桥梁检测及其光学检测方法研究
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摘要
本文分别通过数值计算和现场检测两种手段对 DH 立交桥破坏最严重的匝 2
西连续梁段进行了承载力分析，并总结出了适于异形连续梁承载力测试的有限元
模型和实验方法。结果表明，两种方法所得到的结果比较吻合。
本文还研究了利用数字图像处理技术采集与测量土木结构面内位移的光学
测试方法，即形心搜索法。所谓形心搜索法是，在待测面内位移的物体表面均匀
喷上浅色背景，然后画上数个与背景颜色反差很大的离散标记，最后利用变形前
图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为该标记形心处的位移
增量来测量梁体表面位移的方法。在提取标记形心处的位移增量时，用计算机图
形学、边缘检测、图像二值化等数字图像相关知识处理图像得到了数据，并开发
了数字图像数据处理系统。利用这一系统，可以准确地获得标记形心处的位移。
从实验数据表明，此方法的误差一般在 0.1—1%之间，绝对误差绝大部分都在
10 μm以内，也说明了此方法是计算速度快、精度高的测量方法。
本文将形心搜索法和有限元法位移插值函数相结合探索了快速测量桥梁梁
体局部表面位移场、应变场的一种新方法。所用测量节点位移增量的方法是形心
搜索法，并用插值函数设定了单元内的位移模式，并在此基础上进一步求出了单
元内的应变和应力。较一般方法测物体表面局部位移场、应变场，具有较高的精
度和很高的计算速度。在本文中，在待测位移场的梁体表面上喷上以矩阵形式排
列的m×n个与背景颜色反差很大的离散标记，以标记形心坐标作为变形前节点
坐标，以变形前图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为节点位
移增量，用弹性力学平面问题理论进一步计算出了单元内的应变和应力。
本文还在数字图像相关原理的基础上，把形心搜索法与数字图像相关方法进
行了结合。在数字图像相关测量方法的相关算法中，每一种算法都需要获取初始
值，而且初始值的获取对于相关运算的正确性和计算速度起着至关重要的作用。
本文的计算方法以用形心搜索法得到的标记形心处的位移增量作为初始值，并以
变形前标记形心处的坐标值作为子区中心值，并运用相关理论计算了包含一个标
记的变形前后图像。从而节省了初始值的搜索所用的时间，并保证了相关运算收
敛于全局最小值点。
In recent years, the highway construction of our country has gotten the huge
achievement that makes one focus attention with the fast development of national
economy. Highway nets extending in all directions of many cities that take higher
level highway as main skeleton have already formed preliminarily. But after bridge is
established and open to traffic, various factor can make safe degree of bridge drop
along with time pass.
Now only from increasing of vehicle load and traffic, many bridges have huge hidden
trouble. So, in order to guarantee the safe operation of existing bridge and prolong its
safe tenure of being used as far as possible, it is necessary to detect and assess existing
bridge and to know its safe condition and surplus bearing capacity. Therefore, for built
bridge recently and old bridge, detection to bridge has very important meaning.
This paper has analyzed bearing capacity to continuous beam section damaged
seriously of DONG-HUAN overpass by numerical calculation and detection on job
site respectively and has summarized experiment method and finite element model
that are suitable for test of bearing capacity of irregular continuous beam. As a result,
the conclusions gotten by two methods are coincident fairly.
This paper has still studied the method of handling the displacement in structural
surface using digital image-center of figure search method. The center of figure search
method claimed is the method that spray the background of light color on surface
measured, then draw the great marks that their color is different from the background
color, finally take the change of coordinates of some corresponding center of figure in
original image and formed image as displacements of the center of figure.
When drawing the displacement increment of marked center of figure, this paper
has handled images by computer graphics and edge detection etc, and developed
digital image processing system. Using this system can get the displacement of
marked center of figure accurately. From experimental datas, the error of this method
is in 0.1 — 1% generally and absolute error is nearly in 10 μmwithin. It is a method
with rapid calculating speed and high precision.
This paper has established an rapid and effective calculation method of measuring
strain value of marked center of figure at the foundation of analyzing digital image
correlation principle fully.
In digital image correlation method, to obtain initial value play a most important role
for the correctness and speed of correlation operation. The calculation method of this
paper takes the displacement increment of marked center of figure as initial value and
takes coordinates of marked center of figure in original image as center values of
subset, to calculate original and formed image including a mark by correlation theory.
So, can raise calculation speed and precision under the prerequisite of guaranteeing
correlation operation to restraint the minimum value point of overall points.
西连续梁段进行了承载力分析，并总结出了适于异形连续梁承载力测试的有限元
模型和实验方法。结果表明，两种方法所得到的结果比较吻合。
本文还研究了利用数字图像处理技术采集与测量土木结构面内位移的光学
测试方法，即形心搜索法。所谓形心搜索法是，在待测面内位移的物体表面均匀
喷上浅色背景，然后画上数个与背景颜色反差很大的离散标记，最后利用变形前
图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为该标记形心处的位移
增量来测量梁体表面位移的方法。在提取标记形心处的位移增量时，用计算机图
形学、边缘检测、图像二值化等数字图像相关知识处理图像得到了数据，并开发
了数字图像数据处理系统。利用这一系统，可以准确地获得标记形心处的位移。
从实验数据表明，此方法的误差一般在 0.1—1%之间，绝对误差绝大部分都在
10 μm以内，也说明了此方法是计算速度快、精度高的测量方法。
本文将形心搜索法和有限元法位移插值函数相结合探索了快速测量桥梁梁
体局部表面位移场、应变场的一种新方法。所用测量节点位移增量的方法是形心
搜索法，并用插值函数设定了单元内的位移模式，并在此基础上进一步求出了单
元内的应变和应力。较一般方法测物体表面局部位移场、应变场，具有较高的精
度和很高的计算速度。在本文中，在待测位移场的梁体表面上喷上以矩阵形式排
列的m×n个与背景颜色反差很大的离散标记，以标记形心坐标作为变形前节点
坐标，以变形前图像和变形后图像当中相对应的标记形心坐标的变化作为节点位
移增量，用弹性力学平面问题理论进一步计算出了单元内的应变和应力。
本文还在数字图像相关原理的基础上，把形心搜索法与数字图像相关方法进
行了结合。在数字图像相关测量方法的相关算法中，每一种算法都需要获取初始
值，而且初始值的获取对于相关运算的正确性和计算速度起着至关重要的作用。
本文的计算方法以用形心搜索法得到的标记形心处的位移增量作为初始值，并以
变形前标记形心处的坐标值作为子区中心值，并运用相关理论计算了包含一个标
记的变形前后图像。从而节省了初始值的搜索所用的时间，并保证了相关运算收
敛于全局最小值点。
In recent years, the highway construction of our country has gotten the huge
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along with time pass.
Now only from increasing of vehicle load and traffic, many bridges have huge hidden
trouble. So, in order to guarantee the safe operation of existing bridge and prolong its
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bridge and to know its safe condition and surplus bearing capacity. Therefore, for built
bridge recently and old bridge, detection to bridge has very important meaning.
This paper has analyzed bearing capacity to continuous beam section damaged
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site respectively and has summarized experiment method and finite element model
that are suitable for test of bearing capacity of irregular continuous beam. As a result,
the conclusions gotten by two methods are coincident fairly.
This paper has still studied the method of handling the displacement in structural
surface using digital image-center of figure search method. The center of figure search
method claimed is the method that spray the background of light color on surface
measured, then draw the great marks that their color is different from the background
color, finally take the change of coordinates of some corresponding center of figure in
original image and formed image as displacements of the center of figure.
When drawing the displacement increment of marked center of figure, this paper
has handled images by computer graphics and edge detection etc, and developed
digital image processing system. Using this system can get the displacement of
marked center of figure accurately. From experimental datas, the error of this method
is in 0.1 — 1% generally and absolute error is nearly in 10 μmwithin. It is a method
with rapid calculating speed and high precision.
This paper has established an rapid and effective calculation method of measuring
strain value of marked center of figure at the foundation of analyzing digital image
correlation principle fully.
In digital image correlation method, to obtain initial value play a most important role
for the correctness and speed of correlation operation. The calculation method of this
paper takes the displacement increment of marked center of figure as initial value and
takes coordinates of marked center of figure in original image as center values of
subset, to calculate original and formed image including a mark by correlation theory.
So, can raise calculation speed and precision under the prerequisite of guaranteeing
correlation operation to restraint the minimum value point of overall points.
引文
[1] 孟表柱，检测工作在公路工程中的重要意义，公路，第 9 期，2002
[2] 刘自明，王邦楣，既有桥检测评估的若干要点，桥梁建设，第 3 期，2002
[3] 高怀志，王君杰，桥梁检测和状态评估研究与应用，世界地震工程，第 16
卷第 2 期，2002
[4] 李丽春，谢红战，从京银路旧桥检测看桥梁的使用现状，北京公路，第 3 期，
2002
[5] 安琳，程跃辉，章适，日本混凝土结构的养护、检测与加固技术，世界桥梁，
第 3 期，2002
[6] 毕卫红，郎利影，桥梁检测中光纤传感技术的研究综述，传感器世界，第 6
期，2002
[7] Pi-cheng Tung，Yean-Ren Hwang，Ming-Chang Wu，The development of a
mobile manipulator imaging system for bridge crack inspection，Automation in
Construction11(2002)717-719
[8] Yukiazu Yanaka ， Makoto Kitagawa ， Maintenance of steel bridges on
Honshu-Shikoku crossing ， Journal of Constructional Steel Research 58
(2002)131-150
[9] Shamin A.Sheikh，Performance of concrete structures retrofitted with fibre
reinforced polymers，Engineering Structures 24 (2002)869-879
[10] 高建新，丁祖泉，方如华，基于数字相关的多用途力学测量系统，第八届
全国实验力学学术会议论文集，546-549，1995
[11] 高建新，周辛庚，变形测量中的数字散斑相关搜索法，实验力学，6(4)，
121-127，1991
[12] 邢东梅，数字散斑相关测量方法研究及其在细观力学中的应用，天津大学
博士学位论文，2001
[13] 计宏伟，数字相关图像测量方法与应用的研究，天津大学博士论文，1997
[14] I. Yanmaguchi， Speckle Displacement and Deformation in the Diffraction and
Image Fields for Small Object Deformation， Opt. Acta， 28(10)，1359-1376， 1981
[15] W. H. Peters，W. F. Ranson，Digital Imaging Techniques in Experimental
Mechanics，Opt. Eng.， 21(3)，427-431，1982
- 73 -
天津大学硕士学位论文 参考文献
[16] T. C. Chu，W. F. Ranson，et al.，Application of Digital Image Correlation
Technique to Experimental Mechanics，Exp. Mech.， 25(3)， 232-244，1985
[17] Javier Gonzalez，W. G. Knauss，Strain Inhomogeneity and Discontinuous Crack
Growth In a Particulate Composite， J. Mech. Phys. Solids， Vol.46， 1981-1995，
1998
[18] 天津大学力学系，天津 DH 立交桥静载试验及外观检测报告，2003
[19] 嘉木工作室，ANSYS5.7 有限元实例分析教程，机械工业出版社，2002
[20] 夸克工作室，有限元分析 ANSYS 与 Matlab 基础篇，清华大学出版社，2002
[21] 李浩月，周田朋，刘相新，ANSYS 工程计算应用教程，中国铁道出版社，
2003
[22] 王国强，实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践，西北工业大学
出版社，1999
[23] 丁皓江，何福保，谢贻权，徐兴，弹性和塑性力学中的有限单元法，机械
工业出版社，1988
[24] 颜东煌，田仲初，李学文，桥梁结构电算程序设计，湖南大学出版社，1999
[25] 谭志勇，吴素春，桥梁结构的力学特性测试与分析计算，强度与环境，第
3 期，2002
[26] 党继红，桥梁检测可靠性的研究，中外公路，第 2 期，2002
[27] 王家林，钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元，工程力学，第
19 卷第 6 期，2002
[28] 贺志勇，王卫锋，颜全胜，桥梁检测试验中的挠度测量，广州建筑，第 3
期，2001
[29] 潘云鹤，计算机图形学，高等教育出版社，2001
[30] 施文康，余晓芬，检测技术，机械工业出版社，2002
[31] 孙家广，洋长贵，计算机图形学，清华大学出版社，1994.5
[32] 姚家奕，姜万录，李朝晖，计算机图像技术及其应用，国防工业出版社，
1998
[33] 刘乃琦，顾书吉等，计算机图形技术基础，电子科技大学出版社，1994
[34] 张远鹏，董海，周文灵，计算机图形处理技术基础，北京大学出版社，1996
[35] 王可定，计算机模拟及其应用，东南大学出版社，1997
[36] 金观昌，计算机辅助光学测量，清华大学出版社，1997
[37] 王世锋，刘瑞殉，显微构造中应变标志物及应变测量，高校地质学报，第
8 卷第 1 期，2002
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的应用，实验力学，第 17 卷第 4 期，2002
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© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |