基于视频融合的桥梁裂缝数字孪生监测实例分析

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

（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

截至2022 年底，我国公路总里程535 万公里左右，其中高速公路17.7 万公里，形成了以高速公路为骨架、普通干线为脉络、农村公路为基础的全国公路网，为社会经济的发展提供了坚实的交通保障。但随着使用年限的增加，桥梁各部位将出现不同的病害，而裂缝作为最常见的病害之一，其发展往往会导致混凝土碳化和钢筋锈蚀，影响桥梁结构的使用寿命[1]。钢筋混凝土桥梁结构裂缝一般由以下三个方面的因素引起[2][3]：一是外荷载的直接应力或结构次内力引起；二是由变形因素引起；三是由耐久性因素引起。

裂缝是混凝土受力性能试验的关键指标，也是桥梁健康检测的重要内容之一。裂缝检测结果可以直观地反映混凝土结构的损伤程度，也可以反映出大部分结构病害的早期表现。对于桥梁结构来说，定期的裂缝检测和裂缝跟踪监测往往能揭示桥梁结构的受力机理，同时也可以评估桥梁的刚度损失和剩余承载力。目前，常用的裂缝监测方法有超声波检测法、冲击弹性波法、声发射检测法、摄影检测法、传感仪器监测、光纤传感网络监测等[4]。具体的裂缝监测常常采用多种监测方法相结合的方式。

随着计算机技术的发展，数字孪生技术逐渐推广到土木工程领域。该技术是借助运行历史数据、传感设备更新及有关物理模型等一系列数据，将多尺度、多物理量及多学科进行集成仿真的过程，并在虚拟空间中进行映射，以此对与之相对应的现实目标的全生命周期进行反映。数字孪生技术在城市高架快速路诊断中进行全面应用[5]，可以最大限度地提升城市高架快速路的病害诊断效率及精准性，便于技术人员针对有关病害进行全面的修复施工。

为掌握裂缝开裂的损坏程度，预测其发展趋势，对桥梁现状进行分析，形成评定结论，以指导桥梁养护、加固和维修工作。本文以某五跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥为背景工程，结合日常运营期间重车通行状态下该桥健康监测数字孪生系统获得的全过程数据，分析视频数据中重车的桥面位置，以及桥梁关键结构响应的演化过程，对重车运行状态下桥梁的结构状态进行综合评估。

1 工程背景

案例桥梁为一座偏南北走向的五跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥，跨径组合为42m+3×65m+42m。该桥上部结构横断面为单箱单室整体式箱梁，箱梁底面采用盆式橡胶支座，下部结构桥台及桥墩均采用重力式桥台或桥墩。

该桥道路中心线和河道中心线正交。桥面总宽11m，桥面布置为：0.25m 栏杆+0.75m 人行道+9m 机动车道+0.75m 人行道+0.25m 栏杆。机动车道桥面铺装采用沥青混凝土，两端桥台处设有梳形钢板伸缩缝，桥面两侧护栏采用混凝土梁柱式栏杆。桥梁侧面照见图1 所示。

图1 案例桥梁侧面照

考虑结构长期运营下，主梁上部承重构件出现了多条腹板斜裂缝，结合监测桥梁自身的特点、病害情况和管理养护需求，对该桥主桥裂缝和结构温度进行实时在线监测。根据桥梁损伤情况，全桥主梁腹板西侧腹板均设置裂缝及结构温度监测测点，其中1#跨监测测点布置在跨中西侧腹板处，2#跨～4#跨监测测点布置在1/4 跨和3/4 跨处西侧腹板，5#跨监测测点布置在跨中西侧腹板处。各测点布置见图2 所示，测点列表见表1 所示。

表1 测点信息

图2 测点位置示意图

2 裂缝监测数据分析

现场对主梁裂缝进行实时监测，典型主梁裂缝监测数据见图3 以及表2 所示。

表2 桥梁裂缝宽度&结构温度测点数据统计表

图3 截面测点裂缝宽度&结构温度数据时程曲线

由图3 中和表2 中数据可知，大桥主梁监测的主要裂缝，裂缝宽度在车辆和环境作用下往复开合，最大裂缝宽度瞬时增加量在0.03～0.71mm 之间，最大相对裂缝宽度变化值发生在2# 跨1/4 跨西侧腹板处，裂缝宽度增加0.71mm。全桥裂缝测点裂缝宽度在车辆荷载和短时升温作用下瞬时增加后，均能回复到基本位置，未出现明显的趋势性变化，裂缝宽度变化数据未超出预警值。各测点温度传感器的监测数据高度吻合，数据稳定。结构温度变化相对稳定，均未超出预警值。

3 基于视频融合的裂缝分析

3.1 裂缝突变数据分析

选取代表性的北侧第一跨跨中裂缝传感器（编号CRK1-1），测点位置如图4 黑圈内灰色标记点所示。

图4 测点位置示意图

以北侧第一跨跨中裂缝传感器CRK1-1 在某日的监测数据为分析对象，当日裂缝突变点列表如图5 所示，突变具体监测时间和数据如表3 统计所示。

表3 裂缝监测突变数据列表

图5 测点某日数据监测

3.2 数据突变原因分析

3.2.1 温度影响分析

调取现场温度传感器数据如图6 所示。监测数据表明当日温度变化缓慢，而裂缝突变数据突变时间在秒级，与温度的相关性低。

图6 测点某日温度监测数据

3.2.2 重车影响分析

调取现场监控视频进行裂缝成因分析，历史视频数据表明，CRK1-1 在当日监测数据中的各主要突变处，现场均有重车通过，如图7 所示。

图7 南侧监控视频重车截图

由于现场硬件设备授时差异，同步对比了裂缝传感器裂缝宽度突变时间和视频传感器重车出现时间。时间对比表明两组传感器的时间偏差在3min 左右。

综合分析判断，裂缝宽度的突变是由于现场重车通过造成。目前重车通过时产生的裂缝宽度突变，尚未超过初设预警值0.2mm。短期的裂缝宽度突变和恢复表明结构处于带裂缝工作状态，重车经过导致结构裂缝较为明显地开合。

4 结论

本文以某五跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥为背景工程，对主梁裂缝和结构温度测点数据进行分析，并基于视频融合技术对裂缝突变原因进行分析，研究结论如下：①结构监测数据总体稳定，均未超出预警值。各测点温度传感器的监测数据高度吻合，数据稳定。全桥裂缝测点裂缝宽度在车辆荷载和短时升温作用下瞬时增加后，均能回复到基本位置，未出现明显的趋势性变化。②短期监测数据表明，裂缝宽度的突变是由于现场重车通过造成。目前重车通过时产生的裂缝宽度突变，尚未超过初设预警值0.2mm。短期的裂缝宽度突变和恢复表明结构处于带裂缝工作状态，重车经过导致结构裂缝较为明显地开合。③在后期桥梁运营养护过程中，应结合长期监测数据对桥梁的损伤累积进行进一步研判，并应加强对桥梁所在道路重载车辆的管理和限制，避免超限车辆经过。④数字孪生模型在提升桥梁病害监测可视化程度的同时，可以有效对桥梁病害进行时空融合分析。视频和物联感知数据的同步性分析值得进一步研究。