为传统的有目测法、塞尺法、光学放大镜、光学检测仪。目前较为先进的有基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技术、基于机器视觉技术的桥梁挠度测试方法，等等。我在这里列述两种方法：一种是简单易操作的；一种是科技含量较高，较为精准的。4.1目测用肉眼可以直接看到裂缝的大小，裂缝中钢筋是否锈蚀，桥体的裂缝多少，通过目测可以大概了解桥梁是否处于较平安的状态，是否需要仪器来检测，如果桥梁出于平安状态，看是否存在潜在的破坏因素以及是否影响人们的心理。4.2地质雷达监测法地质雷达检测在公路路面无损检测中得到了广泛应用。利用超声波在不同介质外表的不同反射情况而研制的地质雷达同样可用于桥梁钢筋的锈蚀检测，通过计算机处理后，地质雷达采集的数据能非常逼真地显现结构内部的情况。地质雷达是检测钢筋锈蚀的最快捷的方法之一，具有良好的应用前景。桥梁是交通路线的“穴位”，桥梁的破坏导致交通不畅通，给在桥梁上行使的车辆带来灾难，为了更好的防止桥梁的破坏多带来的各种弊端，研究桥梁的破坏机理和桥梁破坏风险的检测方法是十分必要的。4.3基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技术数字图像处理是用计算机对图像信息进行各种处理的技术和方法。由于一幅图像几乎包含了被摄物体的所有信息，因此如何根据工程应用的具体要求，通过对原始图像的技术处理，快速准确地提取结构的特征信息，以到达解决工程问题的目的是本文研究的重点，也是难点所在。理论上讲，采用现代图像处理技术的成熟算法对于结构的缺陷识别是切实可行的。但是，在工程实际中，受野外条件、摄像器材、物理定标、被摄物污染〔笔迹、油漆、草根粘接物等〕的多种影响，对于桥梁裂纹类微小缺陷，往往难以通过一种简单的成熟算法从实际图像中提取出来。实验室研究说明，要想较为清楚地提取裂纹信息，尤其是针对背景较为复杂的图像，常常需要多种算法的综合使用，如增强、滤波、细化、边缘识别等等。根据以上工程实际特点，研究开发了一种含图像增强、分割和边缘识别等多种图像处理算法的裂纹识别分析软件。工程试验说明，采用该软件，综合运用多种图像分析算法，可以在一定条件下较为准确地识别出结构裂纹的物理尺寸。4.4基于机器视觉技术的桥梁挠度测试方法如下图为基于模板匹配算法的结构位移计算方法流程图。首先，由工业数码相机获取原始图像，以包含有稳定目标点的原始图像为根底建立直角坐标系。在这一过程中，可以将起始时刻目标点的位置作为初始像素坐标〔x0，y0〕，并截取起始时刻原始图像中目标点所在区域图像〔一般为包含目标点的尽可能小的矩形区域图像〕作为模板。然后，将选定的模板与后续时刻〔如第ｔ时刻〕获取的原始图像进行模板匹配运算。为了减小模板与原始图像进行模板匹配运算的计算量，在原始图像中划分出包含目标点的感兴趣区域，用模板与ＲＯＩ进行模板匹配，从而提高模板匹配的运算效率。ＲＯＩ的大小以目标点的位移变化幅值为参考，需涵盖目标点的最大位移幅值变化范围。当模板与ＲＯＩ到达最正确匹配时，获得目标点第ｔ时刻的像素坐标〔xt，yt〕，由此进一步推出第ｔ时刻目标点的像素坐标变化量〔xt－x0，yt－y0〕。最后，通过尺寸标定得出像素大小与实际尺寸的比例系数ｒ，将像素坐标变化量与比例系数相乘计算得到目标点的实际位移。5桥梁健康状态评估桥梁健康状态主要从两方面来评估：强度和刚度。评估方法目前主要包含承载力评估荷载试验，但此方法对于结构本身伤害较大。目前较为合理的计算方法主要有有限元分析、神经网络、层次分析、遗传算法、构件分析等方法。下面着重研究两种方法：有限元方法以及神经网络法。5.1线结构分析及状态评估方法利用桥梁健康监测系统的数据管理子系统，通过授权的数据库接口，获取结构系统的输入和输出数据(对应于桥梁健康监测内容，输入指环境作用、运营荷载等，输出指结构特征和结构响应等)并分析其相关性。为了能够在线实时分析并且方便使用，编制有限元分析程序内核，将桥梁结构的有限元模型数据按照内核能够识别的格式写入程序，通过数据库接口读取输入数据，并将其转化为程序能够识别的荷载数据格式，程序读取该荷载数据后形成荷载向量，进行结构分析，得到理论分析的结构输出数据，并将其与实测的结构输出数据进行比照，以判断结构行为是否合理正常。建立一个满足工程精度要求、反映桥梁力学特性的有限元模型，是进行结构平安评定的重要前提，因此该方法中内嵌的有限元模型是经过模型修正的。模型修正方法分为矩阵型修正法和参数型修正法，矩阵型修正法的目的是使修正后的有限元模型求出的特征值与实测值吻合，参数型修正法的目的是使修正后的有限元模型的响应〔静力位移、动响应和频响函数等〕与试验结果相吻合。根据桥梁健康监测内容的特点，该方法中采用了参数型修正法对模型进行修正。5.2桥梁承载能力状态评估的模糊神经网络推理方法模糊理论能够直观、高效地表征和处理领域专家的经验和知识，其推理方式类似于人类的思维方式是处理不确定性或非线性问题的有利工具且有较强的解释推理功能。