美國既有橋梁的高科技檢測
2010-04-29
引 言
美國土木工程師協(xié)會于2001 年3 月發(fā)表了“2001 年美國基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)查報告”。通過對美國橋梁狀況的評估，報告將此類工程的等級定為C 級，在全部11 個類別中排在第二位。美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA) 的報告顯示，1998 年29 %的美國橋梁出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷或功能失效。橋梁工程的等級主要是根據(jù)這一事實確定的。FHWA 收集了全美國橋梁管理部門的報告，并將數(shù)據(jù)輸入其“國家橋梁清單”(NBI) 數(shù)據(jù)庫。美國公路橋梁的結(jié)構(gòu)和功能狀況的評估就是基于這些數(shù)據(jù)。雖然這個等級比全美基礎(chǔ)設(shè)施的平均等級高，但仍不能使人滿意。
1967 年，西弗吉尼亞州的錫爾弗( Silver) 橋垮塌，并造成46 人死亡。隨后，F(xiàn)HWA 建立了“全國橋梁檢查計劃”。從1972 年開始，橋梁管理者將檢查數(shù)據(jù)上報給FHWA。這個計劃要求技術(shù)人員至少每2 年檢查1 次，并將他們的發(fā)現(xiàn)上報FHWA。每2 年1 次上報給國會的全國橋梁狀況報告要引用這些數(shù)據(jù)，制定“全國橋梁更換和修復(fù)計劃”時，也要參考這些數(shù)據(jù)。2000年“全國橋梁更換和修復(fù)計劃”提供了30 多億美元用于更換和修復(fù)有病害的橋梁。
“全國橋梁調(diào)查計劃”收集的數(shù)據(jù)用于管理和制定針對有病害橋梁的全國性計劃是足夠的，但對另一些方面的需要就顯得不夠。例如，數(shù)據(jù)用于橋梁維修項目時就顯得不夠詳細(xì)。譬如NBI 中沒有防銹漆體系或節(jié)點狀況的詳細(xì)記錄，也沒有提供局部損傷或退化的資料。數(shù)據(jù)用于制定計劃及估計維修或恢復(fù)工程量時就顯得太籠統(tǒng)、主觀和定性。例如，NBI 對每座橋梁上部結(jié)構(gòu)狀況的評定用一個主觀的9～0 表示從完好到失效，這種簡單的劃分不能描述上部結(jié)構(gòu)中每個構(gòu)件的狀況。
針對這種局限，美國許多州建議NBI 收集更多的資料，或者他們采用另外更好的辦法收集并記錄橋梁數(shù)據(jù)。新辦法將一座橋梁視為梁、墩等構(gòu)件的集合，并記錄每個構(gòu)件的定量的狀況數(shù)據(jù)。定義了公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件后，可根據(jù)FHWA 的要求，將有關(guān)構(gòu)件的數(shù)據(jù)自動地轉(zhuǎn)化為NBI 數(shù)據(jù)。
雖然基于構(gòu)件層面的檢查為系統(tǒng)層面的橋梁管理(尤其是對于各州及當(dāng)?shù)卣畬用? 提供了大量詳細(xì)而有用的資料，但收集到的數(shù)據(jù)在某些方面仍然有局限，最明顯的是數(shù)據(jù)的收集都是靠肉眼查看，附以錘擊或鑿?fù)诘葯C械方法。
這些方法的問題在于肉眼查看的結(jié)果波動性太大。FHWA 的“無損評估鑒定中心”最近對肉眼查看的可靠性及NBI 的等級劃分系統(tǒng)進行了首次深入、定量的研究。結(jié)果表明，對同一座橋梁，根據(jù)不同檢查人員上報的結(jié)果，會得出3～4 個不同的等級。況且對于內(nèi)部的退化、損傷或缺陷，肉眼查看無能為力。
為確定一座橋梁是否安全或是否需要維修，應(yīng)該探明并測定許多類型的損傷及退化。除非損傷或退化很嚴(yán)重，否則其難以用肉眼察覺到。例如，光憑肉眼是不會知道是否負(fù)載超限，或是否已趨穩(wěn)定，除非損傷得太嚴(yán)重，以致橋梁的線形發(fā)生了變化。在沒有任何肉眼可察覺到的預(yù)兆下，會發(fā)生支座失效、腐蝕和疲勞破壞。而且，橋梁檢查人員的日常查看不會收集到橋梁使用性能的資料，如交通堵塞的程度，事故的歷史記錄以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞。
資料的缺乏阻礙了按橋梁所有者要求應(yīng)實施的質(zhì)量改善項目，以及對真正的工程及結(jié)構(gòu)分析的評價管理?，F(xiàn)在只能估計日平均車流量，但不知道橋梁承受的車子的大小、數(shù)量及貨車的噸位，也不知道橋梁實際發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變、變形及位移。明顯需要對公路橋梁的使用特性進行精確的定量。應(yīng)在擁擠、事故及正常使用狀況下，直接對過橋人員有影響的特性進行測定。這些特性測定可以從使用者的支出和收益角度來評定橋梁的價值。現(xiàn)代管理理論和實踐的一個基本原則是，如果不能測定它，就不會管理它。
在執(zhí)行真正的生命周期投資分析及基于特性的規(guī)范時，同樣需要這些資料。和聯(lián)邦的其它部門一樣，F(xiàn)HWA 按行政命令考慮重大項目的生命周期投資。然而，橋梁的生命周期還沒有確切的判定，處于不同荷載和氣候環(huán)境中的不同材料及結(jié)構(gòu)體系的退化速度還沒有測定。迫切需要在公路基礎(chǔ)設(shè)施管理體系中，綜合考慮所有這些多層面的定量的特性測定。這些測定和探查需在多層面進行，可用于不同的目的。
FHWA 同其它部門和組織，已經(jīng)完成了為滿足以上需求的研究，并研制了新設(shè)備。
1 新的檢測方法
為檢測橋梁的健康狀況，世界上許多地方的大型結(jié)構(gòu)安置了大量的監(jiān)測系統(tǒng)。穿越特拉華州連接賓夕法尼亞州和新澤西州的康芒德•巴里(Com-modere Barry) 橋就安裝并運行著一個這樣的系統(tǒng)。雖然前景看好，但這種技術(shù)的全部潛能還沒有被認(rèn)識和確定，還有一些很有意義的方面留待研究。信息系統(tǒng)的組成是其中的一個方面，這涉及到利用計算機科學(xué)地收集、存儲、分析、檢索及綜合這些由傳感器得到的海量的數(shù)據(jù)。雖然有這些局限，這些系統(tǒng)提供的資料已被證實對橋梁管理者很有用。例如，這些系統(tǒng)測量并發(fā)現(xiàn)，受太陽幅射的差異，受拉構(gòu)件產(chǎn)生了出乎意料的彎矩。
1.1 激光測量裝置
目前很需要舊橋承載力的非干擾測定方法。在美國，承載力不足是把一座橋梁定為結(jié)構(gòu)性缺陷的最常見的理由。FHWA 對此采用的一種方法是利用激光測量橋梁受到的荷載。這種裝置利用計算機控制一鏡片，用一紫外線激光（不會傷害人眼）瞄準(zhǔn)橋梁上的一點。激光測定到橋上點的量程，并計算相對于系統(tǒng)設(shè)定基準(zhǔn)點的三維球坐標(biāo)。該設(shè)備能在幾分鐘內(nèi)重復(fù)測定橋上這些點幾百次。這并不需要特定的靶點，對一般的鋼材、混凝土和木材表面的測量效果都很好。利用這種設(shè)備，就可能快速測定重型卡車作用下橋梁的三維變形，還可以快速確定橋上的任何部分與上次測定結(jié)果相比位置的變動（精確到毫米級）。這種裝置還可盡早發(fā)現(xiàn)橋面下?lián)霞邦A(yù)應(yīng)力損失。
1.2 疲勞探測儀
需要對全美成千上萬座鋼橋的疲勞和斷裂的可能性進行探查和測定。脆性斷裂除了引起錫爾弗橋垮塌外，2000 年12 月，1 片焊接板梁的脆斷引起了密爾沃基一座橋梁的破壞，這表明鋼橋脆性斷裂依然存在。該橋在垮塌前幾星期剛進行了肉眼檢查，沒有即將發(fā)生斷裂的外部跡象。隨后的鑒定分析確認(rèn)焊接及細(xì)部構(gòu)造產(chǎn)生的高殘余應(yīng)力和三軸向約束使橋梁存在突然脆斷的可能性。僅肉眼檢查不會發(fā)現(xiàn)這些狀況，更不用說去測定了。
雖然位于密爾沃基的橋的脆斷并不是主要由疲勞引起的，但疲勞仍是舊鋼橋的一個主要問題。首先應(yīng)測定并描述橋梁受到的隨機的、變幅的循環(huán)應(yīng)力。技術(shù)上已經(jīng)有了掌握疲勞狀況的措施， FHWA開發(fā)了一種無線橋梁檢測設(shè)備及評價系統(tǒng)。該設(shè)備是手提式的，由電池驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(很像一個局域的數(shù)字電話網(wǎng)) ，利用無線電遙測技術(shù)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到筆記本電腦。該無線電網(wǎng)絡(luò)有很好的抗干擾力。除了采集數(shù)據(jù)，每個元件就像局域網(wǎng)中的一個節(jié)點。因一些鋼橋有1～2 km 長，這一點對鋼橋就顯得很重要，因橋長后會出現(xiàn)電磁干擾和多路反射。利用這種技術(shù)，就有可能快速地測定一座橋疲勞的可能性及危險的細(xì)部構(gòu)造、測量在車輛及風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)。
無線電技術(shù)可以定量地測定疲勞荷載的狀態(tài)，詳細(xì)到影響疲勞破壞的細(xì)節(jié)。但它本身不會判定在此荷載作用下疲勞裂紋是否會擴展。就像反復(fù)彎折可以折斷鋼絲一樣，與疲勞相關(guān)的應(yīng)力循環(huán)會在鋼橋內(nèi)形成裂紋。這些裂紋并非不停地擴展，而是以微觀的相當(dāng)小的步幅延伸。裂紋尖端的開展伴隨有能量的釋放，從而產(chǎn)生超聲應(yīng)力波，與地震時的能量釋放類似，是微觀的。用特制的傳感器可檢測到應(yīng)力波。這種方法稱為聲音輻射（AE），多年前已開始在能源及加工業(yè)得到應(yīng)用。過去的AE 設(shè)備不適用于公路橋梁疲勞裂紋的長期觀測。因許多橋梁上缺電，人員到達(dá)橋梁的某些部位有困難，且存在很高的環(huán)境噪聲，更重要的是有使裂紋快速擴展的偶然荷載，這些都不利于AE 設(shè)備的工作。最近，F(xiàn)HWA 的“無損評估鑒定中心”為橋梁檢測研制了電池驅(qū)動的8 通道AE 設(shè)備，已進入測試、評定階段。該系統(tǒng)可通過調(diào)制解調(diào)器及無線電連接傳送資料。
以上兩種系統(tǒng)雖然很有用，但太昂貴，需要數(shù)萬美元，電池驅(qū)動限制它們只能用于短期監(jiān)測。為滿足長期疲勞監(jiān)測需要，已經(jīng)開發(fā)了一種完全被動、廉價的傳感器。這種傳感器安裝在橋上，并隨同橋梁一起產(chǎn)生應(yīng)變。它基于一種特殊的被動應(yīng)變放大設(shè)計，利用2 個帶模擬應(yīng)變片的預(yù)先開裂試樣來測量裂紋長度。試樣用具有不同裂紋開展特性的材料造成。預(yù)制的疲勞裂紋在橋梁的隨機變幅應(yīng)變作用下開展。利用專用測量儀定期測量2 個試樣上的裂縫長度，可以定出預(yù)先設(shè)定應(yīng)力范圍內(nèi)的有效循環(huán)次數(shù)?？砂堰@種傳感器稱為疲勞探測儀。利用該技術(shù)就可能記錄下公路橋梁的疲勞過程。
1.3 智能支座
另外一種用于收集基本特性資料的新技術(shù)是“智能”橋梁支座。支座失效及因此產(chǎn)生的危險應(yīng)力是橋梁破壞的常見原因，它們也是要求的一項維護檢查內(nèi)容。智能橋梁支座可監(jiān)測和診斷通過橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳遞到支座的活載及恒載。若結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度由于斷裂、沖擊或其它原因而出現(xiàn)明顯的變化，很可能分配到支座上的荷載就會變化。智能支座可以檢測到橋梁的損傷。這種技術(shù)很復(fù)雜，但原理很簡單，關(guān)鍵是這種支座采用了可以測量豎向應(yīng)變及剪應(yīng)變的多向光纖應(yīng)變傳感器(傳感器集成在復(fù)合板內(nèi)) 。通過層疊在公路橋梁中常用的聚氯丁橡膠墊內(nèi)，復(fù)合板又可集成支座，從而測量來自橋梁及作用于橋梁的豎向力和側(cè)向力。
1.4 特殊元件
探測及測量技術(shù)在公路橋梁中的潛在應(yīng)用還有很多。但要求技術(shù)設(shè)備不要太昂貴、太復(fù)雜。另一個例子是一座位于華盛頓特區(qū)的立交橋的一個翼墻。該墻由于過大的液壓而在移動。采取補救措施后，業(yè)主希望長期監(jiān)測翼墻相對墩的位移。鑒于環(huán)境的不利因素，需要一種廉價的傳感器。”無損評估鑒定中心”在幾星期內(nèi)構(gòu)思、設(shè)計、制造并安裝了1個廉價的位移傳感器。傳感器由粘在混凝土上的鋁板和離板一小段距離的1 塊帶電線圈組成。線圈和板組成1 個感應(yīng)振蕩器。振蕩頻率隨板和線圈之間的距離而變化。測量移動量的精度達(dá)到百分之幾英寸。這種傳感器采用了溫度補償技術(shù)，從2000 年夏天開始的監(jiān)測證明，該墻的補救措施是有效的。
過去幾年里，F(xiàn)HWA 已發(fā)展了通用的標(biāo)準(zhǔn)儀器，以推動快速調(diào)試和專用的傳感器。該儀器可發(fā)展成為快速調(diào)試及用于檢測特殊場合的重要專用部件。一個有關(guān)通用性的例子是在吊索上的應(yīng)用。吊索破壞會影響結(jié)構(gòu)的整體性。采用與監(jiān)測翼墻相同的系統(tǒng)監(jiān)測吊索。傳感器采用焊接的金屬箔片應(yīng)變片。在溫度變化時，吊索端部的連接套筒隨橋面的變形自由轉(zhuǎn)動。吊索因傳遞豎向荷載而設(shè)計為受拉構(gòu)件。若銷栓和吊索的接觸面受到腐蝕（很常見的現(xiàn)象），二者之間的摩擦?xí)鸬跛髅黠@的彎曲。而且，二者的突然相對滑動會引起危險的動應(yīng)力。這種現(xiàn)象引起的疲勞和可能斷裂的后果，在細(xì)部設(shè)計時是沒有考慮的。在荷載試驗時，測量了吊索的響應(yīng)。除了預(yù)料到的方向的彎曲外，還出乎意料地測量到吊索的橫向彎曲。在監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)并測定這種結(jié)構(gòu)行為是很有益的。
并非只有鋼橋才易受到突然破壞和垮塌。2000年夏天，北卡羅來納州一座只使用了7 年的預(yù)應(yīng)力混凝土人行橋垮塌，是因高強鋼筋受到腐蝕并發(fā)生破壞引起的。高強鋼筋的局部腐蝕源于氯化鈣出乎意料地進入了填充預(yù)制梁孔道的水泥漿。氯化鈣的來源現(xiàn)在仍不清楚，但沒有檢測到的預(yù)應(yīng)力筋腐蝕已引起許多橋梁破壞。
預(yù)應(yīng)力筋斷裂時會突然釋放顯著的能量。斷裂產(chǎn)生的應(yīng)力波通過結(jié)構(gòu)向外傳播，可以用加速度計之類的傳感器探測到。通過分析信號的到達(dá)時間，不但可能探測到它的發(fā)生，也可能探測到斷裂的部位。這同地震監(jiān)測網(wǎng)確定震源及震級大小的方法類似。這種裝置已有出售，并開始安裝到橋梁上。
監(jiān)測到鋼絲的斷裂自然很有用，但更有前途的技術(shù)是在破壞前定量的檢測到腐蝕狀況。在冬季大雪后，為保證公路橋梁開通，常在道路上灑鹽，這是引起公路橋梁腐蝕的主要原因。結(jié)構(gòu)中鋼的腐蝕一般都看得見。除非出現(xiàn)明顯的破壞，混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕是看不見的。在FHWA 的協(xié)助下，開發(fā)了一種預(yù)埋式腐蝕傳感器。這種傳感器預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以測量腐蝕的速度、混凝土的導(dǎo)電性、氯離子的聚集。這種傳感器體積很小，甚至最終會自帶能量，并通過射頻方法被“詢問”。已經(jīng)用一些單個的元件組裝了樣品，可以采用集成電路技術(shù)使該裝置微型化。可將成千上萬廉價的這種傳感器預(yù)埋在一座橋內(nèi)，從而在嚴(yán)重的破壞到來前，完全獨立于橋梁之外，如果沒有考慮具體的或未記載的因素，從大量橋梁得到的總體數(shù)據(jù)來確定橋梁構(gòu)件的退化率將帶來錯誤的結(jié)果。提供關(guān)于腐蝕程度的定量資料。
2 智能化橋梁展望
建造更加智能化橋梁的技術(shù)已經(jīng)成熟，這種技術(shù)通過提供定量的、客觀的資料，可以使人們放棄主觀的橋梁管理體系。這就需要研制出一種更加定量化的管理方法。美國的科研和工程界已加強了這方面的工作。
科研界已舉行了幾個專題研討會，匯總了來自公眾的、私人的及學(xué)術(shù)團體的看法，確定了迫切需要對老齡化公路基礎(chǔ)設(shè)施展開的研究。結(jié)論形成了“國家基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)研究日程”報告。報告認(rèn)為可靠而及時的數(shù)據(jù)對全美公路的高效管理非常關(guān)鍵。報告還高度關(guān)注對改進的決策支持系統(tǒng)的需要，以及在基礎(chǔ)設(shè)施的管理中引入基于概率的生命周期分析的重要性。報告強調(diào)需要對基礎(chǔ)設(shè)施進行評估，并量化系統(tǒng)的效益。還強調(diào)了量化的、相關(guān)的、有價值的特性的測定。智能橋梁對這幾方面都有幫助。
通過監(jiān)測和測量極端條件下公路結(jié)構(gòu)的荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，會極大地提高公路結(jié)構(gòu)在極端條件下的安全性。采用使結(jié)構(gòu)更加智能化的技術(shù)得到的定量的測量數(shù)據(jù)，可以滿足評估和管理橋梁及其它結(jié)構(gòu)的需要。不通過對結(jié)構(gòu)行為和老化的長期觀察和定量測量，就不可能改進規(guī)范。最終，支持橋梁維護自動化的基礎(chǔ)資料（是一個國家基礎(chǔ)設(shè)施研究和發(fā)展應(yīng)首先考慮的），必須通過監(jiān)測和測量技術(shù)得到。
智能橋梁可為系統(tǒng)和橋梁層面的管理提供大量的數(shù)據(jù)。智能橋梁提供的數(shù)據(jù)可以更可靠、有用地推動資產(chǎn)管理。通過測量和監(jiān)測危險的橋梁構(gòu)件，可使橋梁的安全性，特別是在極端條件下的安全性，向前邁進一步。發(fā)覺事故和評定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁技術(shù)，可以增強安全性、可靠性及養(yǎng)護高效性。橋梁的整體健康狀況，和基于資產(chǎn)管理及改進的規(guī)范的性能評估，應(yīng)該也必然只有通過采用定量的測量方法來實現(xiàn)。主觀的評價完全不足以滿足這些要求。只有通過建立智能橋梁，才能提高橋梁結(jié)構(gòu)的等級水平。
參 考 文 獻(xiàn)：
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