橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)與量測(cè)儀器設(shè)備選配分析

張舉文

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)體系也發(fā)生著變革和創(chuàng)新，結(jié)合橋梁檢測(cè)技術(shù)與量測(cè)儀器設(shè)備的應(yīng)用，探究?jī)x器設(shè)備的選擇準(zhǔn)則與選用組配方法，在提高檢驗(yàn)檢測(cè)工作的效率和質(zhì)量上具有現(xiàn)實(shí)意義。本文擬通過(guò)分析橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與需求，結(jié)合量測(cè)儀器設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用與性能特點(diǎn)，對(duì)其與量測(cè)儀器設(shè)備的選配方法進(jìn)行研究與探討。

1 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)是橋梁工程質(zhì)量的有效保證，通過(guò)橋梁檢查和荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，可評(píng)定橋梁技術(shù)狀況，為橋梁養(yǎng)護(hù)、維護(hù)、管理提供依據(jù)，在檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力和使用性能、驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量等方面具有重要意義。在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集與處理工作，涉及知識(shí)面廣泛，需要應(yīng)用力學(xué)、電子、光學(xué)、材料、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、通信等多學(xué)科，同時(shí)各學(xué)科之間的交叉綜合又使得衛(wèi)星定位、光電成像、無(wú)人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、雷達(dá)、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)線通信等技術(shù)加快應(yīng)用。目前，橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是自動(dòng)化與智能化，利用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大區(qū)域內(nèi)獨(dú)立的橋梁的全自動(dòng)大范圍群體檢測(cè)逐漸成為其未來(lái)發(fā)展方向之一。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)的主要內(nèi)容

目前，橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要包括橋梁技術(shù)狀況評(píng)定和荷載試驗(yàn)評(píng)定。橋梁技術(shù)狀況評(píng)定主要通過(guò)橋梁檢查進(jìn)行，橋梁檢查是針對(duì)橋梁各部件的表觀情況及混凝土結(jié)構(gòu)的檢查。荷載試驗(yàn)評(píng)定對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷至關(guān)重要，具體主要包括撓度、應(yīng)變、變形、裂縫、振幅、頻率等參數(shù)。根據(jù)荷載性質(zhì)分為靜力荷載試驗(yàn)和動(dòng)力荷載試驗(yàn)，靜力荷載試驗(yàn)主要是測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)的側(cè)向、豎向撓度、裂縫及扭曲變形、控制界面內(nèi)的應(yīng)力分布情況、測(cè)量支座的轉(zhuǎn)角、沉降變形和伸縮量等；動(dòng)力荷載評(píng)定內(nèi)容主要是橋梁自振特性和車輛載荷動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)。這些評(píng)定信息都可以為橋梁的工作穩(wěn)定性提供參考，為后續(xù)的管理維護(hù)工作提供必要的基礎(chǔ)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備量測(cè)技術(shù)概述

檢測(cè)設(shè)備量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)的發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，橋梁檢測(cè)設(shè)備性能也在不斷改善，電測(cè)技術(shù)、光電技術(shù)和多功能自動(dòng)化采集儀得到了廣泛應(yīng)用。雖然它們?cè)谕庑?、?nèi)部結(jié)構(gòu)、量測(cè)原理及量測(cè)精度等方面有很大的差異，但作為量測(cè)設(shè)備都可劃分為感知部分（基于電磁學(xué)、光學(xué)等原理，將非電量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于放大處理的電信號(hào)）、放大調(diào)理部分（對(duì)傳感器輸出的微小電信號(hào)進(jìn)行放大和阻抗變換、微積分運(yùn)算、濾波等其他處理，便于后續(xù)采集記錄）和采集分析部分（完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及各種分析功能）。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和使用范圍

目前，橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀器設(shè)備的發(fā)展比較成熟，針對(duì)不同的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)內(nèi)容，可以選擇相應(yīng)的檢測(cè)儀器設(shè)備。橋梁荷載試驗(yàn)參數(shù)主要包括應(yīng)變（應(yīng)力）、變位（撓度等）、裂縫、傾角、索（桿）力、振動(dòng)（振幅、頻率等）、強(qiáng)度等，這些參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)橋梁的使用情況等都有著重要的作用。

應(yīng)變和變位測(cè)試是靜力荷載試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容，常用的應(yīng)變測(cè)試技術(shù)有機(jī)械位移計(jì)法、應(yīng)變電阻法、振弦頻率法、光纖光柵應(yīng)變測(cè)試方法。其中，以應(yīng)變電阻法應(yīng)用較多，具體應(yīng)用時(shí)因電阻片粘貼技術(shù)會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，因而更多采用工具式應(yīng)變計(jì)。振弦式和光纖光柵式應(yīng)變計(jì)的抗干擾性強(qiáng)，適用于中長(zhǎng)期觀測(cè)，但需配合專用的采集儀使用。

變位檢測(cè)主要是檢測(cè)豎向（撓度）和水平變位，可采用的檢測(cè)設(shè)備主要有機(jī)械百分表和千分表、拉絲位移計(jì)、機(jī)電百分表、光電式橋梁撓度檢測(cè)儀、精密光學(xué)水準(zhǔn)儀和電子水準(zhǔn)儀、全站儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等。其中，基于不同采集方式的百分表、位移計(jì)需要在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)支架作基準(zhǔn)，適用于凈空較低的小型橋梁，精度為0.002～0.01mm，量程一般能達(dá)50mm。而光電橋梁撓度儀、精密水準(zhǔn)儀、全站儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、雷達(dá)等屬于非接觸式，適用于位移較大的大型結(jié)構(gòu)變位及線型測(cè)量，可滿足大跨度橋梁形變測(cè)量需要，精度為 0.01～ 0.5mm，衛(wèi)星的測(cè)量精度較低（水平：5mm+10-6L；垂直：10mm+2×10-6L），量程均不受限。傾角測(cè)試儀主要有水準(zhǔn)式傾角儀（分辨力為2.5′，量程為20′～1°）、光纖光柵式傾角計(jì)（分辨力為5′，量程為±10°）、數(shù)顯傾角儀（分辨力為1′，量程為±1°～±18°）或雙軸傾角儀（分辨力為1′，量程為±30°）等。

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)主要用到振動(dòng)測(cè)試儀器，其中測(cè)振傳感器最關(guān)鍵，其性能好壞以及選用恰當(dāng)與否直接影響整個(gè)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。常用的測(cè)振傳感器技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍如表1所示。構(gòu)超低頻振動(dòng)以及振動(dòng)量值較小的特點(diǎn)，選用靈敏度高、低頻特性好的測(cè)振儀器。一般上限頻率容易滿足，而下限頻率需要重點(diǎn)考慮。對(duì)于小跨徑橋梁，下限頻率達(dá)到1Hz左右即可，而對(duì)于大跨徑橋梁，則下限頻率要求延

表1 常用的測(cè)振傳感器技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍

除此之外，數(shù)顯裂縫寬度檢測(cè)儀得到較多應(yīng)用，其易用性和準(zhǔn)確性都得到較大提高。索力測(cè)試一般采用拾振器測(cè)頻法，傾角儀可采用水準(zhǔn)式、光纖光柵式、雙軸式等類型，這些設(shè)備的應(yīng)用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展都有很好的幫助。

3 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備的選配與需求

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀器設(shè)備的選配要點(diǎn)

（1）選配儀器設(shè)備的規(guī)格、量程及精度時(shí)，要符合試驗(yàn)的內(nèi)容和要求，對(duì)使用量大、容易損壞的儀器應(yīng)有一定數(shù)量的備件。在選用儀器量程時(shí)，精度不大于預(yù)計(jì)測(cè)量值的5%，預(yù)計(jì)實(shí)測(cè)值宜處于儀器量程的15%～85%，以保證測(cè)量準(zhǔn)確性和防止超量程損壞設(shè)備。在量程滿足要求的前提下，可選用分辨率高的儀器設(shè)備，也應(yīng)考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，如對(duì)于大跨度橋梁的撓度期望值達(dá)幾十厘米，選用毫米級(jí)的量測(cè)設(shè)備即可。

（2）應(yīng)特別關(guān)注儀器對(duì)環(huán)境的適用能力，盡可能避免因環(huán)境（如溫度、電磁干擾）的變化而帶來(lái)的試驗(yàn)測(cè)量誤差。橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)很多時(shí)，有線設(shè)備的布線工作量較大，應(yīng)估計(jì)導(dǎo)線的長(zhǎng)短，方便設(shè)置測(cè)站位置，選用具有合適測(cè)點(diǎn)數(shù)量的多點(diǎn)測(cè)量?jī)x器；若現(xiàn)場(chǎng)有強(qiáng)電磁干擾源時(shí)，事先考慮應(yīng)對(duì)措施，必要時(shí)可采用機(jī)械式儀表測(cè)量。試驗(yàn)前要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)是否具備儀器安裝條件，來(lái)選配不同檢測(cè)原理的設(shè)備，如激光撓度儀、全站儀、雷達(dá)、GPS等遠(yuǎn)距離檢測(cè)設(shè)備。

（3）同一試驗(yàn)中選用的儀器種類盡可能少，便于設(shè)備調(diào)配和量測(cè)實(shí)施以及精度控制，減少數(shù)據(jù)處理工作量和避免差錯(cuò)。同時(shí)要選用可靠性好的設(shè)備，使用安裝方便，適應(yīng)性強(qiáng)，不影響結(jié)構(gòu)工作和不改變結(jié)構(gòu)特性。也要考慮儀器的便攜性，盡量采用自動(dòng)采集系統(tǒng)，以提高效率，減少人為因素影響。

（4）設(shè)備在使用之前應(yīng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試、標(biāo)定或核查，定期檢定校準(zhǔn)，以確保其技術(shù)性能滿足試驗(yàn)要求。對(duì)于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的量測(cè)儀表，除靈敏度、線性范圍、幅頻特性以及相頻特性都應(yīng)滿足要求以外，還須考慮橋梁結(jié)伸至0.20～0.50Hz，甚至更低。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀器設(shè)備的需求分析

（1）基于無(wú)線技術(shù)的智能檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用需求增多。在整橋結(jié)構(gòu)檢測(cè)的過(guò)程中，特別是大跨徑橋梁測(cè)點(diǎn)較多，有線方式的布設(shè)煩瑣，靈活性差，系統(tǒng)供電、數(shù)據(jù)傳輸有一定局限性。而隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展其應(yīng)用可以很好地彌補(bǔ)這些缺陷，特別在橋梁監(jiān)測(cè)方面有較大發(fā)展空間，將ZigBee、LoRa等無(wú)線技術(shù)應(yīng)用到橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)體系中具有重要研究?jī)r(jià)值和意義。

（2）不同儀器之間的選擇需要具有互通性。盡管目前部分儀器已經(jīng)具備了同時(shí)檢測(cè)多種信息的能力，但大部分儀器的功能還是比較單一。因此，要完成橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)的任務(wù)，需要多種儀器的配合工作，數(shù)據(jù)兼容是保證不同儀器設(shè)備共同工作的重要前提。在此過(guò)程中，儀器之間的互通性和兼容性十分重要。

（3）需要推動(dòng)儀器設(shè)備的信息自動(dòng)化和智能集群化應(yīng)用。信息化、自動(dòng)化以及智能化發(fā)展和應(yīng)用不僅是時(shí)代發(fā)展的要求，更是大范圍檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求。隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)體系的完善有著重要的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)對(duì)現(xiàn)代交通系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的影響。文章通過(guò)分析橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其適用范圍進(jìn)行了研究。同時(shí)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特性，對(duì)其適配范圍及其選配準(zhǔn)則進(jìn)行了探討。這些研究對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)儀器設(shè)備的應(yīng)用有很好的幫助。