桥梁预制桩施工机械裂纹无损检测技术研究

高晓清

（江苏法尔胜材料分析测试有限公司，江苏 江阴 214400）

预制桩施工是桥梁工程修建中的必要组成部分，其作用是将桥梁上部的荷载传递到深处承载力较强的土层中，以稳固整体桥梁的稳定性，提高桥梁结构的安全性。然而，桥梁预制桩在施工过程中，受到机械的挤压作用力，很容易出现裂纹。裂纹一旦存在，若是不能及时发现和处理，继续扩展下去，会形成贯穿裂纹，最终使得预制桩整体粉碎，失去其作用。面对这种情况，进行机械裂纹检测是十分必要的。机械裂纹检测目前主要有两类方法，即有损检测，这种检测方法准确性较高，但是很容易再次损伤检测目标，因此相比有损检测，第二类无损检测更常用。目前，关于无损检测方法有很多。例如，基于超声波的检测技术，该技术通过向被检测目标发射超声波，然后采集回波信号，最后通过分析，识别预制桩是否存在机械裂纹。这种检测方法效率较高，但是很容易受到检测目标的材质、晶粒度的影响，检测准确性不稳定。基于地磁场激励的检测方法，该方法是在磁场的作用下采集关于待检测目标的磁导率，存在缺陷的目标的磁导率有别于没有缺陷的目标的磁导率，由此可以判断是否存在缺陷。这种方法准确度相对较高，但是检测过程较为复杂，且不能确定缺陷的深度。结合前人研究经验，将涡流脉冲技术与红外成像技术相结合，研究一种复合机械裂纹无损检测。

1 基于涡流脉冲红外热成像的无损检测研究

单一的检测技术均存在各种各样的缺陷，使得检测结果的可靠性不足。针对这一点，提出一种基于涡流脉冲红外热成像的无损检测技术。该检测技术主要分为3部分，即桥梁预制桩涡流脉冲红外热图像采集与处理、图像特征提取、裂纹检测实现。下面针对这3 个步骤进行具体分析。

1.1 桥梁预制桩涡流脉冲红外热图像采集与处理

检测的第一步就是获取关于待检测目标的数据，在本研究中是指预制桩的涡流脉冲红外热图像。成像原理是利用激励线圈向着桥梁预制桩发送脉冲电磁，在桥梁预制桩表面形成涡流。当桥梁预制桩表面没有裂纹时，涡流感应是均匀分布的，因此，桥梁预制桩的表面温度也是相同的。然而，当桥梁预制桩表面存在裂纹时，涡流感应会根据裂纹的位置呈现不规则分布。基于这种情况，通过红外热像仪拍摄桥梁预制桩，就可以获得桥梁预制桩红外图像。由此可知，涡流脉冲是热源，红外热像仪是传感器。在完成桥梁预制桩的红外图像采集后，还需要对图像进行预处理，提高图像质量。

（1）红外图像灰度化。通过下述公式将红外图像的像素转换到0 ～255。灰度化公式如下：

式中，Q(i,j)代表灰度化后的像素；R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)分别代表红、绿、蓝三色彩原始分量。

（2）红外图像平滑。红外图像平滑的作用是去除图像中噪声点，使得图像中隐藏的细节信息更加清晰化。在这里利用改进中值滤波法进行平滑，主要分为两个步骤。第一步骤是对图像中的所有像素点进行极值点分类，分类公式如下：

式中，A(i,j)代表图像中位置(i,j)处的像素点；B代表噪声点类别；C代表图像像素点类别；SA(i,j)代表像素点A(i,j)的邻域；minSA(i,j)，maxSA(i,j)分别代表SA(i,j)内所有像素点的最小值和最大值。

针对分类出来的B，进行中值滤波，具体公式如下：

式中，D(i,j)代表中值滤波后(i,j)处的灰度值；AB(i,j)代表B 中噪声点；W 代表滤波模板。

（3）图像对比度增强。图像对比度增强的目的是增强图像中裂纹处与其他背景像素之间的对比度，具体过程如下。

步骤1：输入待处理的桥梁预制桩涡流脉冲红外热图像。步骤2：去除冗余直方图，将直方图压缩。步骤3：将压缩后的直方图全显示范围扩展。步骤4：利用最小误差法对直方图进行阈值分割，得到两个类型的子图像直方图，分别记为低灰度范围直方图F1(k)和高灰度范围直方图F2(k)。其中，k代表图像中的灰度级。步骤5：分割后两个子图像直方图对数变换。变换公式如下：

式中，1P、2P分别代表对数变换后的子图像直方图；U代表分割阈值。

步骤6：两个子直方图在各自范围内均衡化。步骤7：合并均衡化后的两个子直方图。步骤8：得到增强后的桥梁预制桩涡流脉冲红外热图像。

经过上述一系列过程，完成了桥梁预制桩涡流脉冲红外热图像采集与处理工作。

1.2 桥梁预制桩红外热图像特征提取

图像中包含的信息量一般较多，若是都用于最后的裂纹检测，工作量比较大，因此，通过提取图像中的特征信息，可以很大程度上减少检测工作量。基于小波分解后，提取图像的小波能量和不变矩。具体过程如下。

步骤1：对桥梁预制桩红外图像的像素进行归一化处理。步骤2：将Harr 小波作为小波基函数，其表达式如下。

式中，γ代表支撑域；µ(t)代表Harr 小波函数。步骤3：确定图像的分解尺度，记为N。步骤4：利用µ(t)将桥梁预制桩红外热图像分解为N个尺度的频子图像。步骤5：计算N个尺度低频子图像的能量，计算公式如下：

式中，Eg代表第i 个尺度低频子图像的能量；rg(i,j)代表第g 个尺度低频子图像；mn 代表第g 个尺度低频子图像的大小。步骤6：计算每个尺度低频子图像的中心矩。计算公式如下：

式中，yαβ代表中心矩；(io,jo)代表图像质心的坐标；h=1,2,...,H;t=1,2,...,T代表阶数。步骤7：根据yαβ得出两个不变矩，即平移不变性和伸缩不变性的矩值。步骤8：由每个尺度低频子图像的能量和两个不变矩进行归一化处理，构成整个图像特征矢量。

经过上述过程，完成桥梁预制桩红外热图像特征提取工作。

1.3 机械裂纹检测

基于上述章节的研究成果，本章节进行桥梁预制桩施工机械裂纹检测。检测以支持向量机为核心，构建检测模型。检测模型表达式如下：

式中，f(x)代表最优分类结果；al代表最优超平面加权系数向量；bl代表拉格朗日乘子；d代表分类阈值；cl代表第l个特征向量；λ( )代表核函数。

在利用支持向量机检测出桥梁预制桩是否存在裂纹之后，进一步确定裂纹的几何参数。具体过程如下：

步骤1：利用OTSU 法确定图像中的裂纹目标。步骤2：计算最大类间方差，从整个图像中分割出裂纹区域。步骤3：采用链码定义缺陷边界。在一个图像中，一个像素连接到另一个像素有8 条不同的路径，给每个路径赋予一个代号，就是链码。假设以裂纹区域的J(i,j)点为起点，按照顺时针方向，其链码示例为J(i,j)→12501076。步骤4：链码圈定了一个裂纹边缘区域，由此形成了具有M 个顶点不规则图形。步骤5：根据链码可以直接裂纹的面积和周长。

经过上述章节的研究，完成桥梁预制桩施工机械裂纹无损检测技术分析。

2 算例测试与分析

2.1 算例概况

桥梁预制桩最常见的材质为混凝土。为此，按设计好的配合比浇筑混凝土预制桩试件，试件尺寸为40cm×10cm×10cm。然后采用3 点弯曲试验形成预制裂纹。预制裂纹的尺寸设计如表1 所示。

表1 预制裂纹的尺寸设计表

在完成试件制作后，采集预制桩试件的涡流脉冲红外热图像。

2.2 图像特征提取结果

设置小波分解尺度为7，基于章节1.2 研究，提取每个尺度子图像的能量和不变矩，结果如表2 所示。

表2 图像特征提取结果

2.3 对比分析

利用所研究检测技术、基于超声波的检测技术、基于地磁场激励的检测技术进行预制桩试件裂纹检测，然后计算裂纹的面积和周长，然后与实际情况（由表1 预制裂纹尺寸计算获得）进行对比。结果如图1 和图2 所示。

图1 裂纹面积误差对比图

图2 裂纹周长误差对比图

从图1 和图2 中可以看出，与基于超声波的检测技术、基于地磁场激励的检测技术相比，所研究技术应用下裂纹面积和周长误差要更小，说明所研究技术的检测结果更准确，证明了技术的有效性。

3 结语

桥梁是一种特殊的道路工程。当道路工程修建到地形地势复杂或者河流山谷地段时，需要建造桥梁预制柱。桥梁预制柱在维持桥梁工程修建过程的稳定性中起到了重要的作用，因此保证其结果无缺陷至关重要。在此背景下，研究一种桥梁预制桩施工机械裂纹无损检测技术。该技术通过涡流脉冲让桥梁预制桩出现温度，然后采集红外图像。基于对红外图像的处理和分析，判断其是否存在裂纹以及裂纹的尺寸，完成无损检测。最后，通过算例，检测了试件的裂纹以及尺寸偏差，证明了所研究技术的检测效果。