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张 瑾，许慧荣
（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）
据统计，中国桥梁90%以上均为中小跨径桥梁，其中简支T梁桥是最常见的桥梁结构形式之一。简支T梁桥因其具有施工快捷、预制方便及受力特点明确等优势而备受桥梁设计师的青睐。简支T梁桥的上部是由主梁、桥面板、横隔板等结构组成。主梁通过桥面板和横隔板形成了一个整体的空间受力系统，车辆荷载通过桥面板、横隔板等构件分配到各片主梁，形成车辆荷载的横向传递及各片主梁的内力分布，而桥梁横梁连接部位成为该桥型的易损部位。本文以某简支T梁桥[1]为例，基于机器视觉技术对组合式结构桥梁横梁连接进行刚度损伤分析。
机器视觉技术以计算机为载体，通过计算机提取被检测对象图像中的信息，并进行识别、分析、测量及检测，具有信息量大、速度快的特点。本文以简支T梁桥为研究对象，基于机器视觉技术对此简支T梁桥静载试验的偏载与中载工况中活载横向分布规律进行分析，并与有限元计算值的结果进行比较，证明机器视觉技术在此类桥梁横梁连接刚度损伤分析中的可行性和准确性。
某简支T梁桥根据JTJ 021—89《公路桥涵设计通用规范》设计荷载为汽车-20级，挂车-100，人群荷载3.0 kN/m2，桥梁全长476.0 m，桥梁跨径组合为9×16.00 m（钢筋混凝土T梁）+1×5.00 m（钢筋混凝土现浇板梁）+7×16.00 m（钢筋混凝土倒T梁）+1×5.00 m（钢筋混凝土现浇板梁）+13×16.00 m（钢筋混凝土T梁），桥面总宽24.60 m。
根据简支T梁桥的结构特点，利用Midas Civil有限元软件建立半幅简支T梁上部结构有限元梁格模型[2]，如图1所示。
图1 有限元模型
简支T梁桥桥梁荷载横向分布规律与上部结构各片T梁挠度变化密切相关，在实桥静载试验中桥梁挠度测量通常采用全站仪及水准仪等传统人工测量的方法，传统检测手段不但现场检测困难，且数据影响因素较多，主要存在如下问题：监测时间较长，影响桥面交通；
测量各片T梁挠度不同步，容易受环境温度差的影响；
实验过程重度依赖检测人员。
本次实验采用了无接触式的测量方式（机器视觉技术）可以克服现场人工测量存在的困难，可实时监测主梁挠度变化，及时获取车载作用下桥梁各目标测点挠度变化情况，进行活载横向分布规律分析，实时监测数据也可为全桥整体长期性变形监测提供基础数据。
2.1 机器视觉测量原理
机器视觉利用工业相机将空间某点坐标记录在相机图像空间坐标系中，再利用图像坐标系中参照点的坐标反推该点的空间坐标。其实现过程如下：假设待测点A的空间坐标为（X，Y，Z），相机图像坐标为（x，y，z），则两者转换关系为：
式（1）中：R为三阶旋转矩阵；
T为三阶的平移向量。
从几何关系出发，由小孔成像原理可知（不计误差）：
式（2）（3）中：f为相机焦距。
图像平面坐标系与相机坐标系间可进行如下转化：
式（4）（5）中：Nx、Ny为单位距离内像素点的数量；
u0、v0为像表点中线坐标。
将式（2）—式（5）代入式（1）中，则图像坐标与空间坐标的关系式可以表示为：
式（6）中：Z为物像距离，在测量系中是已知的。
因此通过式（6）即可测得空间点A的坐标。
那么在T0、T+1时刻，A点的位移变化量为：
式（7）中：ΔX、ΔY、ΔZ分别为A点由T0时刻至T+1时刻在X、Y、Z方向的位移量。
在上述理论的基础上，通过机器视觉技术采集到的信号通过传输与转换，最终以数据形式呈现给用户，数据采集与传输的拓扑图如图2所示。
图2 数据采集与传输拓扑图
2.2 现场数据采集
利用机器视觉技术，可快速获取桥梁目标点位在桥梁某荷载作用下的挠度变化情况，为了验证该方法的准确性，对本桥进行实桥荷载试验[3]。
实桥荷载试验当天天气为晴，温度为28℃，现场采用BJJC-C1型机器视觉测量仪，配合BJJC-C3型数据箱和BJJC-C2型红外靶标，在某简支T梁桥中选择病害较多的第二跨T梁作为本次荷载试验的对象，第二跨T梁跨中位置的8片梁（半幅）各布置8个测点，测试断面挠度测点布置如图3所示。
图3 测点布置断面图
采用大型载重汽车进行等效荷载试验，加载车型如图4所示。选择第二跨跨中8#梁最大正弯矩加载（偏载）与第二跨跨中5#梁最大正弯矩加载（正载）2个工况进行加载，实际布载情况如图5、图6所示。
图4 加载车型图（单位：cm）
图5 偏载工况车辆布置图（单位：cm）
图6 正载工况车辆布置图（单位：cm）
采用机器视觉测量仪对桥梁偏载工况与正载工况下T梁挠度值进行测量，单片T梁在加载过程中的挠度时程曲线分别如图7、图8所示。
图7 偏载工况下T梁挠度时程曲线
图8 正载工况下T梁挠度时程曲线
2.3 数据分析
在正载与偏载工况下，对通过机器视觉技术采集到的目标点位挠度变化数据进行处理，与有限元计算值的结果进行比较[4-5]。
结果如表1、表2所示。
表1 偏载工况桥面实测挠度值与理论值对比分析
表2 正载工况桥面实测挠度值与理论值对比分析
偏载工况桥面实测挠度值与理论值对比如图9所示。偏载工况下理论与实测荷载横向分布系数对比如图10所示。正载工况桥面实测挠度值与理论值对比如图11所示。正载工况下理论与实测荷载横向分布系数对比如图12所示。
图9 偏载工况桥面实测挠度值与理论值对比图
图10 偏载工况下理论与实测荷载横向分布系数对比
图11 正载工况桥面实测挠度值与理论值对比
图12 正载工况下理论与实测荷载横向分布系数对比
分析上述数据可知，现场测得的挠度都小于理论模型的计算值，实测结果与理论计算结果相比较为吻合，说明实桥荷载试验检测该桥梁实际刚度与理论刚度基本相等，验证了理论模型与实际桥梁受力一致。说明在实桥荷载试验中，利用机器视觉技术进行现场数据采集的方法准确，且对比分析横向分布系数实测结果与理论计算结果，可知该桥的横向刚度较好，证明了机器视觉技术在此类桥梁横梁连接刚度损伤分析中的可行性和准确性。
在桥梁工程中，为了确保桥梁结构的安全性和可靠性，桥梁横梁连接刚度损伤的分析计算是桥梁结构安全验算的重点。本文通过实桥静载试验，采用机器视觉技术可以快速求出简支T梁桥的横向分布系数实测值。通过分析现场数据可知，现场测得的挠度都小于理论模型的计算值，且横向分布系数实测结果与理论计算结果较为吻合，说明该桥刚度和强度较好，证明了机器视觉技术在组合式结构桥梁横梁连接刚度损伤分析中的准确性和可行性，且通过机器视觉技术采集到的实时监测数据也可为全桥整体长期性变形监测提供基础数据。
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