邵 帥， 周志祥,b， 雷楊崑， 苗文龍

(重慶交通大學(xué) a. 土木工程學(xué)院； b. 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 重慶 400074)

0 引 言

鋼筋混凝土箱梁作為高等級(jí)公路橋梁工程上部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造形式，廣泛應(yīng)用于不同跨徑的公路、鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中，屬于典型彎、扭、剪復(fù)合受力構(gòu)件，其在橋梁運(yùn)營過程中，易受移動(dòng)荷載、風(fēng)荷載、自然條件侵蝕、地震等多種荷載作用以及超載運(yùn)營、材質(zhì)劣化、疲勞等外界因素的影響，大量在役鋼筋混凝土箱梁橋梁出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)損傷及性能退化，給橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、適用性及安全性造成一定程度隱患。由此，了解橋梁工程鋼筋混凝土箱梁幾何形態(tài)變化規(guī)律、結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)以及兩者間關(guān)系成為亟需解決的問題[1-3]。

隨著現(xiàn)代光電傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、圖像信號(hào)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，近景攝影三維重建技術(shù)具有愈來愈強(qiáng)的普適性。傳統(tǒng)以人工視覺巡查為主的橋梁工程經(jīng)常性安全檢測缺乏量化分析的科學(xué)依據(jù)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患；另外，針對(duì)特大型或重要的橋梁結(jié)構(gòu)等交通運(yùn)輸命脈，為提高其運(yùn)營安全可靠性，常采用橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，在橋梁結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件及關(guān)鍵位置安裝相應(yīng)類型傳感器以獲取其位移、應(yīng)變等靜動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，使橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)具有量化分析的科學(xué)依據(jù)以及可實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁運(yùn)營結(jié)構(gòu)狀況，但該方法基于接觸式傳感器難以適用于量大面廣的常規(guī)橋梁日常安全檢測或監(jiān)測中。相較于傳統(tǒng)經(jīng)常性人工巡檢以及橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，采用近景攝影三維重建技術(shù)對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測或檢測可完全覆蓋結(jié)構(gòu)表面區(qū)域進(jìn)行非接觸式覆蓋性檢測或監(jiān)測，全方位體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中的響應(yīng)狀況，提供可量化分析的科學(xué)依據(jù)[4]。本文針對(duì)大尺度鋼筋混凝土箱梁試件，采用近景攝影三維重建技術(shù)，進(jìn)行荷載-變形-損傷的試驗(yàn)研究，研究了利用近景攝影三維重建技術(shù)獲取鋼筋混凝土箱梁頂板形態(tài)變化與裂縫發(fā)展?fàn)顩r的關(guān)系，可為后續(xù)理論分析及同類試驗(yàn)或工程提供依據(jù)。

1 “橋梁面相學(xué)”理論

受中醫(yī)“人體面相學(xué)”診病原理的啟迪，以結(jié)構(gòu)的廣義作用{F}、廣義位移syggg00與剛度[K]三者間必然的內(nèi)在關(guān)系為理論依據(jù)，提出了基于橋梁結(jié)構(gòu)表觀形態(tài)變化預(yù)測結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的“橋梁面相學(xué)理論”[5]。

“橋梁面相學(xué)”理論基于橋面形態(tài)與結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系，其原理為：橋梁結(jié)構(gòu)必然服從[K]、syggg00與{F}的關(guān)系式:[K]syggg00={F}。即：

上式表明，橋梁結(jié)構(gòu)無論是在{F}變化，抑或結(jié)構(gòu)[K]變化時(shí)，必然會(huì)引起syggg00的變化，從而宏觀反映在橋梁結(jié)構(gòu)外觀(橋面形態(tài))上的變化，即橋梁面相的變化。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

如圖1～3所示，試驗(yàn)箱梁幾何尺寸參數(shù)如下：試驗(yàn)箱梁為等截面，全長6.0 m，計(jì)算跨徑5.7 m。其中頂板寬度362.5 cm，底板寬度187.5 cm，梁高87.5 cm，腹板厚度12.5 cm，頂板厚度7.5 cm，底板厚度7.5 cm。試驗(yàn)箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，鋼筋采用HRB335，規(guī)格為直徑8 mm和10 mm，除箱梁底板5根縱向受力鋼筋直徑為10 mm外，其余直徑均為8 mm。

圖1 平面圖 (cm)

圖2 斷面圖 (cm)

圖3 試驗(yàn)箱梁圖

試驗(yàn)箱梁在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)場制作，模板采用木模，試驗(yàn)梁制作工藝流程為：架設(shè)底?！装濉⒏拱邃摻罱壴茉O(shè)側(cè)?！茉O(shè)內(nèi)模和端頭模板→頂板鋼筋綁扎→混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)→模板拆除。

試驗(yàn)箱梁在現(xiàn)場制作完成后，從箱梁端部吊起并安裝支座予以固定?？紤]到箱梁頂板尺寸比反力架橫向尺寸大，為合理布置反力架，在箱梁加載截面處頂板進(jìn)行切割。切割過程中，應(yīng)盡量避免對(duì)剩余結(jié)構(gòu)造成損傷，切割后的左、右端部孔、中部孔幾何尺寸及切割位置如圖4～6所示，端部孔為38 cm×67 cm，中部孔為38 cm×80 cm。

圖4 試驗(yàn)箱梁切割位置圖

圖5 端部孔

圖6 中部孔

2.2 加載方案及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)過程中采用油壓式千斤頂對(duì)試驗(yàn)箱梁進(jìn)行加載，整個(gè)加載系統(tǒng)由操作臺(tái)、供油泵、油管、氣瓶、分油閥、千斤頂、反力架以及傳感器組成。固定于地面的橫梁和立柱所組成的反力架用于承受對(duì)試驗(yàn)箱梁施加集中荷載的千斤頂所產(chǎn)生的反力并將其傳遞至地面，反力架必須有足夠的剛度以抵抗千斤頂在試驗(yàn)過程中施加集中荷載時(shí)其不會(huì)有較大的變形。兩點(diǎn)對(duì)稱加載時(shí)，為保證兩點(diǎn)千斤頂同步且同時(shí)工作，液壓進(jìn)油系統(tǒng)經(jīng)分油閥等分成2個(gè)并聯(lián)的進(jìn)油管獨(dú)立且同時(shí)同步對(duì)千斤頂供油，傳感器采用50 t力傳感器。單點(diǎn)加載時(shí)，千斤頂收回前次加載的行程，同樣使用1個(gè)50 t力傳感器，將兩點(diǎn)對(duì)稱加載時(shí)其中一個(gè)進(jìn)油管與回油管拆除。試驗(yàn)全過程均采用儀表臺(tái)對(duì)千斤頂液壓進(jìn)油、回油系統(tǒng)進(jìn)行控制并進(jìn)行試驗(yàn)集中荷載的施加，各荷載等級(jí)需由已標(biāo)定的傳感器讀數(shù)確定。兩點(diǎn)對(duì)稱加載時(shí)，為保證集中荷載均勻施加，在加載點(diǎn)使用厚度3 cm直接20 cm的鋼板，如表1所示。

2.3 測試方法

本試驗(yàn)采用的測試方法有3種：指針式百分表測量變形；裂縫觀測儀測量裂縫開展及寬度；高品質(zhì)單反數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測量并運(yùn)用Agisoft Photoscan三維重建試驗(yàn)箱梁各工況帶裂縫信息[6-9]。

3 影像分析獲取試驗(yàn)箱梁頂板幾何形態(tài)方法

3.1 試驗(yàn)箱梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

表1 試驗(yàn)箱梁各工況加載方案

注：荷載分級(jí)0t-2t-10t(初荷載-每級(jí)荷載-終荷載)

鋼筋混凝土箱梁試驗(yàn)全過程中，分別使用Canon EOS 5DS R，焦距24～70 mm，像素5.060×107，其在試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)梁頂板進(jìn)行拍照以獲得試驗(yàn)箱梁在不同荷載工況下的幾何形態(tài)變化；使用Nikon COOLPIX P520，焦距4.3～180 mm，像素1.808×107，試驗(yàn)完成后，將箱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)全息信息拍照，以獲得箱梁在所有工況下的幾何形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)。試驗(yàn)過程中近景攝影各工況共獲取照片3 768張，均滿足后期建模精度及局部重疊率要求且包含試驗(yàn)箱梁整體全部信息，如圖7、8所示。為獲取試驗(yàn)箱梁頂板點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用三維目標(biāo)重建軟件Agisoft PhotoScan建立帶有試驗(yàn)箱梁裂縫、形態(tài)等信息的密集點(diǎn)云模型，按.txt格式導(dǎo)入Geomagic Studio[10-13]，剔除噪聲、體外孤點(diǎn)等干擾因素后，統(tǒng)一采樣。以工況4荷載41 t為例，密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)共計(jì)1 219 967個(gè)，處理后275 748個(gè)，如圖9所示。經(jīng)點(diǎn)云縮放、空間坐標(biāo)系對(duì)齊、封裝-多邊形處理后，得到最終如圖10所示，包含較理想結(jié)構(gòu)信息的試驗(yàn)箱梁頂板點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖7 箱梁模型頂面

圖8 箱梁模型底面

圖9 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后

圖10 頂板點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)箱梁頂板形態(tài)荷載-位移分析

通過對(duì)前述試驗(yàn)箱梁頂板幾何形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，對(duì)試驗(yàn)全過程各工況頂板幾何形態(tài)進(jìn)行荷載-位移分析，結(jié)果如圖11～13所示。

圖11 工況4—26 t(撓度-5.501 1 mm)

圖12 工況4—33 t(撓度-10.879 0 mm)

圖13 工況4—41 t(撓度-19.021 7 mm)

經(jīng)近景攝影三維重建后，由上述各工況位移色譜圖可清晰直觀地觀察加載前后試驗(yàn)箱梁撓度值。試驗(yàn)箱梁加載點(diǎn)處為明顯的藍(lán)色，其下?lián)铣潭认鄬?duì)較大；遠(yuǎn)離加載點(diǎn)的區(qū)域?yàn)榫G色，其下?lián)铣潭认鄬?duì)較小，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合。

3.3 試驗(yàn)箱梁損傷識(shí)別

箱梁屬于典型彎、扭、剪復(fù)合受力構(gòu)件，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)虛功原理，由材料力學(xué)結(jié)合高等數(shù)學(xué)可知，試驗(yàn)箱梁任意截面處彎矩、剛度與撓度的關(guān)系[14-15]：

當(dāng)結(jié)構(gòu)形式確定，在確定的外荷載作用下，試驗(yàn)梁任意截面處撓度、撓度曲線的二階偏導(dǎo)(曲率)，與截面剛度滿足正相關(guān)。若結(jié)構(gòu)在加載過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷，其相應(yīng)位置處的試驗(yàn)梁截面剛度在一定程度上會(huì)出現(xiàn)退化。截面剛度退化的同時(shí)，該處撓度測量值及其曲線在該處的曲率值將會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)突變，呈現(xiàn)出二階偏導(dǎo)不連續(xù)。由此，“橋梁面相學(xué)”理論思想，通過梁的撓度或撓度曲線的曲率是否出現(xiàn)突變來判斷結(jié)構(gòu)中是否存在結(jié)構(gòu)性損傷，建立鋼筋混凝土試驗(yàn)箱梁頂板幾何形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)間的聯(lián)系，分別采用Geomagic Studio如圖14～17所示，與CATIA如圖18～21所示，進(jìn)行曲率分析，以工況4典型荷載等級(jí)為例，圖中曲率受原始曲率的影響，呈現(xiàn)雜亂的彩色斑點(diǎn)，紅色和藍(lán)色表示曲率色譜的兩個(gè)極值，紅色表示向上彎曲，藍(lán)色表示向下彎曲，因其相對(duì)曲率對(duì)比較小，暫不能觀測到明顯裂縫。

圖14 工況4—21 t曲率圖

圖15 工況4—26 t曲率圖

圖16 工況4—33 t曲率圖

圖17 工況4—41 t曲率圖

圖18 工況4—21 t曲率圖

圖19 工況4—26 t曲率圖

圖20 工況4—33 t曲率圖

圖21 工況4—41 t曲率圖

上述采用Geomagic Studio與CATIA進(jìn)行幾何形態(tài)曲率分析后，與試驗(yàn)過程中所測裂縫數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：試驗(yàn)箱梁頂板端部受集中荷載作用時(shí)，箱梁頂板頂面裂縫主要以縱向延伸及環(huán)繞加載點(diǎn)的形式開展。試驗(yàn)荷載16 t時(shí)，外側(cè)裂縫形成合圍；試驗(yàn)荷載17 t時(shí)，內(nèi)側(cè)裂縫形成合圍。合圍裂縫開展規(guī)律為以加載點(diǎn)為圓心，腹板變截面處間距為直徑的形式開展，縱向延伸開展規(guī)律為在全梁縱向沿腹板變截面線的形式開展。試驗(yàn)梁頂板底面裂縫以沿加載點(diǎn)處發(fā)散的形式開展，試驗(yàn)荷載在20 t時(shí)達(dá)到試驗(yàn)梁縱向中心。試驗(yàn)箱梁頂板中部受集中荷載作用時(shí)，箱梁頂板頂面裂縫主要以縱向延伸及環(huán)繞加載點(diǎn)的形式開展。試驗(yàn)荷載35 t時(shí)，外側(cè)裂縫形成合圍；試驗(yàn)荷載36 t時(shí)，內(nèi)側(cè)裂縫形成合圍。試驗(yàn)荷載38 t時(shí)，一條縱向裂縫發(fā)展至頂板端部且貫穿整個(gè)試驗(yàn)梁頂板頂面。試驗(yàn)梁頂板底面裂縫以沿加載點(diǎn)處發(fā)散的形式開展，試驗(yàn)荷載在41 t時(shí)達(dá)到試驗(yàn)梁縱向中心，一條發(fā)展至頂板最左端，后貫通整個(gè)試驗(yàn)梁底板。不同加載位置，其裂縫均在近景攝影三維重建曲率分析結(jié)果中有所體現(xiàn)，如圖22所示。Geomagic中，工況2在試驗(yàn)荷載22 t時(shí)裂縫有所體現(xiàn)，但主要裂縫軟件測量長度與實(shí)際長度有一定偏差，為實(shí)際0.5倍；工況4在試驗(yàn)荷載33 t時(shí)裂縫有所體現(xiàn)，試驗(yàn)荷載41 t時(shí)裂縫發(fā)展更為清晰明顯，此狀況與裂縫實(shí)際開展、尺寸相符。在CATIA曲率分析結(jié)果中，工況2在試驗(yàn)荷載18 t時(shí)裂縫有所體現(xiàn)；工況4在試驗(yàn)荷載21 t時(shí)裂縫有所體現(xiàn)，試驗(yàn)荷載41 t時(shí)裂縫發(fā)展更為清晰明顯且頂板底面裂縫已貫穿頂板，此狀況與裂縫實(shí)際開展、尺寸相符。CATIA在相同試驗(yàn)荷載作用下對(duì)裂縫發(fā)展的靈敏性均優(yōu)于Geomagic，所構(gòu)建的頂板幾何形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的規(guī)律均與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)吻合。

圖22 頂板裂縫圖

4 誤差分析

利用Geomagic Studio三維重建軟件在試驗(yàn)箱梁模型中測得各工況百分表測點(diǎn)處撓度值，本試驗(yàn)百分表測點(diǎn)均位于加載點(diǎn)處，將其與百分表所測真實(shí)值進(jìn)行比較分析得出相對(duì)應(yīng)誤差，僅以工況2與工況4為例，見表2。

表2 誤差分析

根據(jù)表2誤差對(duì)比分析可知，近景攝影三維重建模型其精度較高，工況2撓度值誤差平均為6.56%，工況4撓度值誤差平均為10.81%，工況2及工況4的撓度值誤差平均為8.99%，表明此方法能直觀地描述本試驗(yàn)箱梁的幾何形態(tài)，滿足工程實(shí)踐要求。此外，工況2加載點(diǎn)處Geomagic撓度值大于百分表實(shí)測撓度值，工況4加載點(diǎn)處Geomagic撓度值小于百分表實(shí)測撓度值且工況4誤差大于工況2誤差，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵囼?yàn)測試過程中誤差計(jì)入了試驗(yàn)梁整體縱向撓曲對(duì)測試數(shù)據(jù)的影響，其撓曲影響可以從實(shí)際測量值中減去以減小誤差，其荷載越小，誤差呈增長趨勢。

5 結(jié) 論

基于“橋梁面相學(xué)”理論，針對(duì)大尺度鋼筋混凝土箱梁課題組開展了多荷載工況靜力試驗(yàn)，研究了近景攝影三維重建獲取試驗(yàn)箱梁頂板幾何形態(tài)信息和裂縫開展信息，對(duì)比分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)，建立了箱梁頂板幾何形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1) 基于“橋梁面相學(xué)”理論的近景攝影三維重建技術(shù)，將傳統(tǒng)百分表等接觸式測量的點(diǎn)觀測轉(zhuǎn)換為非接觸式的面觀測。全方位體現(xiàn)試驗(yàn)箱梁在試驗(yàn)過程中的響應(yīng)狀況，描述了試驗(yàn)箱梁整體位移及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，豐富了試驗(yàn)箱梁空間曲面形態(tài)的變化信息及裂縫開展信息，提供可量化分析的科學(xué)依據(jù)。

(2) 針對(duì)大尺度鋼筋混凝土箱梁開展了試驗(yàn)箱梁頂板端部、中部在分別承受集中荷載時(shí)的荷載-結(jié)構(gòu)狀態(tài)-幾何形態(tài)關(guān)系試驗(yàn)研究。若結(jié)構(gòu)在加載過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷，其相應(yīng)位置處的試驗(yàn)梁截面剛度在一定程度上會(huì)出現(xiàn)退化。截面剛度退化的同時(shí)，該處撓度測量值及其曲線在該處的曲率值將會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)突變。通過梁的撓度或撓度曲線的曲率是否出現(xiàn)突變來判斷結(jié)構(gòu)中是否存在結(jié)構(gòu)性損傷，建立了鋼筋混凝土試驗(yàn)箱梁頂板幾何形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)間的聯(lián)系。

(3) 近景攝影三維重建模型其精度較高，本試驗(yàn)工工況2撓度值誤差平均為6.56%，工況4撓度值誤差平均為10.81%，工況2及工況4的撓度值誤差平均為8.99%，能直觀地描述本試驗(yàn)箱梁的幾何形態(tài)，滿足工程實(shí)踐要求。但若受噪聲或體外孤點(diǎn)等干擾因素及試驗(yàn)箱梁整體縱向撓曲影響，可能引起較大誤差，應(yīng)予實(shí)際測量值中扣除以修正誤差。