李進(jìn)斌

（山西路橋第七工程有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

橋梁設(shè)計(jì)、施工和后期運(yùn)營養(yǎng)護(hù)是道路橋梁工程全壽命周期中最重要的三個(gè)階段。從已經(jīng)通車多年的橋梁運(yùn)營狀態(tài)來看，有較多橋梁隨著運(yùn)營時(shí)間的增加會出現(xiàn)裂縫問題。不僅影響橋梁的整體美觀，嚴(yán)重地甚至影響道路橋梁的整體質(zhì)量水平、使用壽命以及運(yùn)營安全性[1]。當(dāng)遇到輕微的地震、風(fēng)雨侵蝕、車輛撞擊等問題時(shí)，對橋梁結(jié)構(gòu)都會造成或多或少的損傷，使橋梁的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫[2]。出現(xiàn)裂縫后不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)修復(fù)，裂縫就會隨著車輛的不斷碾壓變得越來越大，甚至導(dǎo)致橋梁坍塌，造成不可挽回的后果[3]。所以，要重視橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的早期裂縫，定期對橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

目前，檢測橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中的早期裂縫有許多種方法，一般原理為檢測橋梁主體結(jié)構(gòu)和橋墩結(jié)構(gòu)的彈性變形能力、伸縮張力等，并通過檢測結(jié)果對裂縫進(jìn)行分析[4]。但這些方法都不能檢測到橋梁的早期裂縫，裂縫出現(xiàn)的早期形態(tài)特征不明顯，無法精準(zhǔn)地對裂縫進(jìn)行檢測分析[5]。在此基礎(chǔ)上，提出混凝土橋梁早期裂縫成因與檢測方法。對早期裂縫的成因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出混凝土橋梁早期裂縫的檢測方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為以后的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 混凝土橋梁早期裂縫成因分析

1.1 不同荷載引起的裂縫

由于拉力的作用，橋梁主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)起皮、順著受拉力的方向出現(xiàn)細(xì)微裂縫等，這都是橋梁承載達(dá)到極值的信號，是橋梁坍塌的預(yù)警。

1.2 收縮引起的裂縫

由于混凝土存在彈性收縮現(xiàn)象，會導(dǎo)致橋梁表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，這類裂縫形狀纖細(xì)，有橫向裂紋也有豎向裂紋，呈無規(guī)則形狀排列。

1.3 溫度變化引起的裂縫

這種裂縫是由于混凝土在澆筑后的溫度產(chǎn)生變化或周圍環(huán)境溫度產(chǎn)生變化導(dǎo)致的裂縫，屬于物理性損傷。

1.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

隨著時(shí)間的推移，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期暴露在空氣中，受到大氣中二氧化碳和氮硫化物的腐蝕，使金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致橋梁裂縫的出現(xiàn)。

1.5 橋梁結(jié)構(gòu)選型的局限性

早期裂縫一般集中在中小跨徑橋梁的空心板處?？招陌彘g是通過鉸縫進(jìn)行傳力的，由于施工工藝等限制，空心板病害較多，主要有鉸縫失效、混凝土剝落和芯模上浮導(dǎo)致的頂板過薄等。此外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫要多于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，這與結(jié)構(gòu)受力模式有關(guān)。同等跨徑下，小箱梁比T 梁要更容易出現(xiàn)裂縫，由于T 梁結(jié)構(gòu)高度高于小箱梁，承載能力更高，同時(shí)T 梁為開口截面，方便施工，施工質(zhì)量容易控制，T 梁產(chǎn)生的裂縫更少。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的選型對裂縫的產(chǎn)生具有重要作用。

2 混凝土橋梁早期裂縫檢測

2.1 裂縫數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖1為混凝土橋梁早期裂縫數(shù)據(jù)增強(qiáng)過程。在采集混凝土橋梁早期裂縫圖像時(shí)，發(fā)現(xiàn)圖像信息的背景環(huán)境不單一，存在許多干擾信息。于是首先對混凝土橋梁早期裂縫的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)裂縫的數(shù)據(jù)特征[6]。

圖1 混凝土橋梁早期裂縫數(shù)據(jù)增強(qiáng)過程

2.2 建立U-Net模型

根據(jù)預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)信息，剔除噪聲信息作為裂縫檢測的數(shù)據(jù)源。為解決橋梁圖像的異構(gòu)化問題，建立信息處理模型，對圖像的灰度值、像素值、位置坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成圖像處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。UNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有良好的路徑收縮性，便于提取復(fù)雜問題的核心關(guān)注點(diǎn)，因此構(gòu)建U-Net網(wǎng)絡(luò)模型。

通過上節(jié)分析可知，造成混凝土橋梁早期裂縫的成因較多，由此造成的外在表現(xiàn)形式也不盡相同，因此，不同裂縫的特征圖像也存在各自的特點(diǎn)。為識別這些特點(diǎn)，需要在圖像中準(zhǔn)確定位早期裂縫或潛在裂縫的位置，在此次研究中采用圖像卷積進(jìn)行定位處理。

將圖像信息的傳輸通道進(jìn)行簡單化處理，圖像信息經(jīng)過傳輸通道后，在反卷積作用下使裂縫特征圖像的信息得以加強(qiáng)。傳輸過程中，將特征圖像與編碼路徑中相對應(yīng)的剪切圖像進(jìn)行拼接和卷積操作，再激活融合后的圖像，從而提高輸出的混凝土橋梁早期裂縫特征圖像的清晰度。

輸出的特征信息通過U-Net模型，將裂縫圖像和背景無裂縫圖像進(jìn)行分類處理，再利用softmax 分類器對圖像進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，提取出混凝土橋梁裂縫預(yù)測圖。

2.3 U-Net模型訓(xùn)練

通過提取輸入圖像的像素級別特征信息，從輸入圖像中分割出橋梁圖像上裂縫像素和背景像素。通過簡化處理圖像的傳輸通道增加圖像的清晰度。同時(shí)，利用損失函數(shù)計(jì)算模型參數(shù)，以確保圖像經(jīng)過模型操作后能夠得到相對穩(wěn)定的輸出值，減少圖像特征信息的損耗[7]。公式（1）為損失函數(shù)的計(jì)算公式：

2.4 裂縫參數(shù)提取

首先標(biāo)定橋梁裂縫圖像，通過U-Net網(wǎng)絡(luò)模型對混凝土橋梁裂縫圖像特征信息進(jìn)行標(biāo)定提取，橋梁裂縫的特征提取結(jié)果如圖2所示。

圖2 裂縫圖像結(jié)果

由圖3 可知，該裂縫的圖像呈橫向走向，整體偏細(xì)長。根據(jù)裂縫的不同形態(tài)特點(diǎn)，設(shè)置裂縫的閾值，經(jīng)多次的特征提取，統(tǒng)計(jì)超出該閾值范圍的裂縫圖像信息。再分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，刪除偽裂縫信息，極大程度地減少了混凝土橋梁的裂縫信息誤差?；谏鲜霾襟E，發(fā)現(xiàn)混凝土橋梁的早期裂縫威脅，完成對橋梁的檢測。

圖3 統(tǒng)計(jì)裂縫參數(shù)提取

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

表1中數(shù)據(jù)為某高速公路橋梁檢測統(tǒng)計(jì)表，其中主線橋數(shù)量較多且跨數(shù)較多。采用本文設(shè)計(jì)的檢測方法檢測該路段橋梁的早期裂縫。

表1 某高速公路橋梁檢測統(tǒng)計(jì)表

3.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.2.1 圖像預(yù)處理

混凝土橋梁的裂縫特征圖像是運(yùn)用數(shù)字采集器在橋梁上進(jìn)行拍照輸出的，但由于橋梁表面環(huán)境十分復(fù)雜，不同現(xiàn)場的光照程度也不同，導(dǎo)致橋梁圖像的采集結(jié)果存在一定的誤差。因此，在采集橋梁裂縫圖像前期要考察現(xiàn)場的地理位置，根據(jù)現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)字采集器的采集參數(shù)。

如圖4所示，裂縫采集人員將橋梁裂縫特征分為四類。在現(xiàn)場對圖像進(jìn)行采集后根據(jù)這四類裂縫圖像進(jìn)行分類處理。

圖4 裂縫種類

將得到的混凝土橋梁早期裂縫的圖像進(jìn)行預(yù)處理，加強(qiáng)裂縫圖像的特征，為后期的特征提取節(jié)省時(shí)間，并提高特征提取的精度。

3.2.2 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

橋梁耐久性影響的因素包括環(huán)境作用和力學(xué)作用。其中，環(huán)境作用主要指橋梁結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境的除冰鹽、水分以及凍融等環(huán)境作用降低結(jié)構(gòu)的耐久性；力學(xué)作用主要指車輛的反復(fù)加載引起結(jié)構(gòu)的疲勞以及磨損等作用降低結(jié)構(gòu)的耐久性。通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)算、優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸等措施可解決力學(xué)作用下的耐久性問題，通過增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性、優(yōu)化細(xì)部構(gòu)造以及防腐涂層的使用等措施，可以解決環(huán)境作用下的耐久性問題。首先應(yīng)嚴(yán)格控制保護(hù)層厚度，同時(shí)嚴(yán)控設(shè)計(jì)裂縫寬度。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)規(guī)范要求的構(gòu)件類型、重要程度、接觸的環(huán)境類別適當(dāng)減少裂縫寬度。盡量采用結(jié)構(gòu)幾何外形簡單、表面結(jié)構(gòu)平整連續(xù)的構(gòu)造，可以方便施工的同時(shí)又可以減少腐蝕性介質(zhì)的侵蝕。對護(hù)欄等直接接觸除冰鹽等有害物質(zhì)，可通過設(shè)置防腐涂層提高耐久性。

3.2.3 基于U-Net的橋梁裂縫圖像信息自動(dòng)提取

首先選取研究項(xiàng)目拍攝的部分橋梁圖像100 張，然后調(diào)用已經(jīng)訓(xùn)練好的U-Net 模型，將選取的100 張橋梁表觀圖像隨機(jī)且不重復(fù)地輸入U(xiǎn)-Net 模型。選取200 組裂縫檢測結(jié)果圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對比實(shí)際測量與計(jì)算機(jī)測量的結(jié)果，選取其中的10 組結(jié)果進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 裂縫寬度測量對比

由表2可知，本文方法識別的裂縫寬度與實(shí)際裂縫寬度誤差較小，最大誤差僅為0.1mm。

通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出除戶外數(shù)字采集器對實(shí)際裂縫的拍攝誤差和人為因素導(dǎo)致的誤差外。本文設(shè)計(jì)的方法對混凝土橋梁裂縫進(jìn)行檢測，可以消除裂縫特征圖像中的偽裂縫信息，有效提高了橋梁早期裂縫特征檢測的精度。

4 結(jié)語

混凝土橋梁早期裂縫是影響橋梁安全的重要因素，能夠準(zhǔn)確地檢測分析橋梁裂縫是十分重要的。本文對混凝土橋梁早期裂縫的成因進(jìn)行分析，應(yīng)用U-Net模型加強(qiáng)了早期裂縫的圖像特征，對裂縫進(jìn)行精確的提取，以便后期對裂縫進(jìn)行分析和修理。通過實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的檢測方法大幅提高了早期裂縫的特征提取精確度。但由于時(shí)間限制沒有進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果性能可能不穩(wěn)定，因此在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步完善。