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1、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名：既有桥梁监测、检测技术与状态评估：fz教导 作班邮指既有桥梁监测、检测技术与状态评估目录1引言32桥梁健康监测的基本组成部分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安全评价系统的组建52.4对于桥梁工作的环境的检测53桥梁结构安全监测的指标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桥梁结构安全监测的方法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
2、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 梁对于病害发展变化的监测、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: To solve the problems in bridge engineering，the au
3、thor of this paper summarized recent years of Bridges Disease development，detecting and the overall development and change of state evaluation method.Mainly expounds the bridge crack detection based on digital image processing technology，for the reference of related scholars.Keywords: Detection Tech
4、nique ； Monitoring Technology ； Bridge Engineering1引言在诸多桥梁病害中，桥梁裂缝是一种危及桥梁安全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，裂纹的长度则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 用高昂且对人员安全要求很高。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。既有桥梁监测、检测技术与状态评估2
5、桥梁健康监测的基本组成部分整体来讲，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 采集处理系统以及安全评估系统组成的，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安全检查放在了第一位， 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，对每一个部分的成本进行严格的控制，对于现场的传感器设置 也更加的谨慎以避免花销的增加，在进行数据分析的时候，做到的是不单单的将 系统反应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
6、行分析，避免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，避免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
7、 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
8、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安全评价系统的组建安全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、更为客观的健康安全报告，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表面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
9、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忽视的影响，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
10、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，造成桥梁表面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桥梁结构安全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规范 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
11、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安全监测指标。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，一直是桥梁结构安全监测 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。对于大部分城市桥梁，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，则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34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
12、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
13、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安全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发展为明显的裂缝，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、发展速率、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35年，对于车流量大、荷载重的主、次十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应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%
14、85%时，桥梁基本进入运营末期，此时桥梁外观病害症状表现 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则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
15、控制，在桥梁投入运营的中、早期，检测 周期可以设为35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，比较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，我国处于经济快速发展时期，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
16、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桥梁结构安全监测的方法桥梁结构的安全监测方法有很多种，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安全的状态，是否需要仪器来检测，如果 桥梁出于安全状态，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
17、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 质表面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 了更好的避免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图3经过处理后的含裂纹图像图4裂纹长度识别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
18、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，以达到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。 实验室研究表明，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
19、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。工程试验表明，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图所示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基础建立直角坐标系。 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
20、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，用模板与日。1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RO I达到最佳匹配时， 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
21、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
22、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对比，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，是进行结构安全评定的重要前提，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
23、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。不过在建立模糊推理规则时常常会因输入数据维数过大而导致规则 组合呈指数式爆炸。神经网络是一个具有分布式存储和并行处理知识的非线性映 射系统，具有从样本中自动学习和获取知识的优点，但神经网络的学习是隐含的 不被人理解的，而且常需要充足的样本才能获得良好的学习结果。根据桥梁评估特点首先依据模糊推二理规则建立起监测信息到承载能力状态评估之间的非线性映射关系。由于模糊规一则的产生和推理都是一种函数映射关系，: 伫因此可以用神经网络替代一般的基于规1 .则适应
24、度计算的模糊推理。反过来，经过指标模戚M琏蛭驱壁地!结果输出桥梁领域专家综合的模糊规则库可作为充足的网络学习样本，这样的推理网络不仅保持着模糊系统的知识表达和推理能 力，同时可以进行学习、储存和并行处理，提高了整个评估的效果。参考文献1 钟珞，等.桥梁承载能力状态评估的模糊神经网络推理方法J.华中科技大学学 报,2006(3).2 王璃，等.桥梁健康监测系统在线结构分析及状态评估方法J.桥梁建设,2014.3 叶肖伟,等.基于机器视觉技术的桥梁挠度测试方法J.浙江大学学报(工学 版).2014(5).赵力.浅析桥梁工程常见病害及检测技术J.中国建筑金属结构,2013(2).5 张维峰，等.基于数字图像处理的桥梁裂缝检测技J.现代交通技术,2008(5).6 张金团，钟会生.浅析桥梁的破坏机理及检测方法J.工程技术，2009(10).7 陈志芳.城市桥梁结构安全监测方法J.企业技术开发,2006(6).8 曲立杰.钢筋混凝土桥梁的检测方法探讨J.山西建筑,2009(5).9 朱文霞.实时监测技术在桥梁同步顶升工程中的应用C.2013年二省二区桥梁 新技术交流会论文集10 陈小燕.桥梁工程检测技术探讨J.中国新技术产品,2014(4).
