混凝土橋梁早期裂縫成因與檢測方法研究

李進斌

（山西路橋第七工程有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

橋梁設計、施工和后期運營養(yǎng)護是道路橋梁工程全壽命周期中最重要的三個階段。從已經通車多年的橋梁運營狀態(tài)來看，有較多橋梁隨著運營時間的增加會出現(xiàn)裂縫問題。不僅影響橋梁的整體美觀，嚴重地甚至影響道路橋梁的整體質量水平、使用壽命以及運營安全性[1]。當遇到輕微的地震、風雨侵蝕、車輛撞擊等問題時，對橋梁結構都會造成或多或少的損傷，使橋梁的鋼筋混凝土結構出現(xiàn)裂縫[2]。出現(xiàn)裂縫后不及時進行養(yǎng)護修復，裂縫就會隨著車輛的不斷碾壓變得越來越大，甚至導致橋梁坍塌，造成不可挽回的后果[3]。所以，要重視橋梁結構出現(xiàn)的早期裂縫，定期對橋梁進行養(yǎng)護。

目前，檢測橋梁混凝土結構中的早期裂縫有許多種方法，一般原理為檢測橋梁主體結構和橋墩結構的彈性變形能力、伸縮張力等，并通過檢測結果對裂縫進行分析[4]。但這些方法都不能檢測到橋梁的早期裂縫，裂縫出現(xiàn)的早期形態(tài)特征不明顯，無法精準地對裂縫進行檢測分析[5]。在此基礎上，提出混凝土橋梁早期裂縫成因與檢測方法。對早期裂縫的成因進行分析，設計出混凝土橋梁早期裂縫的檢測方法，并進行實驗，為以后的研究提供理論基礎。

1 混凝土橋梁早期裂縫成因分析

1.1 不同荷載引起的裂縫

由于拉力的作用，橋梁主體結構出現(xiàn)起皮、順著受拉力的方向出現(xiàn)細微裂縫等，這都是橋梁承載達到極值的信號，是橋梁坍塌的預警。

1.2 收縮引起的裂縫

由于混凝土存在彈性收縮現(xiàn)象，會導致橋梁表面出現(xiàn)細微裂縫，這類裂縫形狀纖細，有橫向裂紋也有豎向裂紋，呈無規(guī)則形狀排列。

1.3 溫度變化引起的裂縫

這種裂縫是由于混凝土在澆筑后的溫度產生變化或周圍環(huán)境溫度產生變化導致的裂縫，屬于物理性損傷。

1.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

隨著時間的推移，鋼筋混凝土結構長期暴露在空氣中，受到大氣中二氧化碳和氮硫化物的腐蝕，使金屬結構發(fā)生變化，導致橋梁裂縫的出現(xiàn)。

1.5 橋梁結構選型的局限性

早期裂縫一般集中在中小跨徑橋梁的空心板處?？招陌彘g是通過鉸縫進行傳力的，由于施工工藝等限制，空心板病害較多，主要有鉸縫失效、混凝土剝落和芯模上浮導致的頂板過薄等。此外，鋼筋混凝土結構裂縫要多于預應力混凝土結構，這與結構受力模式有關。同等跨徑下，小箱梁比T 梁要更容易出現(xiàn)裂縫，由于T 梁結構高度高于小箱梁，承載能力更高，同時T 梁為開口截面，方便施工，施工質量容易控制，T 梁產生的裂縫更少。因此，橋梁結構的選型對裂縫的產生具有重要作用。

2 混凝土橋梁早期裂縫檢測

2.1 裂縫數(shù)據(jù)預處理

圖1為混凝土橋梁早期裂縫數(shù)據(jù)增強過程。在采集混凝土橋梁早期裂縫圖像時，發(fā)現(xiàn)圖像信息的背景環(huán)境不單一，存在許多干擾信息。于是首先對混凝土橋梁早期裂縫的圖像數(shù)據(jù)進行預處理，增強裂縫的數(shù)據(jù)特征[6]。

圖1 混凝土橋梁早期裂縫數(shù)據(jù)增強過程

2.2 建立U-Net模型

根據(jù)預處理后的圖像數(shù)據(jù)信息，剔除噪聲信息作為裂縫檢測的數(shù)據(jù)源。為解決橋梁圖像的異構化問題，建立信息處理模型，對圖像的灰度值、像素值、位置坐標進行標準化處理，形成圖像處理的數(shù)據(jù)基礎。UNet 網絡結構具有良好的路徑收縮性，便于提取復雜問題的核心關注點，因此構建U-Net網絡模型。

通過上節(jié)分析可知，造成混凝土橋梁早期裂縫的成因較多，由此造成的外在表現(xiàn)形式也不盡相同，因此，不同裂縫的特征圖像也存在各自的特點。為識別這些特點，需要在圖像中準確定位早期裂縫或潛在裂縫的位置，在此次研究中采用圖像卷積進行定位處理。

將圖像信息的傳輸通道進行簡單化處理，圖像信息經過傳輸通道后，在反卷積作用下使裂縫特征圖像的信息得以加強。傳輸過程中，將特征圖像與編碼路徑中相對應的剪切圖像進行拼接和卷積操作，再激活融合后的圖像，從而提高輸出的混凝土橋梁早期裂縫特征圖像的清晰度。

輸出的特征信息通過U-Net模型，將裂縫圖像和背景無裂縫圖像進行分類處理，再利用softmax 分類器對圖像進行概率統(tǒng)計，提取出混凝土橋梁裂縫預測圖。

2.3 U-Net模型訓練

通過提取輸入圖像的像素級別特征信息，從輸入圖像中分割出橋梁圖像上裂縫像素和背景像素。通過簡化處理圖像的傳輸通道增加圖像的清晰度。同時，利用損失函數(shù)計算模型參數(shù)，以確保圖像經過模型操作后能夠得到相對穩(wěn)定的輸出值，減少圖像特征信息的損耗[7]。公式（1）為損失函數(shù)的計算公式：

2.4 裂縫參數(shù)提取

首先標定橋梁裂縫圖像，通過U-Net網絡模型對混凝土橋梁裂縫圖像特征信息進行標定提取，橋梁裂縫的特征提取結果如圖2所示。

圖2 裂縫圖像結果

由圖3 可知，該裂縫的圖像呈橫向走向，整體偏細長。根據(jù)裂縫的不同形態(tài)特點，設置裂縫的閾值，經多次的特征提取，統(tǒng)計超出該閾值范圍的裂縫圖像信息。再分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，刪除偽裂縫信息，極大程度地減少了混凝土橋梁的裂縫信息誤差?；谏鲜霾襟E，發(fā)現(xiàn)混凝土橋梁的早期裂縫威脅，完成對橋梁的檢測。

圖3 統(tǒng)計裂縫參數(shù)提取

3 實例分析

3.1 工程概況

表1中數(shù)據(jù)為某高速公路橋梁檢測統(tǒng)計表，其中主線橋數(shù)量較多且跨數(shù)較多。采用本文設計的檢測方法檢測該路段橋梁的早期裂縫。

表1 某高速公路橋梁檢測統(tǒng)計表

3.2 實驗過程及結果分析

3.2.1 圖像預處理

混凝土橋梁的裂縫特征圖像是運用數(shù)字采集器在橋梁上進行拍照輸出的，但由于橋梁表面環(huán)境十分復雜，不同現(xiàn)場的光照程度也不同，導致橋梁圖像的采集結果存在一定的誤差。因此，在采集橋梁裂縫圖像前期要考察現(xiàn)場的地理位置，根據(jù)現(xiàn)場情況實時調整數(shù)字采集器的采集參數(shù)。

如圖4所示，裂縫采集人員將橋梁裂縫特征分為四類。在現(xiàn)場對圖像進行采集后根據(jù)這四類裂縫圖像進行分類處理。

圖4 裂縫種類

將得到的混凝土橋梁早期裂縫的圖像進行預處理，加強裂縫圖像的特征，為后期的特征提取節(jié)省時間，并提高特征提取的精度。

3.2.2 加強結構耐久性設計

橋梁耐久性影響的因素包括環(huán)境作用和力學作用。其中，環(huán)境作用主要指橋梁結構周圍環(huán)境的除冰鹽、水分以及凍融等環(huán)境作用降低結構的耐久性；力學作用主要指車輛的反復加載引起結構的疲勞以及磨損等作用降低結構的耐久性。通過加強結構計算、優(yōu)化結構尺寸等措施可解決力學作用下的耐久性問題，通過增加混凝土結構的密實性、優(yōu)化細部構造以及防腐涂層的使用等措施，可以解決環(huán)境作用下的耐久性問題。首先應嚴格控制保護層厚度，同時嚴控設計裂縫寬度。設計時需根據(jù)規(guī)范要求的構件類型、重要程度、接觸的環(huán)境類別適當減少裂縫寬度。盡量采用結構幾何外形簡單、表面結構平整連續(xù)的構造，可以方便施工的同時又可以減少腐蝕性介質的侵蝕。對護欄等直接接觸除冰鹽等有害物質，可通過設置防腐涂層提高耐久性。

3.2.3 基于U-Net的橋梁裂縫圖像信息自動提取

首先選取研究項目拍攝的部分橋梁圖像100 張，然后調用已經訓練好的U-Net 模型，將選取的100 張橋梁表觀圖像隨機且不重復地輸入U-Net 模型。選取200 組裂縫檢測結果圖像進行實驗驗證，對比實際測量與計算機測量的結果，選取其中的10 組結果進行分析，如表2所示。

表2 裂縫寬度測量對比

由表2可知，本文方法識別的裂縫寬度與實際裂縫寬度誤差較小，最大誤差僅為0.1mm。

通過分析實驗結果，可以得出除戶外數(shù)字采集器對實際裂縫的拍攝誤差和人為因素導致的誤差外。本文設計的方法對混凝土橋梁裂縫進行檢測，可以消除裂縫特征圖像中的偽裂縫信息，有效提高了橋梁早期裂縫特征檢測的精度。

4 結語

混凝土橋梁早期裂縫是影響橋梁安全的重要因素，能夠準確地檢測分析橋梁裂縫是十分重要的。本文對混凝土橋梁早期裂縫的成因進行分析，應用U-Net模型加強了早期裂縫的圖像特征，對裂縫進行精確的提取，以便后期對裂縫進行分析和修理。通過實際工程實驗，發(fā)現(xiàn)本文所設計的檢測方法大幅提高了早期裂縫的特征提取精確度。但由于時間限制沒有進行多次實驗，結果性能可能不穩(wěn)定，因此在今后的研究中應進一步完善。