橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀研究

王俊青

(山西長治誠杰建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西長治 046000)

0 引言

新形勢(shì)下，隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及橋梁工程的建設(shè)規(guī)模日益增大，促使橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研究工作越來越受到眾多的人們的關(guān)注和重視。橋梁無損檢測(cè)技術(shù)，作為現(xiàn)代橋梁工程檢測(cè)技術(shù)的重要手段，在保障橋梁健康投入使用，提高橋梁的安全性、耐久性等方面具有不容忽視的作用。尤其是近些年來受到橋梁工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞、橋梁老化等情況的影響，所導(dǎo)致的一系列橋梁安全事故的頻繁發(fā)生，更使橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研究工作顯得越來越重要。為此，本文主要通過結(jié)合現(xiàn)階段橋梁無損技術(shù)的一些相關(guān)應(yīng)用情況進(jìn)行討論，現(xiàn)具體分析如下。

1 橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的形成與發(fā)展情況

橋梁無損檢測(cè)技術(shù)，通常是指在不影響橋梁結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件性能的前提條件下，通過測(cè)定橋梁工程的某些物理量，以此判斷其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能的檢測(cè)方法。從當(dāng)前來看，由于現(xiàn)代材料學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為橋梁無損檢測(cè)技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為現(xiàn)階段的橋梁無損檢測(cè)技術(shù)提供了必要的新型測(cè)試工具。

從橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的形成與發(fā)展來看，橋梁無損檢測(cè)技術(shù)與混凝土無損檢測(cè)技術(shù)有著極為密切的關(guān)系。混凝土無損檢測(cè)技術(shù)，從20世紀(jì)30年代發(fā)展至今，先后經(jīng)歷了表面壓痕技術(shù)、共振測(cè)量技術(shù)、超聲波脈沖檢測(cè)技術(shù)等重要技術(shù)，促使混凝土工程逐漸形成了一個(gè)較為完整的無損檢測(cè)體系。同時(shí)，也讓混凝土無損檢測(cè)技術(shù)在此發(fā)展過程中，有了更為重要的技術(shù)基礎(chǔ)。橋梁無損檢測(cè)技術(shù)由此而形成并獲得發(fā)展。特別是在新形勢(shì)的沖擊下，橋梁無損檢測(cè)技術(shù)先后研發(fā)出了微波吸收、雷達(dá)掃描、紅外熱譜，以及脈沖回波等先進(jìn)技術(shù)。隨著橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟，當(dāng)前無損檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有美國的ASTM、英國的BSI等頒布的標(biāo)準(zhǔn)。在規(guī)范橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用上，這些現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)起著很好的推動(dòng)作用。新時(shí)期下的橋梁無損檢測(cè)技術(shù)正朝著智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化的方向轉(zhuǎn)變。

2 橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)涵

橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)及發(fā)展應(yīng)用，在評(píng)定橋梁既有結(jié)構(gòu)損傷等檢測(cè)工作上，越來越顯示出其重要性。一般來說，橋梁無損檢測(cè)技術(shù)在橋梁工程的檢測(cè)工作中主要與以下幾個(gè)方面有關(guān):1)橋梁主體材料及其結(jié)構(gòu)特性方面;2)能夠準(zhǔn)確反映橋梁整體及其局部性能的物理量，以及各物理量之間存在的函數(shù)關(guān)系;3)橋梁檢測(cè)過程、方式和橋梁檢測(cè)儀器設(shè)備的更新。作為一個(gè)涵蓋多種材料，并由各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng)，橋梁工程需要考慮到整體系統(tǒng)的成分、應(yīng)力情況、易損性、剛度、動(dòng)力等多種特性，檢測(cè)范圍既廣泛又復(fù)雜。為了便于無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)揮出對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)狀況和局部構(gòu)件的損傷情況的識(shí)別能力，大多數(shù)時(shí)候人們是采取分類探討的方式進(jìn)行的。目前，現(xiàn)有的分類標(biāo)準(zhǔn)大概有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次分析法等幾種。

此外，在橋梁損傷的識(shí)別上，一般橋梁的損傷主要有兩大類，即材料損傷和結(jié)構(gòu)受力損傷。就材料損傷來講，最常見的材料損傷主要發(fā)生在鋼筋和混凝土材料兩方面。當(dāng)橋梁的工作性質(zhì)受到影響，或是橋梁的受力狀況發(fā)生改變，會(huì)對(duì)橋梁的施工材料造成不同程度上的疲勞損傷、鋼筋銹蝕等，導(dǎo)致橋梁材料損傷。無損檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)在于對(duì)這方面的橋梁損傷的識(shí)別上。一方面，在橋梁工程中主要使用的混凝土材料中，通常在投入使用前，混凝土構(gòu)件由于在凝結(jié)與硬化的過程中，會(huì)發(fā)生水泥干縮現(xiàn)象，致使在混凝土內(nèi)部較大的骨料顆粒、砂漿以及水泥接觸面等方面首先產(chǎn)生微裂縫。另一方面，在橋梁工程使用的鋼筋材料中，受到冶煉階段的某些雜質(zhì)影響，在微觀上會(huì)對(duì)鋼材的連續(xù)性造成破壞，甚至可能會(huì)形成鋼材銹蝕的陽極，導(dǎo)致鋼材電化腐蝕。此外，受焊縫微裂縫、焊接殘余應(yīng)力等因素影響，在混凝土梁主筋等部位，會(huì)由于結(jié)構(gòu)受力而致使應(yīng)力集中，首先引發(fā)橋梁損傷。

就橋梁結(jié)構(gòu)受力來講，通常橋梁在使用期間，會(huì)受到各種環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素的影響而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力損傷，包括使用荷載、超常荷載、偶發(fā)荷載，以及日照、溫差、風(fēng)雪等因素造成的損傷。一般表現(xiàn)為橋梁構(gòu)件抗力退化、疲勞退化、強(qiáng)度退化等。除此之外，在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降、構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失等因素的影響下導(dǎo)致的橋梁應(yīng)力重分布，以及其他不確定性因素(例如大型懸掛體系結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力、風(fēng)致振動(dòng)等)，都會(huì)導(dǎo)致橋梁的結(jié)構(gòu)受力損傷。

3 現(xiàn)階段橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研究情況

1)現(xiàn)階段無損檢測(cè)技術(shù)的研究工作。

在以往的橋梁檢測(cè)技術(shù)中，通常是采取動(dòng)靜載試驗(yàn)、目測(cè)、混凝土硬度試驗(yàn)、超聲波探測(cè)和腐蝕作用試驗(yàn)等幾種橋梁檢測(cè)技術(shù)。其中，靜載試驗(yàn)往往用于測(cè)試橋梁的撓度和應(yīng)變，并結(jié)合相關(guān)的檢測(cè)專家的目測(cè)，來達(dá)到綜合評(píng)定橋梁狀況的作用。同時(shí)，在對(duì)橋梁裂紋的檢測(cè)過程中，最常用到的無損檢測(cè)技術(shù)包括液體滲透方法、磁分子方法、渦流儀方法和超聲波技術(shù)，以及聲發(fā)射技術(shù)等幾種。在對(duì)鋼橋體積損傷的檢測(cè)過程中，可以采用X射線攝像的方式，探測(cè)其中存在的缺陷。在對(duì)混凝土橋的檢測(cè)過程中，可以采用荷載試驗(yàn)與模態(tài)分析的方式探測(cè)其整體結(jié)構(gòu)，采用超聲波技術(shù)、沖擊反射技術(shù)、磁電阻抗技術(shù)、銹蝕勢(shì)能技術(shù)和遠(yuǎn)紅外熱像技術(shù)，以及地面滲透雷達(dá)和X射線攝像方法等，對(duì)橋梁的局部構(gòu)造進(jìn)行檢測(cè)。

此外，現(xiàn)階段的橋梁無損檢測(cè)技術(shù)，還包括激光雷達(dá)檢測(cè)法、全系干涉儀檢測(cè)法、激光斑紋檢測(cè)法、雙波長遠(yuǎn)紅外成像檢測(cè)法和磁漏攝動(dòng)檢測(cè)法等。廣泛應(yīng)用于橋梁下部結(jié)構(gòu)撓度、表面變形狀況、混凝土層損傷程度，以及鋼索、鋼梁及混凝土內(nèi)部鋼筋等各個(gè)方面的檢測(cè)工作上。

2)現(xiàn)階段研究無損檢測(cè)技術(shù)的工作進(jìn)展。

近年來，隨著橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研究工作不斷深入和發(fā)展，在振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的檢測(cè)技術(shù)上獲得了更加充分的發(fā)展。在建立橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)橋梁模型的參數(shù)進(jìn)行修正，能夠更為直觀、全面地反映該技術(shù)在橋梁損傷上的識(shí)別能力。在對(duì)振動(dòng)模態(tài)分析檢測(cè)技術(shù)的研究工作上，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)能夠起到度量橋梁整體狀況的作用。在橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度及其阻尼特性改變時(shí)，以橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)作為研究的權(quán)數(shù)，并采用模態(tài)前后的變化量對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷實(shí)行加權(quán)處理，很大程度上有利于識(shí)別和定位結(jié)構(gòu)單元損傷。

從現(xiàn)階段研究無損檢測(cè)技術(shù)取得的工作進(jìn)展來看，美國聯(lián)邦啟動(dòng)的公路橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研究項(xiàng)目，比以往無損檢測(cè)技術(shù)的研究工作，涉及到更多的先進(jìn)技術(shù)，研究課題相對(duì)較為廣泛，研究與開發(fā)計(jì)劃要更為大型。主要包括了橋面板檢測(cè)系統(tǒng)、橋梁測(cè)試及健康監(jiān)視系統(tǒng)、疲勞裂紋探測(cè)及評(píng)估磁鐵方法、銹蝕探測(cè)及評(píng)估技術(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)法和激光振動(dòng)計(jì)測(cè)量法等幾種。

a.橋面板檢測(cè)系統(tǒng)。包括雙帶遠(yuǎn)紅外熱成像系統(tǒng)、地面滲透雷達(dá)等在內(nèi)。雙帶遠(yuǎn)紅外熱成像系統(tǒng)通過借助兩種不同的紅外波長，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面板的裸露混凝土、瀝青覆蓋的混凝土剝落情況等同時(shí)檢測(cè)。地面滲透雷達(dá)則是通過借助脈沖雷達(dá)、人工光柵技術(shù)和信號(hào)處理與成像的方式，構(gòu)建二維和三維的橋面板內(nèi)部圖像。

b.橋梁測(cè)試及健康監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過發(fā)送無線電進(jìn)行全橋監(jiān)測(cè)，并采用GPS對(duì)橋梁變形進(jìn)行測(cè)量，以及用TRIP鋼傳感器監(jiān)測(cè)橋梁超載等情況，起到對(duì)橋梁的整體測(cè)試以及監(jiān)視橋梁健康的重要作用。

c.疲勞裂紋探測(cè)及評(píng)估磁鐵方法。該系統(tǒng)主要由新型超聲波及磁分析儀系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、便攜式聲發(fā)射系統(tǒng)、無線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、微波探測(cè)及定量分析，以及無源疲勞荷載測(cè)量設(shè)備、電磁—聲發(fā)射傳感器等構(gòu)成。能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁裂紋的檢測(cè)。

d.銹蝕探測(cè)及評(píng)估技術(shù)。主要包括磁漏探測(cè)技術(shù)、探測(cè)先張法壓漿空隙的沖擊—反射系統(tǒng)、埋入式銹蝕微傳感器，以及磁測(cè)量系統(tǒng)等在內(nèi)。

e.強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)法和激光振動(dòng)計(jì)測(cè)量法。在該項(xiàng)目研究上，主要是用于對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的評(píng)估，以及對(duì)斜拉索索力的測(cè)量及無損檢測(cè)上。

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