鋼桁架橋梁病害檢測(cè)養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

【摘要】鋼桁架主梁是我國(guó)中西部地區(qū)大跨橋梁的一種重要的主梁形式，具有較好的跨越能力。目前，鋼桁架橋梁養(yǎng)護(hù)方案尚未完全形成完善體系，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)維護(hù)中橋梁養(yǎng)護(hù)代價(jià)和安全性較難平衡。首先對(duì)鋼桁架橋梁主要病害進(jìn)行了分析，得出現(xiàn)有鋼桁梁典型病害檢測(cè)識(shí)別的局限性和需求，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在鋼桁架橋梁病害檢測(cè)識(shí)別與養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域具有重要發(fā)展前景，為未來(lái)鋼桁架橋梁病害養(yǎng)護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】鋼桁架橋; 橋梁病害; 病害養(yǎng)護(hù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U445.7+1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-06-08

［基金項(xiàng)目］貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020-123-023）

［作者簡(jiǎn)介］徐向東（1982—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇罂缍瓤臻g組合結(jié)構(gòu)。

0 引言

鋼桁架梁是大跨徑橋梁常用的梁段形式，具有較好的跨越能力［1］。相對(duì)于鋼箱梁而言，鋼桁架梁更容易運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工，我國(guó)的中西部地區(qū)大量采用鋼桁架梁作為大跨橋梁的主梁形式。此外，大跨度鋼桁架梁也是高速鐵路渡河、渡江橋梁的重要結(jié)構(gòu)形式。因此，我國(guó)現(xiàn)存大量以鋼桁架梁為主梁形式的橋梁。

但是受環(huán)境、材料劣化、車(chē)致動(dòng)荷載等影響，鋼桁架橋梁往往產(chǎn)生各種病害，成為其運(yùn)營(yíng)期的安全隱患。為了保證鋼桁架橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)鋼桁架橋梁定期進(jìn)行檢測(cè)，其中檢測(cè)手段主要包括日常巡檢、定期巡檢和特殊巡檢，用于表觀病害的發(fā)現(xiàn)、構(gòu)部件性能試驗(yàn)等，尤其是在大跨鋼桁架病害檢測(cè)方面目前仍大量依賴(lài)人工手段，標(biāo)準(zhǔn)化程度仍處于較低水平。另外，針對(duì)大跨橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也已大量應(yīng)用于監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，但現(xiàn)有的橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的深度挖掘分析，對(duì)實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作難以形成高效指導(dǎo)。目前，鋼桁架橋梁養(yǎng)護(hù)方案尚未完全形成完善體系，如快速發(fā)展的高速鐵路橋梁，其養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)較為缺失［2］。

養(yǎng)護(hù)工作的“檢評(píng)修”流程中，檢測(cè)手段的低效與不精確給后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作帶來(lái)了困難。結(jié)合現(xiàn)有鋼桁架橋梁病害識(shí)別與處理方案分析，指明現(xiàn)有鋼桁梁典型病害檢測(cè)識(shí)別的局限性和需求，提出計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在鋼桁架橋梁病害檢測(cè)識(shí)別與養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域具有重要發(fā)展前景，契合鋼桁梁養(yǎng)護(hù)需求。

1 鋼桁架橋梁主要病害及檢測(cè)方法

1.1 連接病害

鋼桁架橋梁的連接方式主要包括螺栓連接、焊接和鉚接，在養(yǎng)護(hù)中一般由定期巡檢和日常巡檢對(duì)其病害進(jìn)行識(shí)別，然后采取對(duì)應(yīng)措施。

1.1.1 螺栓、鉚釘病害

當(dāng)前，鋼桁架橋梁中的螺栓連接主要使用高強(qiáng)螺栓，其摩擦力通過(guò)螺母和螺桿直接的預(yù)緊力提供。螺栓的連接作用一旦失效，會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的應(yīng)力重分布，進(jìn)而危害橋梁安全。2007年8月美國(guó) I-35W 鋼桁架橋因連接失效倒塌，其事故調(diào)查結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)板的高強(qiáng)螺栓存在嚴(yán)重的松動(dòng)脫落［3］。

在橋梁結(jié)構(gòu)中，一般采用摩擦型高強(qiáng)螺栓。在運(yùn)營(yíng)期，高強(qiáng)螺栓由于受到動(dòng)荷載、環(huán)境侵蝕等作用，常出現(xiàn)涂裝剝落、腐蝕、松動(dòng)、斷裂和脫落等病害。高強(qiáng)螺栓的涂裝剝落、腐蝕一般通過(guò)產(chǎn)生截面損失、影響螺母松動(dòng)等進(jìn)一步影響高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力和連接性能。對(duì)于松動(dòng)而言，栓接由于連接件和緊固件的腐蝕、過(guò)度振動(dòng)、超應(yīng)力、開(kāi)裂或單個(gè)緊固體失效等原因造成松動(dòng)現(xiàn)象。摩擦型高強(qiáng)螺栓的松動(dòng)直接導(dǎo)致連接性能的下降，是目前鋼桁架橋梁養(yǎng)護(hù)中的難題。另一方面，在潮濕環(huán)境中長(zhǎng)期暴露的螺桿會(huì)受到侵蝕，螺紋處的初始缺陷會(huì)在腐蝕和交變應(yīng)力的作用下開(kāi)裂，發(fā)生延遲斷裂。

考慮到螺栓對(duì)橋梁安全的影響，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取對(duì)應(yīng)措施。在常規(guī)養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)中，針對(duì)螺栓病害一般采用人工進(jìn)行表觀狀態(tài)、螺栓缺失和螺栓松動(dòng)的檢查，輔助采用錨桿拉力計(jì)測(cè)定螺桿的拉力。常用劃線法和扭矩扳手法檢測(cè)螺栓的松動(dòng)，人工目視巡檢來(lái)檢測(cè)螺栓的涂裝剝落、腐蝕和脫落問(wèn)題。鉚釘?shù)牟『εc螺栓類(lèi)似，一般包括損壞、松動(dòng)、缺失，檢查手段也基本相同（圖1）。

1.1.2 焊縫病害

焊接也是鋼桁架橋梁連接方式的主要方式之一。焊接導(dǎo)致的殘余應(yīng)力、缺陷、設(shè)計(jì)缺陷等問(wèn)題，使得焊縫在交變荷載下更容易產(chǎn)生裂紋和斷裂。焊縫斷裂后會(huì)導(dǎo)致局部位置應(yīng)力突變，進(jìn)而危害橋梁安全。對(duì)于焊縫病害來(lái)說(shuō)，一般依靠平時(shí)人工巡檢和年度進(jìn)行檢測(cè)記錄，再進(jìn)行年度維修［4］。焊接要比栓接和鉚接更易于破壞，其疲勞損失是不可忽視的問(wèn)題。焊接接頭處一旦萌生裂紋，裂紋會(huì)逐步發(fā)展致整個(gè)焊接區(qū)域，從而可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失效。焊縫處一般采用目測(cè)檢查，輔助放大鏡、基于超聲檢測(cè)［5］的焊縫質(zhì)量專(zhuān)業(yè)檢測(cè)儀器等手段，對(duì)有無(wú)裂紋、夾渣、未填滿、弧坑等缺陷進(jìn)行檢查。

1.2 鋼構(gòu)件病害

鋼構(gòu)件病害主要包括涂裝病害、鋼材銹蝕、桿件裂紋、桿件屈曲、結(jié)構(gòu)疲勞等。，在養(yǎng)護(hù)中一般由定期巡檢、日常巡檢和專(zhuān)項(xiàng)巡檢對(duì)其病害進(jìn)行識(shí)別，然后采取對(duì)應(yīng)措施。

1.2.1 涂裝病害

受到外界環(huán)境作用，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝會(huì)產(chǎn)生老化，進(jìn)而產(chǎn)生粉化、開(kāi)裂、剝落、起泡、銹蝕、變色等問(wèn)題。涂裝產(chǎn)生病害后，鋼構(gòu)件的耐腐蝕能力將急劇下降。因此，對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂裝病害的識(shí)別，并及時(shí)維護(hù)、防止生銹，是保證鋼桁架橋梁壽命的重要措施。根據(jù)實(shí)際養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，涂裝病害的養(yǎng)護(hù)維修大約占到全部養(yǎng)護(hù)作業(yè)的50%以上。

涂裝的檢測(cè)一般通過(guò)放大鏡、小錘等工具人工目視巡檢，涂裝出現(xiàn)明顯病害后，一般采取局部維修或整體維修的措施對(duì)涂裝進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。鋼構(gòu)件更換及養(yǎng)護(hù)難度較大，一般養(yǎng)護(hù)措施是在涂裝失效前進(jìn)行涂裝養(yǎng)護(hù)，減少對(duì)鋼材的影響。根據(jù)不同的涂裝體系規(guī)劃一般維修和大修周期，對(duì)涂裝進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（圖2）。

1.2.2 桿件病害

涂裝劣化后，鋼材更容易產(chǎn)生銹蝕，隨著橋梁所處環(huán)境的不同，其腐蝕的速率也不同。腐蝕會(huì)使鋼構(gòu)件的截面面積損失，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋、點(diǎn)蝕坑等，降低其長(zhǎng)期使用壽命和承載力性能［6］。

此外桿件受到交變應(yīng)力作用，還會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，一般通過(guò)裂縫觀測(cè)儀、磁粉探傷等手段檢測(cè)，但是根據(jù)疲勞裂紋的發(fā)展特性，其早期發(fā)展緩慢、裂紋微小，在結(jié)構(gòu)中較早地對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)存在困難。桿件連接處的疲勞開(kāi)裂影響橋梁的正常運(yùn)營(yíng)［7］，因此鋼橋構(gòu)件疲勞裂紋的檢測(cè)和及早發(fā)現(xiàn)對(duì)鋼橋長(zhǎng)壽命運(yùn)營(yíng)有重要意義，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

此外橋梁桿件作為薄壁結(jié)構(gòu)，受外力作用時(shí)容易產(chǎn)生變形。考慮到原材料加工、制作、安裝和使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷等，鋼結(jié)構(gòu)的變形問(wèn)題就可能更加突出。

鋼構(gòu)件的變形可分為整體變形和局部變形兩類(lèi)，構(gòu)件的變形會(huì)極大地影響受力性能。具體而言，整體變形包括彎曲、畸變和扭曲等；局部變形包括構(gòu)件凹凸變形、端面的角變位、板邊褶皺波浪形變形等。針對(duì)鋼構(gòu)件的變形，一般通過(guò)鋼尺或拉線盒等工具人工目測(cè)檢查記錄。

對(duì)于已經(jīng)破壞，但不是非常嚴(yán)重的情況下可采取加固維修的措施，具體可通過(guò)粘貼鋼板等操作對(duì)桿件進(jìn)行加固。對(duì)于嚴(yán)重破壞的，需要組織施工方案，對(duì)桿件進(jìn)行更換（圖3）。

1.3 其他常見(jiàn)病害

1.3.1 伸縮縫病害

橋梁伸縮縫能夠適應(yīng)橋梁橋面變形，緩沖因溫差、車(chē)輛荷載產(chǎn)生的梁體位移和形變。伸縮縫常見(jiàn)病害包括局部雜物堵塞、兩側(cè)鋪裝開(kāi)裂、本體部件損壞、隆起等。由于伸縮縫較容易損壞，且維修難度大，一般采用定期養(yǎng)護(hù)的措施。損壞嚴(yán)重的采取管制措施更換新伸縮縫。

1.3.2 橋墩、橋臺(tái)、橋塔病害

橋墩、橋臺(tái)較容易出現(xiàn)破損和非結(jié)構(gòu)性裂縫，影響結(jié)構(gòu)耐久性。通過(guò)人工目視和測(cè)量確定裂縫程度。對(duì)較為輕微的裂縫，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸檔。對(duì)于較為嚴(yán)重的裂縫，需要對(duì)裂縫進(jìn)行灌漿或粘貼保護(hù)層處理，防止橋墩進(jìn)一步破壞（圖4）。

1.3.3 拉索、主纜、錨碇病害

懸索橋主纜較容易出現(xiàn)涂裝破損，表面銹蝕的病害，養(yǎng)護(hù)及時(shí)的情況下，對(duì)力學(xué)性能影響較小。錨碇養(yǎng)護(hù)以外觀檢查為主，除對(duì)裂縫進(jìn)行養(yǎng)護(hù)外，還要對(duì)其索股、滲水情況進(jìn)行檢測(cè)。拉索承受較大的交變荷載，極容易產(chǎn)生腐蝕斷裂的情況，常規(guī)養(yǎng)護(hù)一般先進(jìn)行外觀檢查，必要時(shí)進(jìn)行拉索更換。

2 鋼桁架橋梁養(yǎng)護(hù)現(xiàn)狀

2.1 常見(jiàn)病害養(yǎng)護(hù)局限性

以連接病害和鋼構(gòu)件病害為例，在日常巡檢中常用的檢測(cè)方法如表1所示，其中連接病害和鋼構(gòu)件病害的主要檢測(cè)方法均以人工目視檢測(cè)為主。

因此，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理中，連接病害和鋼構(gòu)件病害的管理和養(yǎng)護(hù)仍主要面臨的問(wèn)題：

（1）大跨徑鋼桁架橋梁連接件和鋼構(gòu)件數(shù)量較多，檢測(cè)過(guò)程中需要消耗大量的人力、物力。

（2）部分構(gòu)部件所處的位置僅靠目測(cè)無(wú)法檢測(cè)，人工容易實(shí)現(xiàn)漏檢，同時(shí)養(yǎng)護(hù)時(shí)難以達(dá)到。

（3）焊縫檢測(cè)已經(jīng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化，但螺栓、鉚釘、涂裝病害的人工檢測(cè)缺少標(biāo)準(zhǔn)化策略，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性也不易保證。

總體來(lái)看，鋼桁架橋梁常見(jiàn)病害的檢測(cè)存在量大面廣的特點(diǎn)，其檢測(cè)方法面臨效率低下，標(biāo)準(zhǔn)化程度低的困境（表2）。

除此之外，以連接病害和鋼構(gòu)件病害為例，不同年限的橋梁每年病害程度存在較大差異，日常巡檢和定期巡檢的尺度和頻率多從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中累計(jì)，未能形成有效積累和規(guī)律總結(jié)，對(duì)精細(xì)化養(yǎng)護(hù)工作帶來(lái)了困難。

2.2 新興橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)

針對(duì)連接病害問(wèn)題，機(jī)械、航空等領(lǐng)域?qū)β菟ㄋ蓜?dòng)、脫落問(wèn)題已有大量研究，包括基于超聲技術(shù)［8］、壓電阻抗［9］、動(dòng)力學(xué)特性［10］的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。但是鋼桁架橋梁具有構(gòu)件多的特點(diǎn)，以上技術(shù)手段在經(jīng)濟(jì)上不具有應(yīng)用上的可能。隨著圖像技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別等［11］手段可對(duì)螺栓病害進(jìn)行較為快速的無(wú)損檢測(cè)，具有較高的可行性。

另外針對(duì)裂紋等問(wèn)題，掃描車(chē)、無(wú)人機(jī)等設(shè)備也已輔助用于疲勞裂紋、涂裝病害的識(shí)別。在鋼箱梁疲勞裂紋的研究中，基于圖像的方法［12］已經(jīng)在實(shí)橋上得到了應(yīng)用。但對(duì)于鋼桁架橋梁來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的環(huán)境和桿件形式是制約無(wú)人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)桿件病害識(shí)別重要障礙。此外，對(duì)于大跨徑桁架梁而言，仍面臨檢測(cè)體量大、人工依賴(lài)嚴(yán)重、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問(wèn)題。

總體上看，針對(duì)鋼桁架橋主要病害，檢測(cè)手段需要能夠適應(yīng)鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)在鋼桁梁的應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)能夠快速處理大規(guī)模橋梁構(gòu)件。新興的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)能夠較好地滿足這一要求，在鋼桁架橋梁的檢測(cè)應(yīng)用具有廣闊發(fā)展前景。

3 展望

日常巡檢和定期巡檢作為養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)的重要環(huán)節(jié)，以人工目視為主。目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)在橋梁領(lǐng)域有了一定突破，具有代替人工視覺(jué)的發(fā)展可能。從現(xiàn)有研究看，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性、快速性和環(huán)境適應(yīng)能力，在鋼桁架橋梁病害檢測(cè)識(shí)別與養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景。

鋼桁架橋梁現(xiàn)役檢測(cè)手段主要依靠人工進(jìn)行，輔以少量的專(zhuān)業(yè)設(shè)備。就目前來(lái)看，鋼桁架橋梁的養(yǎng)護(hù)手段智能化水平較低，依托計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，針對(duì)常見(jiàn)典型病害檢測(cè)養(yǎng)護(hù)未來(lái)的提升可能：①目前螺栓松動(dòng)、脫落檢測(cè)過(guò)于依賴(lài)人工，效率低成本高?，F(xiàn)有螺栓快速檢測(cè)方法對(duì)橋梁不適用。隨著敲擊法、圖像識(shí)別法、聲傳播法等的普及，有望為鋼桁橋養(yǎng)護(hù)提供高效的解決方案。②桿件表面涂裝損壞、銹蝕檢測(cè)頻率低，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，檢測(cè)較為主觀。隨著視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)監(jiān)測(cè)、設(shè)備輔助監(jiān)測(cè)。

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