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        基于視頻融合的橋梁裂縫數(shù)字孿生監(jiān)測實(shí)例分析

        2023-10-14 08:30:56崔鑫CUIXin戚瑞琨QIRuikun周子杰ZHOUZijie
        價值工程 2023年27期
        關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu)

        崔鑫 CUI Xin;戚瑞琨 QI Rui-kun;周子杰 ZHOU Zi-jie

        (上海市建筑科學(xué)研究院有限公司,上海 200032)

        0 引言

        截至2022 年底,我國公路總里程535 萬公里左右,其中高速公路17.7 萬公里,形成了以高速公路為骨架、普通干線為脈絡(luò)、農(nóng)村公路為基礎(chǔ)的全國公路網(wǎng),為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的交通保障。但隨著使用年限的增加,橋梁各部位將出現(xiàn)不同的病害,而裂縫作為最常見的病害之一,其發(fā)展往往會導(dǎo)致混凝土碳化和鋼筋銹蝕,影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命[1]。鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫一般由以下三個方面的因素引起[2][3]:一是外荷載的直接應(yīng)力或結(jié)構(gòu)次內(nèi)力引起;二是由變形因素引起;三是由耐久性因素引起。

        裂縫是混凝土受力性能試驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo),也是橋梁健康檢測的重要內(nèi)容之一。裂縫檢測結(jié)果可以直觀地反映混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度,也可以反映出大部分結(jié)構(gòu)病害的早期表現(xiàn)。對于橋梁結(jié)構(gòu)來說,定期的裂縫檢測和裂縫跟蹤監(jiān)測往往能揭示橋梁結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理,同時也可以評估橋梁的剛度損失和剩余承載力。目前,常用的裂縫監(jiān)測方法有超聲波檢測法、沖擊彈性波法、聲發(fā)射檢測法、攝影檢測法、傳感儀器監(jiān)測、光纖傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等[4]。具體的裂縫監(jiān)測常常采用多種監(jiān)測方法相結(jié)合的方式。

        隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)逐漸推廣到土木工程領(lǐng)域。該技術(shù)是借助運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、傳感設(shè)備更新及有關(guān)物理模型等一系列數(shù)據(jù),將多尺度、多物理量及多學(xué)科進(jìn)行集成仿真的過程,并在虛擬空間中進(jìn)行映射,以此對與之相對應(yīng)的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)的全生命周期進(jìn)行反映。數(shù)字孿生技術(shù)在城市高架快速路診斷中進(jìn)行全面應(yīng)用[5],可以最大限度地提升城市高架快速路的病害診斷效率及精準(zhǔn)性,便于技術(shù)人員針對有關(guān)病害進(jìn)行全面的修復(fù)施工。

        為掌握裂縫開裂的損壞程度,預(yù)測其發(fā)展趨勢,對橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行分析,形成評定結(jié)論,以指導(dǎo)橋梁養(yǎng)護(hù)、加固和維修工作。本文以某五跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋?yàn)楸尘肮こ蹋Y(jié)合日常運(yùn)營期間重車通行狀態(tài)下該橋健康監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)獲得的全過程數(shù)據(jù),分析視頻數(shù)據(jù)中重車的橋面位置,以及橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)響應(yīng)的演化過程,對重車運(yùn)行狀態(tài)下橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。

        1 工程背景

        案例橋梁為一座偏南北走向的五跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋,跨徑組合為42m+3×65m+42m。該橋上部結(jié)構(gòu)橫斷面為單箱單室整體式箱梁,箱梁底面采用盆式橡膠支座,下部結(jié)構(gòu)橋臺及橋墩均采用重力式橋臺或橋墩。

        該橋道路中心線和河道中心線正交。橋面總寬11m,橋面布置為:0.25m 欄桿+0.75m 人行道+9m 機(jī)動車道+0.75m 人行道+0.25m 欄桿。機(jī)動車道橋面鋪裝采用瀝青混凝土,兩端橋臺處設(shè)有梳形鋼板伸縮縫,橋面兩側(cè)護(hù)欄采用混凝土梁柱式欄桿。橋梁側(cè)面照見圖1 所示。

        圖1 案例橋梁側(cè)面照

        考慮結(jié)構(gòu)長期運(yùn)營下,主梁上部承重構(gòu)件出現(xiàn)了多條腹板斜裂縫,結(jié)合監(jiān)測橋梁自身的特點(diǎn)、病害情況和管理養(yǎng)護(hù)需求,對該橋主橋裂縫和結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。根據(jù)橋梁損傷情況,全橋主梁腹板西側(cè)腹板均設(shè)置裂縫及結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測測點(diǎn),其中1#跨監(jiān)測測點(diǎn)布置在跨中西側(cè)腹板處,2#跨~4#跨監(jiān)測測點(diǎn)布置在1/4 跨和3/4 跨處西側(cè)腹板,5#跨監(jiān)測測點(diǎn)布置在跨中西側(cè)腹板處。各測點(diǎn)布置見圖2 所示,測點(diǎn)列表見表1 所示。

        表1 測點(diǎn)信息

        圖2 測點(diǎn)位置示意圖

        2 裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        現(xiàn)場對主梁裂縫進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,典型主梁裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3 以及表2 所示。

        表2 橋梁裂縫寬度&結(jié)構(gòu)溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

        圖3 截面測點(diǎn)裂縫寬度&結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)時程曲線

        由圖3 中和表2 中數(shù)據(jù)可知,大橋主梁監(jiān)測的主要裂縫,裂縫寬度在車輛和環(huán)境作用下往復(fù)開合,最大裂縫寬度瞬時增加量在0.03~0.71mm 之間,最大相對裂縫寬度變化值發(fā)生在2# 跨1/4 跨西側(cè)腹板處,裂縫寬度增加0.71mm。全橋裂縫測點(diǎn)裂縫寬度在車輛荷載和短時升溫作用下瞬時增加后,均能回復(fù)到基本位置,未出現(xiàn)明顯的趨勢性變化,裂縫寬度變化數(shù)據(jù)未超出預(yù)警值。各測點(diǎn)溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)高度吻合,數(shù)據(jù)穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)溫度變化相對穩(wěn)定,均未超出預(yù)警值。

        3 基于視頻融合的裂縫分析

        3.1 裂縫突變數(shù)據(jù)分析

        選取代表性的北側(cè)第一跨跨中裂縫傳感器(編號CRK1-1),測點(diǎn)位置如圖4 黑圈內(nèi)灰色標(biāo)記點(diǎn)所示。

        圖4 測點(diǎn)位置示意圖

        以北側(cè)第一跨跨中裂縫傳感器CRK1-1 在某日的監(jiān)測數(shù)據(jù)為分析對象,當(dāng)日裂縫突變點(diǎn)列表如圖5 所示,突變具體監(jiān)測時間和數(shù)據(jù)如表3 統(tǒng)計(jì)所示。

        表3 裂縫監(jiān)測突變數(shù)據(jù)列表

        圖5 測點(diǎn)某日數(shù)據(jù)監(jiān)測

        3.2 數(shù)據(jù)突變原因分析

        3.2.1 溫度影響分析

        調(diào)取現(xiàn)場溫度傳感器數(shù)據(jù)如圖6 所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明當(dāng)日溫度變化緩慢,而裂縫突變數(shù)據(jù)突變時間在秒級,與溫度的相關(guān)性低。

        圖6 測點(diǎn)某日溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

        3.2.2 重車影響分析

        調(diào)取現(xiàn)場監(jiān)控視頻進(jìn)行裂縫成因分析,歷史視頻數(shù)據(jù)表明,CRK1-1 在當(dāng)日監(jiān)測數(shù)據(jù)中的各主要突變處,現(xiàn)場均有重車通過,如圖7 所示。

        圖7 南側(cè)監(jiān)控視頻重車截圖

        由于現(xiàn)場硬件設(shè)備授時差異,同步對比了裂縫傳感器裂縫寬度突變時間和視頻傳感器重車出現(xiàn)時間。時間對比表明兩組傳感器的時間偏差在3min 左右。

        綜合分析判斷,裂縫寬度的突變是由于現(xiàn)場重車通過造成。目前重車通過時產(chǎn)生的裂縫寬度突變,尚未超過初設(shè)預(yù)警值0.2mm。短期的裂縫寬度突變和恢復(fù)表明結(jié)構(gòu)處于帶裂縫工作狀態(tài),重車經(jīng)過導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫較為明顯地開合。

        4 結(jié)論

        本文以某五跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋?yàn)楸尘肮こ?,對主梁裂縫和結(jié)構(gòu)溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并基于視頻融合技術(shù)對裂縫突變原因進(jìn)行分析,研究結(jié)論如下:①結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)總體穩(wěn)定,均未超出預(yù)警值。各測點(diǎn)溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)高度吻合,數(shù)據(jù)穩(wěn)定。全橋裂縫測點(diǎn)裂縫寬度在車輛荷載和短時升溫作用下瞬時增加后,均能回復(fù)到基本位置,未出現(xiàn)明顯的趨勢性變化。②短期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,裂縫寬度的突變是由于現(xiàn)場重車通過造成。目前重車通過時產(chǎn)生的裂縫寬度突變,尚未超過初設(shè)預(yù)警值0.2mm。短期的裂縫寬度突變和恢復(fù)表明結(jié)構(gòu)處于帶裂縫工作狀態(tài),重車經(jīng)過導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫較為明顯地開合。③在后期橋梁運(yùn)營養(yǎng)護(hù)過程中,應(yīng)結(jié)合長期監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁的損傷累積進(jìn)行進(jìn)一步研判,并應(yīng)加強(qiáng)對橋梁所在道路重載車輛的管理和限制,避免超限車輛經(jīng)過。④數(shù)字孿生模型在提升橋梁病害監(jiān)測可視化程度的同時,可以有效對橋梁病害進(jìn)行時空融合分析。視頻和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的同步性分析值得進(jìn)一步研究。

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