我国交通基础设施建设已取得举世瞩目的成就,中国桥梁已成为综合国力不断提升的重要标志。近年来,随着桥梁等交通基础设施的完善,运营养护已成为各管理部门主要工作。以量大面广的公路桥梁为例,其规模总量已达91.28万座,其中服役年限超20年的约占总量27%,桥梁大规模管养时代已经到来。2020年12月交通运输部颁布了《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》,提出了“2025年四、五类公路桥梁100%处治,2035年标准化、智能化水平全面提升”的总体目标。作为桥梁结构的重要组成部分,水下结构病害直接关系到桥梁的长期服役性能和寿命,其服役环境较上部结构更为恶劣,也更为隐蔽不易被发现,故病害状况长期得不到重视。传统的桥梁水下结构检测以人工为主,存在风险大、效率低、精度差问题,无法实现桥梁水下结构有效检测和定量评估。当前,国内外学者已对桥梁上部结构病害检测开展了多年研究并取得了大量成果,部分成熟技术已在实际工程中实施应用。然而,国内外对于桥梁水下结构病害检测技术领域的研究仍较为薄弱,仅有部分学者在近年来逐步开展相关技术研究与应用。基于上述背景,本文以量大面广的混凝土桩柱式桥梁为对象,通过现状调研、理论分析、算法研究和试验论证等手段,结合检测设备、智能算法与检测平台等内容,对桥梁水下结构不同病害类型开展系统性研究,相关内容国内暂无先例。本文属国内较早在桥梁水下结构检测技术领域的研究成果,旨在构建集理论方法、智能算法、硬件装备和测量方案于一体的成套检测技术,主要研究内容如下:1)提出了基于多源感知数据的桥梁水下结构多层次病害检测技术框架。模拟人工检测流程,从整体远距离检测到发现具体病害构件近距离精细检测,考虑基础冲刷和结构缩颈、构件局部病害、受损构件形貌和内部不密实等检测需求,设计了整体宏观病害、构件局部病害、构件形貌和内部缺陷多层次检测框架。首先,提出了基于声呐扫描图像的宏观病害检测方法,实现桥梁水下结构冲刷深度和大面积缺陷定量检测,并依据声呐检测结果定位具体受损构件。其次,设计并研制了构件局部病害检测设备,建立局部病害高分辨率识别和定量量测方法;针对该受损构件水下结构形貌,设计了可越障水下构件检测平台,携带光学测量系统完成水下三维形貌重构;最后,针对构件内部缺陷,提出基于应力波层析扫描的水下结构内部缺陷探测方法。由此,实现基于声学、光学和应力波等多源感知数据的水下结构多层次病害检测。2)首先,面对桥梁水下检测实际场景,提出基于声呐扫描图像的水下宏观病害智能检测技术,获取水下环境、基础冲刷深度和受损构件信息。从声呐设备、病害识别智能算法、病害量测方法等方面开展深入研究,搭建了成套技术框架。总结了现有适用于桥梁水下结构病害检测的声呐技术方法,依据已有的工程检测案例和结果,分析并验证了单波束机械扫描声呐在桥梁水下检测中的可行性和良好效果。在此基础上提出了基于深度学习模型的病害识别、分割成套智能算法框架,采用改进U-net网络实现声呐图像多尺度信息融合,实现构件表观病害和冲刷深度的定量检测;开展了模型对比试验,通过与经典U-net模型和嵌套不同骨架的U-net模型结果对比,验证了本文模型性能的可靠性;最终,通过现场实际检测试验,完成了实桥水下冲刷深度、局部病害的定量检测,验证了本文提出技术框架有效性和实用性。3)其次,针对上述已获知的受损构件,设计并研制了基于光学相机的受损构件局部病害智能检测系统。研究了当前人工、ROV水下机器人携带水下相机拍照的局限性,总结现有水下相机在成像条件和分辨率方面对于构件病害检测和后续定量分析的要求。在此背景下,设计并研制了基于光学相机的水下测量系统,并采用双目相机实现水下病害的定量检测。结合该测量系统,研究了基于深度学习的水下构件局部病害识别与分割智能模型,通过模拟试验验证了该模型的有效性,建立了融合分割图像和点云数据的病害量测方法,并通过水下试验实际检测数据完成了构件局部病害的定量量测。4)同时,针对水下受损构件尺寸和形貌信息,研制了面向桥梁水下构件三维形貌检测的可越障检测平台,可准确获取桥梁水下服役构件的尺寸信息。从检测平台设备研制、水下构件检测流程、局部点云重构与坐标系转换、整体三维形貌拼接与优化拟合等方面开展系统研究。检测平台具备无阻尼三脚轮和平行四边形等机构实现30cm截面越障,配置水下光学测量系统和防水电机驱动装置完成水下图像采集;研究了水下构件三维形貌重构成套方法,通过水下试验,实现了水下构件整体形貌的拼接和点云优化,验证了本检测平台满足实际水下构件的检测需求;5)最后,针对水下重点构件内部状况,研究了基于应力波层析扫描的桥梁水下结构内部缺陷探测技术。针对桥梁水下结构在前期建造过程中可能存在的内部浇筑不密实、内部空洞等实际工程需求,研究了超声层析成像的理论方法,分析了基于射线理论的层析成像求解理论方法,建立了以射线追踪法（LTI）为主的水下构件内部缺陷波速分布求解方法,编制算法程序并设计了模拟介质模型,完成了对单一低波速、多个低波速和低波速高波速异常等工况条件的对比试验,验证基于LTI层析扫描方法的有效性;通过水下不同缺陷尺寸条件的构件内部缺陷探测对比试验,分析了钢筋对构件内部探测计算结果的影响,验证了该方法有效性。