唐 見，周志祥，唐 亮，吳 杰

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074；2.海南省公路勘察設(shè)計院,?？?570206)

·實驗技術(shù)·

基于特征曲率的模型橋結(jié)構(gòu)損傷識別試驗

唐 見1，周志祥1，唐 亮1，吳 杰2

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074；2.海南省公路勘察設(shè)計院,海口 570206)

為探索橋梁結(jié)構(gòu)損傷與橋面形態(tài)的關(guān)系，在實驗室內(nèi)利用提取模型橋橋面特征曲率的方法，開展了判定橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷位置及程度的試驗。首先，采用徠卡Nova Ms50三維激光掃描系統(tǒng)對有機玻璃模型橋面掃描。在多級損傷工況下，將傳統(tǒng)位移計測量數(shù)據(jù)與掃描獲取得到橋面幾何形態(tài)點云數(shù)據(jù)進行了對比。從理論層面上對基于特征曲率的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別進行了分析，并提取了實測橋面特征截面的撓度曲線。結(jié)果可直觀看出：曲率曲線在結(jié)構(gòu)損傷處出現(xiàn)突變，且隨損傷程度的增加，撓度曲率曲線突變峰值也發(fā)生了相應(yīng)的增大。

橋梁結(jié)構(gòu)； 三維激光掃描儀； 特征曲率； 損傷識別

0 引 言

隨橋梁運營時間的推移，將出現(xiàn)車輛荷載的增加、結(jié)構(gòu)的自然老化、檢測養(yǎng)護的不到位等不利情況；結(jié)構(gòu)強度、剛度等性能隨之下降，從而橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，以致事故頻發(fā)[1]。如何保證已建和將建橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與使用耐久性越來越受到人們的關(guān)注。

在大型土木建筑物變形監(jiān)測、邊坡大壩監(jiān)測等領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，其技術(shù)應(yīng)用范圍也正在進一步加大[2]。2003年7月Optech公司利用ILRIS-3D激光掃描系統(tǒng)對Miage湖邊緣冰山北部周圍冰崖的移動進行了監(jiān)測，結(jié)果表明冰崖在1 a多的時間內(nèi)后退了幾十m。2004年，Thomas Schafer等應(yīng)用徠卡HDS2500三維激光掃描儀對Gabcikovo水電站船閘蓄水前后的變形進行了監(jiān)測，取得了理想的精度結(jié)果[3]。三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)單點采集數(shù)據(jù)的方法相比：無需設(shè)置反射棱鏡；可以對結(jié)構(gòu)物進行全天候的監(jiān)測；以高密度、高分辨率獲取掃描物體的海量點云數(shù)據(jù)對目標(biāo)描述細致；采樣速率高[4]。人們利用這些優(yōu)點有效、快捷、精確地對大物體、寬場景進行測量，獲取三維數(shù)據(jù)模型。國內(nèi)外學(xué)者也逐漸把三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于橋梁變形監(jiān)測健康監(jiān)測[5-6]。王紅霞使用三維激光掃描技術(shù)對模型橋梁在5種載荷工況下進行了掃描，并與有限元結(jié)果進行對比分析。證實三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中的可行性。Park等采用三維激光掃描技術(shù)對簡支鋼梁模型的變形進行試驗研究，最大變形量與線性位移傳感器直接測得的變形誤差為0.16%[7]。

本文通過簡支梁模型橋多級損傷試驗，利用徠卡Nova Ms50獲取在不同工況下模型橋橋面點幾何云數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)特征面撓度曲率與損傷位置、損傷程度的關(guān)系來判斷橋梁結(jié)構(gòu)的“重大傷病”損傷情況[8-11]。區(qū)別于曲率模態(tài)，曲率模態(tài)是結(jié)構(gòu)中面的變形模態(tài)，在承受動載荷的情況下，曲率模態(tài)成為承彎結(jié)構(gòu)的動特性的典型特征[12-14]。

1 室內(nèi)模型橋多級損傷試驗

實驗室條件下設(shè)計并制作了一座以有機玻璃為材料的簡支T型梁橋，在模型橋的一邊梁設(shè)置不同高度的裂縫，并在不同的荷載水平下對該模型橋進行加載，同時采用點測量和面測量的方式獲取撓度數(shù)據(jù)。所謂點測量，即采用傳統(tǒng)位移計測量特征點的位移；所謂面測量，即采用徠卡Nova Ms50掃描模型橋面的幾何點云數(shù)據(jù)。

1.1模型橋的制作及損傷設(shè)置

模型橋所用有機玻璃的密度為1.18～1.19 g/cm3，拉伸壓縮強度為50～77 MPa，彎曲強度為90～130 MPa，其彈性模量均值為2 055.25 MPa。在室溫環(huán)境下，有機玻璃的力學(xué)形態(tài)表現(xiàn)出脆而硬。有機玻璃對先天初始裂縫較敏感，在不大的載荷作用下就會出現(xiàn)明顯的裂縫擴展，甚至斷裂。

設(shè)計并制作的簡支T型梁橋縱橋向長1.6 m，橫橋向?qū)?.8 m，在空間傳力上屬于寬橋。該模型沿橫橋方向布置5片T型主梁，沿縱橋向分別在兩端支座位置、l/4位置、跨中位置、3/4位置布置5道橫隔梁。簡支T型梁橋模型的各部分具體尺寸如圖1、2所示。有機玻璃無色透明，透光率超過92%，對光的反射率很低，并且會伴隨出現(xiàn)光的折射，不利于基于激光的測量設(shè)備的使用，為此需在模型的表面覆蓋反射性能好的材料。本次試驗采用白紙進行覆蓋，并保證氣泡較少，模型橋?qū)嶓w如圖3所示。

圖1 簡支T型梁橋平面圖(mm)

圖2 簡支T型梁橋縱剖圖(mm)

圖3 模型橋?qū)嶓w照片

為了使得橋面的變形更明顯，將加載方案設(shè)計成偏心加載，同時為了盡量減小加載時對橋面的覆蓋和遮擋，使用杠桿原理進行間接加載。傳力杠桿為1根直徑3 cm的鋼桿，杠桿的一端與1根固定在地面上的支撐桿通過軸承串接在一起，并對其進行不同的荷載水平加載，使用杠桿原理進行間接加載，加載等級分為3級：1級14 kg，2級28 kg、3級48 kg。加載示意圖如圖4所示。

圖4 模型橋加載示意圖

由于施加荷載主要是豎向荷載且橋梁橫向剛度較大，忽略橋面的橫橋向和縱橋向水平位移，橋面的豎向變形數(shù)據(jù)就成為主要的測量對象。在橋面幾何形態(tài)數(shù)據(jù)采集時采取基于面測量的三維掃描設(shè)備測量和基于點測量的傳統(tǒng)位移計測量。傳統(tǒng)位移計測量時，采用精密位移計(百分表、千分表)分別對每根T梁肋板在鉸接支座端截面、1/4截面、跨中截面共15個特征點的撓度進行測量，以獲取橋面不同位置處的撓度值。掃描的數(shù)據(jù)點是在對每個模型橋進行數(shù)據(jù)采集時通常保持三腳架的位置不動，保證每個模型橋在同一工況下所測數(shù)據(jù)的坐標(biāo)軸的一致性。

共設(shè)計3種試驗工況：①在橋梁無損傷的情況下進行加載。因試驗主要關(guān)心的是橋面在不同荷載下及損傷下的形態(tài)變化，此工況是為了和其他工況進行對比提供參考。②在T型梁橋上人為設(shè)置損傷，模擬橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“重大傷病”，然后再次進行加載測量。在第5片T梁肋跨中人為設(shè)置一條寬度為0.6 mm、高度80 mm(和梁肋高度相等)的裂縫。③采用3塊寬度分別為20、30、30 mm的有機玻璃板沿著肋板高對裂縫進行粘貼修補，然后再分別依次去掉自下而上的有機玻璃板，以模擬不同程度的損傷，如圖5所示。

圖5 三塊有機玻璃粘補已有裂縫照片

1.2試驗結(jié)果分析處理

通過三級加載，獲取到模型橋在無損滿載48 kg加載下的撓度結(jié)果，1號梁的支座端的撓度值1.1 mm和5號梁跨中撓度值-5 mm，此兩者之間差值最大為6.1 mm。因采用偏心加載，模型橋靠近加載端的3、4、5號梁的變形更突出些。現(xiàn)分別將3根梁用千分表、三維激光掃描獲得的撓度結(jié)果列于表1。

表1 無損模型橋在滿載48 kg加載下的撓度結(jié)果

注：正值表示點云撓度相對位移計撓度減小，負值表示增大

在所有的特征點中，4號梁鉸接支座截面處的撓度差值最大為0.8 mm，占實測最大撓度差值6.1 mm的13.1%。從表中可以看到：無損傷簡支T型梁橋掃描點云撓度提取結(jié)果與位移計的實測結(jié)果非常接近。通過三維激光掃描獲取點云的測量方式在精度上是滿足要求的，與傳統(tǒng)的千分表位移計測得結(jié)果相吻合。

因為試驗中模型橋的加載點在5號梁的跨中，撓度值最大。故對5號梁的撓度結(jié)果進行單獨列出，如圖6所示，三維激光掃描結(jié)果、有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)方案數(shù)據(jù)都基本吻合。

圖6 無損模型橋在滿載48 kg荷載工況下特征點撓度對比

2 基于特征曲率的損傷識別

2.1理論分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的虛功原理，變形體結(jié)構(gòu)中任意一點的撓度的表達式如下：

(1)

對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，如簡支梁、連續(xù)梁及剛構(gòu)橋主要是受彎結(jié)構(gòu)，其變形主要是由彎曲引起的，而剪切變形和軸向變形很小，因此可將剪力和軸力引起的變形值忽略，式(1)可簡化為：

(2)

同時，由圖7受力示意圖可知，梁的撓度曲線的普通方程還可表示如下：

y=f(x)

(3)

式中：x為沿著梁長度方向的坐標(biāo)；y為梁的撓度。

圖7 撓度關(guān)系示意圖

同時，撓度曲線的曲率表達式如下：

(4)

式中，ρ(x)為曲率半徑。

忽略式(4)中的高階項，可得撓度曲線的曲率近似公式如下：

(5)

由材料力學(xué)可知，梁中任意截面處彎矩與撓度的關(guān)系如下式所示：

(6)

式中：E為梁的彈性模量；I為梁截面慣性矩；M(x)為作用梁上的荷載產(chǎn)生的彎矩。

將式(5)代入(6)中，可得到梁中任意截面的彎矩、剛度及撓度三者之間關(guān)系如下：

當(dāng)結(jié)構(gòu)形式、外荷載不變時，梁中任意截面的撓度及撓度曲線的曲率均與梁的截面剛度呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)梁中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷時，損傷位置處梁體的截面剛度會有不同程度的剛度降低，伴隨著剛度的降低，將會出現(xiàn)撓度及撓度曲率的突變；反之，則可以通過梁的撓度或者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。

2.2面測量數(shù)據(jù)分析

通過徠卡Nova Ms50掃描獲得的橋面三維點云數(shù)據(jù)包含有白色隔光紙造成的氣泡、激光的折射干擾的實測數(shù)據(jù)，未經(jīng)除噪的初始點云數(shù)據(jù)中雜音太多，不能真實地反映橋面的形態(tài)。且直接掃描測量所得到的橋面幾何形態(tài)，也就是未減去橋面加載前的初始值，只表示橋面的實際形態(tài)，不代表橋面的絕對撓度的噪聲數(shù)據(jù)[15]。試驗時，對5號梁做了損傷處理，在損傷識別時對其進行單獨分析。由于點云數(shù)據(jù)中5號梁受加載裝置的遮擋，成半圓狀的掃描點云數(shù)據(jù)缺失，無法直接取其中心線作為特征截面；同時為了保證選取的特征截面包含有更多的結(jié)構(gòu)損傷信息，選擇了靠近5號梁的縱斷面作為特征截面，特征面示意如圖8所示。

圖8 特征面位置示意圖

圖9、10為有損傷結(jié)構(gòu)中第3級荷載下特征截面的撓度曲線、撓度曲率曲線。從圖中可以明顯看出，直接測量數(shù)據(jù)所計算得到的撓度曲率包含過多的噪聲，結(jié)構(gòu)的真實撓度特征曲率完全淹沒在了噪聲之中。因此，如果想利用基于特征截面撓度曲率突變的損傷識別方法，必須先對測得點云數(shù)據(jù)進行去噪?？紤]到噪點數(shù)量較大，本文采用最大閾值法進行去噪。

圖9和圖11為去噪后的特征線的撓度曲線和撓度曲率曲線。在圖9中，較平滑的線為有損傷下橋面鋪裝點云數(shù)據(jù)中特征截面的撓度曲線；圖10為特征截面的撓度曲率曲線，雖然該撓度曲率曲線還存在大量的波動，但撓度曲率曲線的主要特征已能夠看出。

圖9 最大損傷撓度曲線

圖10 最大損傷原始撓度曲率曲線

圖11 最大損傷降噪后撓度曲率曲線圖

將降噪后無損傷和最大損傷下特征面的撓度曲率曲線一起列于圖12。由圖12知，最大損傷點云數(shù)據(jù)下特征截面的撓度曲率在50 mm處相對于無損傷點云數(shù)據(jù)下特征截面的撓度曲率發(fā)生了突變，且發(fā)生突變的區(qū)域與損傷的區(qū)域較為接近。

圖12 無損傷和最大損傷點云數(shù)據(jù)中特征截面的撓度曲率曲線

將有損傷結(jié)構(gòu)的掃描點云下的特征截面的撓度及撓度曲率與有限元計算數(shù)據(jù)下的5號梁中心線的撓度及撓度曲率進行對比，如圖13所示。

通過對圖13(a)分析可知，兩種數(shù)據(jù)下的特征截面的撓度值及撓度曲線的形態(tài)基本一致，盡管兩種數(shù)據(jù)下的5號梁中心線的撓度曲率在-800～0 mm及200～800 mm區(qū)域內(nèi)有比較小的偏差；有限元數(shù)據(jù)的突變峰值出現(xiàn)在100 mm左右，相對于點云數(shù)據(jù)中突變峰值點50 mm左右，雖然損傷區(qū)域判定出現(xiàn)一定的偏差，但能大致看出損傷出現(xiàn)的位置。

圖13 最大損傷點云數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)中特征截面的撓度及撓度曲率曲線

對不同損傷程度的試驗數(shù)據(jù)進行降噪對比處理，如圖14所示。損傷位置相同的情況下，撓度曲率曲線不同的工況下對應(yīng)的最大峰值突變點出現(xiàn)位置基本相同；損傷程度不同導(dǎo)致其撓度曲率曲線的最大突變峰值的大小不一，由趨勢基本可見：損傷程度越大對應(yīng)的峰值越大?？梢缘弥捎谔卣鹘孛娌⒉皇俏挥?號主梁(開裂主梁)中心線位置處，所以不同損傷程度下?lián)隙惹释蛔兊某潭炔⒉蝗鐖D12那么明顯，但是仍能明顯體現(xiàn)出主梁的損傷程度的變化。

圖14 不同損傷程度下特征截面的撓度曲率曲線

3 結(jié) 語

本研究將特征曲率引入到橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別中，得到如下結(jié)論：

(1) 三維激光掃描技術(shù)高效、精確地測量出了模型橋面形特征。相對于傳統(tǒng)的百分表點測量，這種面測量方法在高精度的情況下，更能全方位體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體位移和變形狀況，能夠獲取更加豐富的曲面特征信息[16]。

(2) 特征曲率方法可以提取原本隱含在曲面或特征截面曲線中的信息，將原本不明顯的損傷位置和程度信息突顯出來，不僅可以對損傷定性，還可以對損傷程度定量。

(3) 在國內(nèi)外的科學(xué)研究工作中，將三維激光掃描應(yīng)用到實橋檢測上已有較多先例，但如何進一步分析處理所得到的海量點云數(shù)據(jù)仍有待進一步研究完善。

本文的研究工作有望在實驗室研究的基礎(chǔ)上，進一步推廣到實際橋梁的工程應(yīng)用中，為基于特征曲率進行損傷判斷的方法打下基礎(chǔ)。

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Damage Identification of Model Bridge Structure Based on Characteristic Curvature

TANGJian1,ZHOUZhixiang1,TANGLiang1,WUJie2

(1.School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China；2.Hainan Province Highway Survey and Design Institute,Haikou 570206,China)

In order to explore the relationship between damage of bridge structure and appearance of the bridge,in the laboratory,using the method of extracting the characteristic curvature of the bridge deck,the experimental study on the damage location and degree of the bridge structure was carried out.First,the Leica Ms50 Nova 3D laser scanning system was used to scan the deck of the organic glass model.Under the condition of multi stage damage,the data of the traditional displacement meter are compared with those of the geometrical shape point cloud of the bridge.The damage identification of bridge structure based on feature curvature is analyzed from the theoretical level,and the deflection curve of the measured deck characteristic section is extracted.From the result,it can be seen that the curvature curve has a sudden change in the structural damage point,and the change of the curve of the deflection curve with the increase of the degree of damage also has a corresponding increase.

bridge structure; 3D laser scanner; characteristic curvature; damage identification

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金項目(50578168); 交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2013319814040); 重慶市應(yīng)用開發(fā)計劃項目(cstc2013yykfB0123)

唐 見(1990-)，男，四川資陽人，碩士生，主要研究方向為橋梁檢測與加固。

Tel.：15683754936；E-mail：jiantang_psy@163.com

周志祥(1958-)，男，四川遂寧人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為橋梁檢測與加固、鋼-混組合結(jié)構(gòu)。

Tel.：13908360432；E-mail：zhixiangzhou@cqjtu.edu.cn

TU 317

：A

1006-7167(2017)07-0004-05