（工程力学专业论文）基于图像处理技术的桥梁病害检查和裂缝测量研究.pdf

摘要 随着众多高速公路的建成，桥梁结构日趋大型化，高架桥、连续梁桥、连续刚构桥 梁的采用，使桥梁的检查工作成为一件耗时费力的工作。传统的人工检测效率低下并影 响着道路交通的畅通。运用图像处理技术对桥梁结构图片进行分析，找到桥梁上部结构 底板上的病害是一种实时、无损、高精度、低成本的检测方法。目前在其它领域中已经 有使用此方法或原理进行检测的成套设备，但是这些设备多为国外研制，价格昂贵。另 外由于桥梁病害的多样性和不确定性，在病害检测过程中的算法仍然需要进一步的研 究。 基于上述几点，本文以桥梁结构和数字图像处理为理论基础，对桥梁结构病害信息 图片的采集、处理、标定、量测的方法和难点进行了探讨，并采用v i s u a lb a s i c 程序语 言设计了一套桥梁病害检测和裂缝测量程序，对已知桥梁病害信息进行有区别行的标 识，并进行测量( 位置、裂缝的长度、宽度) 。 该软件由三部分组成：桥梁图像采集、病害识别、裂缝信息测量。病害标识过程中 可以清晰的区分各种病害信息并测量出病害的中心位置；裂缝信息处测量中分为图像处 理和裂缝测量两部分，其中图像处理即对图像的灰度转换、噪音去除、边界平滑、裂缝 填充最后进行二值化，并提出了针对不同图片上裂纹处理的两种不同算法。最后在重心 法基础上的亚像素算法保证了测量结果的精度和准确性，并使测量达到了预期的效果， 精度也完全能够满足规范所提出的0 0 5 m m 的要求。 基于图像处理技术的桥梁病害检查和裂缝测量是一种无损、无接触、高精度的先进 检测方法，论文的研究成果在桥梁病害检测领域有较好的应用价值。 关键词：桥梁病害检测图像处理病害标定裂缝测量 a b s t r a c t n o w a d a y st h eb r i d g ei n s p e c t i o nw o r k t ob e c o m eat i m e c o n s u m i n gh a r ds l e d d i n gw o r k ， b e c a u s et h ev i a d u c t ，t h ec o n t i n u o u sb r i d g e ，a n dt h ec o n t i n u a lr i g i df r a m eb r i d g e sw i d e l yu s e s oi tn e e dt h eb r i d g ei n s p e c t i o nw i d e l y , b u tt h et r a d i t i o n a lb r i d g ei n s p e c t i o ni sl o we f f i c i e n c y a n da l w a y sb l o c k st h et r a f f i c c a r r i e so nt h ea n a l y s i su s i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t ot h eb r i d g es t r u c t u r ep i c t u r e ，f o u n do u td i s e a s e so nt h eb r i d g es u p e r s t r u c t u r ei sak i n do f r e a l t i m e ，l o s s l e s s ，t h eh i g ha c c u r a c y , t h el o wc o s tm e t h o d i ta l r e a d yh a dc a r r i e do ni n i n d u s t r yf o rq u a l i t yi n s p e c t i o n a n d a l r e a d yh a d t h ee q u i p m e n tb a s i e do nt h i sm e t h o d , b u tt h e e q u i p m e n ta l w a y sd e v e l o pb yf o r e i g n e r , a n dt h ep r i c ew a se x p e n s i v e m o r e o v e rt h er e s u l to f b r i d g ed i s e a s e sm u l t i p l i c i t ya n du n c e r t a i n t y , t h ea l g o r i t h mo fd e s e a si n s p e c t i o ns t i l ln e e da f u r t h e rr e s e a r c h b a s e do nt h er e a s o n sa b o v e ，t h i sa r t i c l et a k ead i s c u s so ft h em e t h o da n dt h ed i f f i c u l t i e s o nd i s e a s e si m a g eg a t h e r i n g ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d i s e a s ed e m a r c a t ea n dc r a c k sm e a s u r e m e n t ， b a s e do nt h et h e o r yo fb r i d g es t r u c t u r e & i m a g ep r o c e s s i n g d e s i g nab r i d g ed i s e a s e i n s p e c t i o na n dc r a c km e a s u r e m e n tp r o g r a m ，t o f i n do u tt h ed i s e a s ea n dm a r k e dt h e m d i f f e r e n t l y , t h e nm e a s u r et h el o c a l i t y & t h el e n g t ha n d t h ew i d t ho ft h ec r a c k s t h i ss o f t w a r ea r ec o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：b r i d g ei m a g eg a t h e r i n g ，d i s e a s ed i s t i n g u i s h a n dc r a c ks u r v e y d i s e a s ed i s t i n g u i s hc a nd i s t i n g u i s ht h ed i s e a s e sa n dm e a s u r et h el o c a t i o n o fe a c h c r a c k ss u r v e yc o n t a i n st w op a r t s ，o n ei si m a g ep r o c e s s i n g ，t h eo t h e ri sc r a c k m e a s u r e m e n t i m a g ep r o c e s s i n gi n c l u d e 伊a yt r a n s f o r m i n g ，n o i s ee l i m i n a t i o n ，b o u n d a r y s m o o t h i n g ，f i s s u r ef i l l i n ga n db i n a r y z a t i o nt r a n s f o r m ，t h e np r o p o s e dt w od i f f e r e n ta l g o r i t h m s o nt h ec r a c kp r o c e s s i n gb a s e do nt h ed i f f e r e n tq u a l i t yo ft h ei m a g e t h es u b - p i x e lt e c h n i q u e o fb a r yc e n t e ro p e r a t e r sm e t h o d su s i n gi nm e a s u r ek e e pt h ep r e c i s i o na n dt h ea c c u r a c yo ft e s t r e s u l t t h i sb r i d g ed i s e a s ed i s t i n g i s ha n dc r a c k sm e a s u r em e t h o dw h i c hb a s e do nt h ei m a g e r y p r o c e s s i n g ，i san o - d a m a g e ，n o n c o n t a c ta n dh i 【g ha c c u r a c ya d v a n c e di n s p e c t i o nm e t h o d t h e r e s u l to fi nt h i sr e a s e r c hi sv a l u e a b l ei nt h ef i e l do fb r i d g ed i s e a s ei n s p e c t i o n k e y w o r d s ：b r i d g e d i s e a s ei n s p e c t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d i s e a s ed e m a r c a t e ，c r a c k m e a s u r e m e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：名畚岳砂q 年多月移日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：；彖岳 导师签名： 稻匕 l 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1钢筋混凝土桥梁结构检查的基本认识 现代建筑中，钢筋混凝土结构由于其具有取材方便、耐久耐火性能好、良好的可塑 行、整体性能佳等优势并且工程整体造价较低而被广泛的采纳到各种建筑结构中来。钢 筋混凝土是由多种材料经过物理化学反应结合而成的人造材料，其性质与制备混凝土 的原材料、制备工艺、构件使用的自然环境以及多种荷载作用都有关系，当上述因素发 生任意改变时候都有可能会引起钢筋混凝土构件的变化，从而产生病害。例如，混凝 土的抗拉强度仅为其抗压强度的十分之一，这一材料固有特性导致钢筋混凝土结构在 拉应力作用下极易发生开裂，而混凝土结构开裂首先会使结构在裂纹的断面上的抗弯强 度降低，钢筋的使用应力也将显著增大；如果裂纹超过0 2 m m ，水蒸汽就会侵蚀混凝土 内部，导致钢筋生锈；钢筋生锈的结果，一是减少钢筋的截面，进一步减弱结构的抗弯 抗拉能力，二是结构体积膨胀，使裂缝扩展、贯通。在桥梁建造和使用过程中，有关因 出现裂缝而影响工程质量甚至导致桥梁垮塌的报道屡见不鲜。因此在桥梁使用过程中必 须要对现役桥梁进行定期的检查。通过桥梁的定期检查一方面可以知道桥梁的现状，如 发现病害，则提出对应的修补方案；另外一方面可以对桥梁整体状况做连续的跟踪为以 后的桥梁研究提供长期系统的数据。 随着交通建设的发展，跨河桥梁与高架桥梁在交通工程中的重要性与日俱增，桥梁 所处环境受人为外力及天然灾害频繁( 如地震、台风及洪水等) ，再加上桥梁管理单位人 力不足，建设项目预算与经费有限，使得桥梁劣化情况较为突出。面对以上问题，首先 要对现有桥梁进行完整的检测，再根据桥梁的受损状况作全面的评估；最后根据评估结 果拟定进一步的处理方案( 如维修和补强等) 【i 】。 1 2桥梁病害检测技术现状及数字图像处理技术 当大规模裂缝出现后，桥梁的使用寿命跟随裂缝的扩展而缩减，使桥梁的安全系数 降低，甚至造成事故，因此对于桥梁使用过程中的检测和评估是必要的，也是必须的。 尤其重大自然灾害发生以后，对于桥梁的检测工作尤为重要。由于时间地域以及检测技 术人员的层次等各方面的因素，在目前的检测中桥梁病害检测以检测人员直接检查为 主，并辅助检测车辆、量测工具来检测桥梁中的病害信息( 如图1 1 所示) 。这种利用 第一章绪论 检测人员直接检测的方法不仅检测成本高昂、检测的时间较长，而且在检测过程中当地 的交通会因为检测作业而收到影响。 匦i , i 利用检测车辆检涮桥梁 伴随着各种新的检测方法和技术的出现，多种无损探伤技术被逐步的引入到桥梁建 设和检测中来，这些先进手段的引入在一定的程度上使得桥梁检测变得更加容易。但是 单一的检测设备只能满足菜一固定特征的病害而不能全面的针对桥梁结构常见病害的 进行检测。另外，桥梁的众多病害信息中，渗水、麻面、孔洞等病害信息由于其形态具 备多样性和复杂性，在检测过程中需要检测人员的直观视觉查看凭借个人经验来进行判 断；对于桥梁裂缝、病害位置的确定也必须由人工现场测定，因此常规桥梁病害检查过 程依然以人工直接观察为主，并辅助先进的检测工具。 随着计算机技术的进步和发展，工业生产中原本由人工视觉检测的岗位上出现了 大量应用数字图像处理技术相关的仪器仪表，将工人们从直观的检测中解放出来。数字 图像处理技术源于人类的视觉，它是一门综合性学科，涉及光学、电子学、摄影学和计 算机技术等领域。近年来由于计算机设备价格的持续下降、数字图像的数字化和显示设 备越来越普及等因素，越来越多的领域采用计算机图像处理的方法来进行检测，从传统 制造业到微电子集成芯片领域。从产品平整度、尺寸的量测到产品瑕疵、裂纹等不良信 息的检测等都是计算机图形学在先进生产领域的应用。数字图像处理技术在国民经济中 的作用也越来越明显，从发展的角度可以看出数字图像处理技术在今后的发展中将发挥 出越柬越重要的作用。 本文采用基于光测法的数字图像处理技术对混凝土桥梁结构病害进行采集、分析和 处理，并对裂缝进行测量。研究了一种能够定量、便捷、简单的测量病害信息及特征的 检测方法。 2 长安大学硕上学位论文 1 3本文的研究目的和意义 1 3 1 本文研究的目的 本文主要是对桥梁病害及其特征进行定量分析的数字图像处理方法的研究及其软 件的设计。本课题是现有计算机图像处理技术和桥梁结构病害知识的一个交叉融合。 本文的主要目的就是从现有的计算机图像处理技技术中找到适合桥梁病害信息检 测的方法和技术，并加以改进使结果达到令人满意的效果( 主要在测试精度) 。主要研 究内容包括：桥梁信息采集过程及方法、图像对比度增强算法、边缘检测算法、裂缝宽 度计算方法以及软件设计。 1 3 2 本文研究的意义 桥梁病害检测一直是评价使用中的桥梁优劣及工作状况的一个目标，因此本文对采 集到的桥梁信息图片进行定量的分析，针对常规桥梁检测过程中的重点部分加以分析， 研究了桥梁病害计算机检测的方法和裂缝宽度测量算法，并通过试验验证其准确性，从 而为桥梁病害检测提供了新的、准确、简单的处理手段。它可以标识出桥梁结构中任意 病害的位置并检测裂缝的长度、宽度，为桥梁检测后的桥梁评估提供可靠的依据。该方 法相对简单，易于实现，利用该软件使得桥梁病害检查更加直观化，缩短了检测时间， 提高了效率和精度。 1 4本文的主要研究内容 本文主要是将桥梁结构及数字图像处理技术相结合对图像中桥梁病害信息处理及 裂缝宽度测量算法进行研究。主要内容有： 1 介绍桥梁结构及其分类、混凝土桥梁常见病害信息； 2 桥梁检测的定期检查类型、检查的内容； 3 桥梁检测及图像学在工程裂缝中的应用； 4 病害检测方法以及裂缝预处理算法选取； 5 裂缝信息测量算法设计； 6 裂缝提取算法及测量精度研究； 7 对实际病害进行检测和对裂缝进行实际测量。 3 第二章桥梁结构及常见病害检查 第二章桥梁结构及常见病害检查 2 1桥梁结构及桥梁分类 桥梁是供公路、城市道路、铁路、渠道和管线等跨越江河湖泊、山沟深谷以及其他 障碍的架空构造物。桥梁不但要保证桥面道路的交通运行、渠道和管路通过，而且也要 保证桥下水流宣泄、船只的通航和车流的通行。 2 1 1 桥梁主要结构【7 】 常见的桥梁通常分为以下几个部分： 支垮 桥跨结构 1 釜j 轿臼 i 络掘标 商划型气。业查垡胜 t- j辩措l i 刊警劂“ 图2 1 桥梁结构 桥跨结构是在线路中断时跨越障碍的主要承载结构。 桥墩和桥台是支撑桥跨结构并将恒载和车辆等活载传至地基的建筑物。通常设 置在两端的成为桥台。除去上述功能外，还与路堤相衔接，以抵御路堤土压力，防止路 堤填土的滑坡和坍落。 基础桥墩和桥台的地基底部的奠基部分。桥墩和桥台中使全部荷载传至基础。 它是确保桥梁能安全使用的关键。 支座桥跨结构和桥墩、桥台的支承处所设置的传力装置成为支座，它不仅要传 递很大的荷载，并且要保证桥跨结构能产生一定的变位。 在路堤与桥台衔接处，一般还在桥台两侧设置锥形护坡、护岸等，以保证迎水部分 路堤边坡的稳定，并抵御水流的冲刷。 桥跨结构上直接与车辆、行人接触的结构部分为桥面构造，包括桥面铺装、防水以 及排水设施、桥面伸缩装置、人行道( 或安全带) 、栏杆( 或护栏) 和灯柱等构造。桥 面构造的主要功能是对桥梁的主要构造器保护作用，使桥梁能正常使用。 通常人们还习惯的称桥跨结构为桥梁的上部结构，称桥墩或桥台为桥梁的下部结 构。 4 * 宜大学娘学位论文 212 论桥粱按结构体系分类【7 】 工程中的受力结构总离不开拉、压和弯三种受力方式，由基本构件所组成的各种 结构物在力学上也可归纳为梁式、拱式、悬吊式三种基本体系以及他们之间的各种组合。 现代桥粱也一样，而且其内容更丰富、形式更多样，材料更坚周，技术更进步。从受力 特点、建筑材料、适用跨度、施工套件等方面可以将桥梁分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、 吊桥和组合体系桥。 1 粱式桥梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构。由于外力f 外力 和活载1 的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，故与同样跨径的其他结构体系相比， 梁内产生的弯矩最大，通常需用抗弯能力强的材料( 钢、木、钢筋混凝土) 等建造。目前 在公路上应用最广的是预制装配式的钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁桥。这种梁桥的 结构简单，施工方便，对地基承载力的要求不高，其常用跨径在5 0 m 以下。当跨度较 大时，为了达到经济省料的目的，可根据地质条件等修建连续式或悬臂式的粱桥。 围2 2 架式桥 2 拱桥拱桥的主要受力构件是拱圈或拱肋。在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将 承受水平推力。同时这种水平推力将显著抵消由荷载所引起的在拱圈内的弯矩作用。因 此，与同跨径的粱相比，拱的弯矩和变形要小得多。鉴于拱桥的承重结构以受压为主， 通常用抗压能力强的圬工材料( 如砖石、混凝土) 和钢筋混凝土等来建造。对于太跨度 的桥梁，有时也建造钢拱桥。 第二章桥粱结构世常见病害检查 图2 3 拱桥 3 刚架桥刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体组合的刚架结构， 粱和柱的连接处具有很大的刚性。在竖向载荷作用下，梁丰要受弯，而在柱脚处也具有 水平反力，其受力状态介于粱式桥与拱桥之间。凶此，对于同样的跨径，在相同的荷载 作用下，刚架桥的跨中f 弯矩要比傲粱式桥的小。根据这一特点，刚架桥跨中的建筑 高度就可以做得较小。在桥面标高已确定时，能增加桥下净空。刚架桥的缺点是施工复 杂，如用普通钢筋混凝土修建，梁柱刚接处较易产生裂缝。 图2 4 刚架桥 4 吊桥传统的吊桥均用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构。在竖 向载荷作用下，通过吊杆或缆索承受很大的拉力，通常需要在两岸桥台的后方修筑非常 巨大的锚碇结构。吊桥也是具自水平反力( 拉力) 的结构。现代吊桥上，广泛采用高强 度铡丝编织的钢缆，以充分发挥其优异的抗拉性能，凼此结构白重较轻，能以较小的建 6 长安大学十学位论文 筑高度跨越其他任何桥型无与伦比的特大跨度。其绎济跨径在5 0 0 m 以上。吊桥的另一 特点是：成卷的钢缆易于运输，结构的组成构件较轻，便于无支架悬吊拼装。 圈2 5 吊桥 5 组合桥梁：组合体系桥常用的有t 型刚构桥，连续刚构桥，粱、拱组合体系，以 及斜拉桥。 ( i ) t 形刚构桥与连续刚构桥t 形刚构桥、连续刚构桥都是有粱和刚架相结合 的体系。他们是预应力混凝士结构采用悬臂施工法瓶发展起来的一种新体系。结构的上 部梁在墩上采用平衡悬臂施工，首先形成一个t 形的悬臂结构。帽邻的两个t 形悬臂 在跨中可用剪力铰或跨径较小的挂梁连成一体，即称为带铰或带挂梁的t 形剐构桥。结 构在跨中采用预应力筋和现浇混凝土区段连成整体，即为连续刚构桥。采用悬臂施工法， 施工机其简单，施工速度快，又因结构在悬臂旌工时的受力状态与使用状态下的受力状 态基本一致，所以省料、省工、省时；这就使t 形刚构桥与连续刚构桥的应用范围得到 了迅猛发展。 ( 2 ) 梁、拱组合体系粱、拱组合体系巾有系杆拱、桁架拱、多跨拱梁结构等。 它是利用粱的受弯与拱的承压特点组成联合结构。在预应力混凝土结构中因梁体内可储 备巨大压力来承受拱的水平推力，使这类结构既具有拱的特点，又非推力结构，对地基 要求不高。这种结构施工比较复杂，一般用于城市跨河桥上。 ( 3 ) 斜拉桥_ 斜拉桥是由承压的塔、受拉的索与承弯的粱体组合起来的一种结构 体系。由于拉索将槊体多节点吊住，好似多跨弹性支撑的连续梁，使粱体内弯矩减小， 降低了桥粱的建筑高度。斜拉桥刚度大、造价低，在世界上推广很快，而且跨度越柬越 大。 第二章桥梁结构及常见病害检查 除去从结构上分类外，桥梁还可从其功能、用途、大小规模、建筑材料上进行分类。 公路工程技术标准规定了特大桥、大、中、小桥及涵洞的标准( 见下表) 表2 1 桥梁按大小分类标准 桥梁分类 多孔跨径总长l ( m ) 单孔跨径l k ( m ) 特大桥l 1 0 0 0l k 1 5 0 人桥 1 0 0 l 1 0 0 04 0 l k 15 0 中桥 3 0 l 1 0 02 0 l k 4 0 小桥8 l 3 05 l k 2 0 涵洞l k 5 注：1 单孔跨径系指标准跨径； 2 梁式桥、板式桥的多孔跨径总长为多孔标准跨径的总长；拱式桥为 两岸桥台内起拱线间的距离；其他形式桥梁为桥面系行车道长度： 3 管涵及箱涵不论管径或跨径大小、孔数多少，均称为涵洞； 4 标准跨径：梁式桥、板式桥以两桥墩中线之间桥中心线长度或桥墩 中线与桥台台背前缘线之间桥中心线长度为准；拱式桥和涵洞以净跨径为 准。 2 2钢筋一混凝土桥梁常见病害 2 2 1 钢筋混凝土桥梁常见病害【2 】 1 蜂窝一指混凝土局部疏松，砂浆少，砂多，石子之间出现空隙，形成蜂窝状孔洞 现象。 2 麻面一指混凝土表面局部缺浆、粗糙，或有许多小凹坑，但无钢筋外露现象。主 要出现在桥梁表面。 3 渗水一指混凝土表面的水沿结构内部渗透到结构的另外一面。主要在桥梁下表面 体现。 4 空洞一指混凝土内部有空隙，局部没有混凝土，或蜂窝特别大的现象。它长发生 在钢筋密集处或预留孔洞和预埋件处。 5 裂缝一指中间存留缝隙或不存留缝隙的两处以上不完全分离现象。 6 剥落指混凝土表面砂、水泥浆脱落，粗骨料外露的现象。如果严重时则形成骨 料及包着骨料的砂浆一起脱落，或混凝土表面灰浆呈片状的脱落。 7 露筋一指钢筋混凝土内的主筋、箍筋等没有被混凝土包裹而外露的现象。 8 游离石灰一指由内部渗出，附在外表面的附着物，通常为呈白色的石灰类附着物 8 k 业 学十学位* i 的总称 9 坑穴一是因内部压力导致混凝土表面发生破碎而产生浅凹陷。这种缺陷经常是和 使用易受冻害类骨料有关，一般说束，在坑穴底部看到一部分还附着于坑内的破碎骨料 颗粒。 l o 恶化指在混凝土表面或者整体上出现机械、物理、化学性质损坏的变化，通常 会构成混凝土成分的离析。 图2 1 0 剥落、露筋 图2 1 1 露筋 通常情况下，桥梁的损害最开始都是由混凝土裂缝开始，钢筋混凝土钢筋混凝土结 构的裂缝宽度主要影响结构的耐久性，同时随着裂缝宽度的开展，还会降低结构的刚度和 承载能力：另外方面钢筋混凝十结构在出现裂缝之后，由于水气或有害气体的侵人， 将会导致钢筋的锈蚀、缩短结构的使用年限。因此在对桥梁病害的检测过程中对桥粱 第二章桥梁结构及常见病害检查 裂缝显得尤为的重要【引。 2 2 2 桥梁病害原因及对策分析【2 】 桥梁结构在施工和使用过程中，常会形成各种各样的缺陷和损伤。产生缺陷和损伤 的原因是多方面的，一般而言可以从三方面来寻其根源，一是设计方面，二是施工方面， 三是外因。通常桥梁的缺损种类和原因未必是单一的，有时一个缺损可能是有几个原因 产生的。在长年累月使用的桥梁上，一旦出现缺损，要想查明缺损原因往往是比较困难 的。因此要求检查人员应具有较为丰富的专业知识，并能通过广泛的检查进行综合分析 判断。就公路上占绝大多数的混凝土桥梁而言，其缺损原因如表2 2 所示 2 2 3 桥梁病害的防治对策【9 】 1 通过对桥梁的技术状况、缺陷和损伤进行全面、细致地现场检查，查明缺陷和损 伤所在部位、严重程度及发展趋势，弄清产生缺陷、发生损伤的原因，以便分析、评价 缺陷和操作对桥梁质量及承载能力产生的影响，并为桥梁维修加固设计提供具体技术资 料； 2 结合全面的桥梁检查，制定养护维修计划； 3 对一些桥龄长、结构复杂、有隐患的桥梁，除了观测外，还要进一步通过各种实 验仪器进行检测，如对病害桥梁进一步做静、动载试验和结果分析，对桥梁的质量和可 靠程度进行评价，确定桥梁实际的承载能力，另外还能够发现在一般性检查中难以发现 的隐蔽病害。根据检测结果组织专家对桥梁的安全性和耐久性进行评估； 4 改善桥梁防水性能，并纠正在冬季采用洒盐水化雪防滑的方法。 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 2 混凝土桥梁缺损原因解析 分类 详细解释 结构类型、形式、跨径等划分不合理 结构不合理 断面形状不合理 设计标准、条什用错 整体安全度研究不充分 计算出错 应力计算有错 设计原因 计算差错或漏算 钢筋、预应力钢材布置不合理 设置图纸 构造钢筋不够 不完善 断面形状问题，尺寸不够 构造细：肖研究不够 施工方法、顺序的错误 操作人员技术不熟练 施工质量不好 临时工程研究不够 施：r = 管理不完善 施工原因 材料保管方法的错误 混凝十质量不好 材质不好钢筋、预应力钢材质量差 使用质量不合格的材料 交通量增加、车型增大、轴载加重 事故，如重装、落下、火灾等 外因 自然现象，如地震、冰冻、洪水滑坡等 邻近工程影响 化学作用，如海水、污水、碱基料反应等 2 3桥梁定期检测f 2 】 公路桥梁是贯通公路的重要设施。由于反复受汽车荷载、环境因素和交通事故的侵 害，尤其是交通量和重载车辆的不断增长，以及设计旋工中遗留的某些缺陷，桥梁的质 量状况会日益恶化，耐久性下降。如果桥梁的缺损不能被及时的发现和维修，任其发展， 桥梁将会逐渐丧失原有的通行能力，难以保证行车安全和道路的畅通。所以，我国公 路桥涵养护规范中明确规定必须对桥梁进行检查和维修。 桥梁检查的目的在于，通过对桥梁的技术状况及缺陷和损伤的性质、部位、严重程 度以及发展趋势进行检查，弄清楚出现缺陷和损伤的主要原因，以便能分析和评估既存 缺陷和损伤对桥梁质量和使用承载能力的影响，并为桥梁维修和加固设计提供可靠的技 术数据和依据。因此桥梁检查是进行桥梁养护、维修和加固的先导工作，是决定维修和 加固方案可行和正确与否的可靠保证，是桥梁评定、养护、维修与加固工作中必不可少 第二章桥梁结构及常见病害检查 的重要组成部分。 按照桥梁检查的范围、深度、方式和检查结果的用途等的不同，大致上桥梁检查可 归纳为四种，即：巡视检查、日常检查、定期检查和特殊检查。 2 3 1 巡视检查 巡视检查是有专家对一条线路或一定区域内的桥梁进行快速扫视检查。其目的在于 对所需检查桥梁的技术状况和存在的主要问题形成一个总体印象，以便能对他们进行初 步的专家排序，并为进一步检查做技术准备。 2 3 2 日常检查 日常检查也叫例行检查，或叫经常检查。根据桥梁技术状况，由路段检查人员或桥 工班或护桥人员，每1 3 个月检查一次，主要针对桥面设施和桥台、附属构造的技术状 况进行扫视检查。旨在确保功能结构正常，使结构能得到及时的养护和小修保养或紧急 处理，对需要检修和一些重大问题作出报告。日常检查使得检查人员能有机会在各种天 气情况下对桥梁进行观察，因此检查人员应着重注意下列情况的发生：支撑结构和交通 照明设施的损坏、因车辆碰撞造成的损坏、侵蚀和冲刷破坏、排水系统失效、构件脱落 和桥上行车道路面状况，及时上报严重损坏、开裂和不正常变形的范围、程度和发生时 间。 2 3 3 定期检查 定期检查通常由具有一定检查经验并受过专门桥梁检查培训以及熟悉桥梁设计、施 工等方面知识的检查工程师，按照规定周期，对桥梁主体结构及其附属构造物的技术状 况进行定期跟踪的全面检查。其目的是通过对结构物进行彻底的和系统的检查，根据结 构管理和养护档案，对结构缺损状况做出评估，评定结构构件和整体结构的技术状况， 确定改进工作和特别检查之需求，并确定结构维修、加固或更换的优先排序。定期检查 结果主要从缺损状态、结构与构建的技术状况和改进工作这三个方面进行评定。对于缺 损状况，主要依靠检查人员的判断，从缺损形式和程度、缺损可能发展变化趋势和可能 会产生的后果三方面来评估打分。在结构或构件的技术状况评定中，主要考虑缺损状态 的评定结果，同时也兼顾结构构件的功能、价值与美观要求。改进工作的评定旨在决定 改进时间和方法，往往是通过对改进工作的技术和经济分析来实现这一评定的。定期检 查的周期大约是3 年一次但对木桥、浮桥等特殊结构一般是一年检查一次。由于日常检 查和定期检查均是以目视检查为主的外观检查，检查结果评定大多是基于工程师的经 验，所以这两类检查比较适合桥梁管理与养护部门。 1 夕 长安大学硕士学位论文 2 3 4 特殊检查 特殊检查通常可以分为应急检查和专门检查两种。当桥梁遭受洪水、流冰、漂流物 碰撞等自然灾害和船舶碰撞、滑坡、地震、风灾、超载车辆未经养护管理部门批准自行 通过等事故后，应立即对结构做详细检查，即为应急检查，旨在查明缺损状况，以便采 用应急措施，尽快恢复交通。专门检查是因各种特殊原因由专家依据一定的物理、化学 或无破坏检查手段对桥梁一个或多个组成部分进行的全面查看、测强和测伤或测缺，旨 在找出缺损的明确原因、程度和范围，分析缺损所造成的后果以及潜在缺陷可能给结构 带来的危险，为评定桥梁的耐久性和承载能力以及确定加固维修工作的实施提供依据。 2 4本章小结 本章主要是对桥梁以及桥梁检测中的基础知识做介绍包括： 1 桥梁的结构及常见桥型( 梁式桥、拱式桥、吊桥、组合结构等) ，着重介绍了不同 桥型的受力特性； 2 钢筋混凝土桥梁常见病害( 蜂窝、麻面、裂缝等共九种常见病害信息) ，并对造 成混凝土桥梁病害的原因进行简单分析，并提出了病害对策； 3 常见桥梁检测的类型( 巡视检查、日常检查、定期检查、特殊检查) 及各种检测进 行的时机和检测中的侧重点。 第三章常规桥梁检测技术与计算机图像处理技术及其应用 第三章常规桥梁检测技术与 计算机图像处理技术及其应用 从2 3 节对于桥梁定期检测的介绍可知，对于钢筋混凝土病害的检测从时间和规模 上可以分为四类，其目的都是为了确保桥梁的正常通行，维持交通的畅通，但是每类检 测执行的内容和检测的程度有所不同，因此除去该节所提出的分类方法外，桥梁检测还 可以从检测的内容、检测方法角度进行分类。 3 1常规桥梁检测内容及常规检测方法 常规桥梁检测依据桥梁检测详细度、检测方法的不同，而有各种不同分类，如下述： 1 依据检测详细度分类 ( 1 ) 一般检测：仅以目测或以简单的量测器具检测。 ( 2 ) 详细检n - 一般检测内容之外的检测，比如桥梁的承载能力，局部位置的超 声波探伤等。 由于一般检测结果，无法充分评估桥梁构件的劣化，必须进行更详细的检测，需特 殊仪器及专业人员。 2 依检测方法分类 ( 1 ) 非破坏检测：检测时不造成桥梁结构体损坏的检测方法。一般以目测或借由 声、光、电、磁等媒介进行简介检测。 ( 2 ) 破坏性检n - 对壳体结构进行局部破坏，以获取必要的检测资料，如钻心取 样检测。 其中，非破坏性检测又称无损检测，它是一种不破坏结构本身既能得到实际检测 结果的方式，是近年来随着检测技术和其他领域的交叉融合而发展起来的检测技术。因 为检测过程中无需对被测物体本体进行破坏，即可得到相关的检测结果，在工程实际测 量中被越来越多的领域所采用，拥有良好的前景。常见检测方法有：超声波探伤、x 射线探伤、涡流探伤、磁粉探伤、渗透探伤等，其中超声波探伤是目前桥梁工程中应用 较多的检测手段。 1 4 长安太学硬士学位论立 3 2桥梁检测中裂纹检测技术 覆满 第一镕规桥梁榆测技术与计算帆幽像 g 技术j # 心用 f n 图3 2 声测法检测原理示意图 3 摄影法主要利用摄影设备拍摄图像，通过对图像的放大和处理直观的得到裂纹信 息。摄影法主要用作调i 鸯结构表面发牛的裂纹，使用包括普通相机、录像机、放射线、 红外线摄像机在内的摄影设备对结构进行拍摄，通过后期对拍摄所得图像信息进行处理 的一种椅测方法。 图3 3 摄影法检铡不意翻 随着科学技术尤其是电子计算机技术的发展，传统人工观测法正逐步被在效率和精 度方面拥有绝对优势的的现代化检测方法所代管。声波法通过声波的传递反应结构内部 的病害，一般用柬榆测结构内部的病害信息：摄影法由于摄影设备兼有内外图像拍摄的 功能，所以可以用柬对结构的内外部病害信息同时进行分析处理；并且摄影法拥有不直 接接触结构表面即可进行检测的优势，在进行病害信息处理的过程中，它的这种优势是 声波洼所无法比拟的。 33数字图像处理技术及其发展o ，”，2 6 】 数字图像处理并不足简单的应用图片1 二具对图片进行调整，而是指用计算机对图像 进行处理分析，以获取所需信息的技术。 在当代高度信息化的社会中，各种图形图像在信息传播中所起的作用也越束越大。 1b 长安大学硕士学位论文 随着计算机技术的进步，数字图像处理技术得到了飞速的发展，并在国民经济的各个领 域得到了广泛的应用。2 0 世纪2 0 年代，图像处理就已经被应用于改善伦敦和纽约之间 海底电缆所发送的图片质量。但是直到2 0 世纪5 0 年代数字计算机发展到一定水平后， 数字图像处理才真正引起人们的兴趣。1 9 6 4 年美国喷气推进实验室( j p l ) ，用计算机 对“徘徊者2 号”太空船发回的大批月球照片进行处理，收到明显的效果。在6 0 年代末， 数字图像处理已经形成了比较完整的体系，形成一门独立的学科。6 0 年代到7 0 年代， 由于离散数学的创立和完善，使数字图像处理技术得到迅猛的发展，理论和方法进一步 完善，应用范围更加广泛。这一时期数字图像处理主要与模式识别和图像理解的研究相 联系，如文字识别、医学图像处理、遥感图像的处理等。7 0 年代后期至今，各个应用 领域对数字图像处理提出越来越高的要求，促进这门学科向更高级的方向发展，特别是 在景物理解和机器视觉方向。近几年来随着计算机和各个领域研究的迅速发展，科学计 算可视化、多媒体技术等的研究和应用，使得数字图像处理从一个专门领域的学科变成 了一种新型的科学研究和人机界面的工具。 3 3 1 数字图像处理的应用领域 概括来讲，数字图像处理主要应用于下面几个领域： 1 通讯包括图像传输、电视电话、电视会议等，主要是进行图像压缩甚至在 理解基础上的压缩。 2 宇宙测量由于太空技术的发展，需要用数字图像处理技术处理大量的星体 照片。 3 遥感一航空遥感和卫星遥感图像需要用数字技术加工处理，并提取有用的信 息。主要用于地形地质，矿藏探查，森林、水利、海洋、农业资源的调查，自然灾害预 测预报，环境污染检测，气象卫星云图处理以及地面军事目标识别等。 4 医学图像处理技术在医学界的应用非常广泛，无论是临床诊断常见的c t 还是病理研究中的造影都大量采用图像处理技术。他直观、无创伤、安全方便等有点备 受青睐。 5 机器人视觉机器视觉作为智能机器人的重要感觉器官，主要进行三维景物 理解和识别，是目前处于研究之中的开放课题。机器视觉主要用于军事侦察、危险环境 的自主机器人，邮政、医院和家庭服务的智能机器人，装配线工件识别、定位，太空机 器人的自动操作等。 另外图像处理技术还在视频和多媒体技术、科学可视化、电子商务等多个领域得到 1 7 第三章常规桥梁枪测技术与计算机图像处理技术及其应用 了广泛的应用。在人们的生活中也起着越来越重要的作用。 3 3 2 数字图像处理的特点 数字图像处理是利用计算机的计算功能，实现与光学系统模拟处理相同效果的过 程。数字图像处理具有如下特点： 1 处理精度高，再现性能好。利用计算机进行图像处理，其实质是对图像数据进行 各种运算。 2 易于控制处理效果。在图像处理程序中，可以任意设定或变动各种参数，能有效 控制处理过程，达到预期处理效果。 3 处理的多样性。由于图像处理是通过运行程序进行的，因此，设计不同的图像处 理程序，可以实现各种不同的处理目的。 4 图像数据量庞大。图像中包含有丰富的信息，可以通过图像处理技术获取图像中 包含的游泳信息，但是数字图像的数据量巨大，庞大的数据量给存储、传输和处理都带 来了巨大的困难。如果精度及分辨率再提高，如果精度及分辨率在提高，所需处理时间 将大幅度增加。 5 处理费时、对于计算机硬件要求较高。由于图像数据量大，处理时比较费时。特 别是处理结果与中心像素领域有关的处理过程花时更多。 6 图像处理技术综合性强。数字图像处理设计的技术领域相当广泛，如通信技术、 计算机技术、电子技术、电视技术等，当然数学、物理学等领域更是数字图像的基础。 3 3 3 图像处理的主要内容 不管是出于何种目的的图像处理，都离不开计算机对图像数据进行输入、加工和输 出。概括来讲，数字图像处理研究主要有以下几个方面内容： 1 图像获取、表示和表现：该过程主要是把模拟图像信号转化为计算机所能接受 的数字形式，以及数字图像的现实和表现；由于采集方案的不同这一过程可有计算机、 采集设备、图形卡分别完成； 2 图像增强：图像增强是对图像质量在一般意义上的改善。当无法知道图像退化 的定量信息时，可以使用图像增强技术主观的改善图像质量，这是用于改善图像视感质 量所采取的一种方法。有时可能需要彻底改变图像的视觉效果，以便突出重要特征的可 观察性，使人或计算机更易观察或检测； 3 图像分割：把图像分成区域的过程就是图像分割。一张图片通常包含多个对象， 图像处理未达到识别和理解之前，几乎都必须按照一定得规则将图像分割成区域，然后 18 长安大学硕+ 学位论文 按照区域对图像进行分析、识别； 4 图像分析：所有图像处理应用的目标几乎都涉及到图像分析，该过程即对图像 中的不同对象进行分割、提取对象特征并加以表示，从而有利于计算机对图像进行分类、 识别和理解； 5 图像重建：图像重建与上述图像增强不同，图像增强的输入是图像，处理后输 出的结果也是图像，而图像重建实质是从数据到图像的处理，即输入的某种数据，而经 过处理后得到的结果是图像； 6 图像压缩编码：数字图像的特点之一是数据量庞大。尽管现在有大容量的存贮 器，但人不能满足对图像数据处理的需要，因此在实际应用中图像压缩是必须的。如果 数据不压缩则在存储和传输过程中就需要占用很大的容量和带宽，因而增加了成本。图 像压缩的目的就是压缩数据量。 另外，还有图像识别、二维图像的三维化等等。 对比众多检测报告及桥梁检测规范发现，桥梁检测只需检测出桥梁病害及其相关属 性( 如位置、长度、宽度等) 通过病害的位置以及裂缝的长度宽度包括走向信息对在役 桥梁进行打分。从这一目的出发，图像重建和图像压缩编码技术仅作为了解和一般知识 来掌握，而不是此项软件开发的重点。面对桥梁病害信息，开发和设计的程序需要包含 对病害信息的采集、对采集的图像进行分析处理、从图片中获取病害的信息( 病害的类 型、裂缝的宽度及长度) 这三个主要部分。 3 4数字图像技术在混凝土结构检测中的发展 早在1 9 8 9 年，r o s s i p 等把多模光线埋入汽车隧道的壳壁上探测内部裂纹，当裂缝 穿过光线截面时，光纤中光强会有一个跌落，利用此现象可以从而测出裂缝的位置和大 小【l o 】。1 9 9 2 年，a n s a r i 采用环形光纤成功测得混凝土梁试件裂缝的宽度【l l 】。1 9 9 5 年聂 建国等通过小标距的接触式千分表引伸仪量测了钢筋混凝土矩形梁在长期荷载作用下 的斜裂缝宽度，具有良好的量测精度【1 2 。14 1 。1 9 9 7 年吴胜兴用有限元法，采用“最大拉应 力单元开裂”准则，改进了非线性分析的迭代流程，最大可能地模拟实际结构的开裂情 况，提出可基于分布裂纹模式计算裂缝的发生位置、裂缝间距、裂缝宽度、开展深度【1 4 】。 1 9 9 9 年，吴江龙等用绝对式加速度传感器量测混凝土结构的动裂缝，得出裂缝宽度的 变化幅度及变化情况【1 6 】。2 0 0 0 年，卢兴江等应用扫描电镜对加入化学短纤维的硬化混 凝土进行7 n 定，得出了裂缝开展宽度的大小1 7 1 。2 0 0 2 年，c a w r i g h te ta l 利用4 - 2 0 1 9 第三章常规桥梁检测技术与计算机图像处理技术及其应用 个倾斜仪组成的阵列测量不同时间、不同深度压裂裂纹引起的倾斜，能够可靠地对裂缝 高度和宽度进行实时测绘【1 8 】。2 0 0 3 年，l e u n g k