橋梁檢測技術(shù)綜述
2010-09-08 來源：網(wǎng)絡(luò)
橋梁是交通的樞紐，關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。但橋梁結(jié)構(gòu)在長期使用中難免會(huì)發(fā)生各種各樣的損傷，造成橋梁結(jié)構(gòu)抗力衰減和安全隱患。
美國是公路大國，2000年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，美國共有公路橋梁58萬多座，鋼橋梁為主要結(jié)構(gòu)型式，其次為砼、預(yù)應(yīng)力砼橋；18萬余座公路橋梁存在結(jié)構(gòu)性缺陷，約占總數(shù)的30%，其中鋼橋問題最嚴(yán)重，占有缺陷橋梁的40%，聯(lián)邦政府為修復(fù)缺陷橋梁每年需花費(fèi)50多億美元。
我國第二次全國公路普查結(jié)果顯示，除港、澳、臺(tái)地區(qū)外，截至2003年底止，我國共有公路橋梁310,773座，12,466,143延米。其中，特大橋2,155座，1,962,614延米，占0.69 ；大橋17,417座，3,061,688延米，占5.60%；中橋6,311座，3,466,413延米，占20.44%；小橋227,690座，3,975,428延米，占73.27% 。近三年的調(diào)查結(jié)果表明，我國危橋超過1萬座，嚴(yán)重威脅橋梁的正常運(yùn)營，并給人們的財(cái)產(chǎn)與生命安全帶來了極大隱患。
有關(guān)專家認(rèn)為，橋梁使用超過25年則進(jìn)入老化期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國橋梁中的40%屬于“老齡”橋梁。全國每年花費(fèi)在橋梁結(jié)構(gòu)日常維修、加固和置換等方面的資金十分巨大。
為了保證橋梁的安全運(yùn)營，必須經(jīng)常對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，橋梁結(jié)構(gòu)檢測已成為橋梁結(jié)構(gòu)安全養(yǎng)護(hù)和保障正常使用的主要技術(shù)手段。研究開發(fā)能及早、準(zhǔn)確地檢查診斷橋梁表面和內(nèi)部的各種損傷（如裂縫、孔洞、磨損和鋼的銹蝕等），并對橋梁損傷的發(fā)展趨勢和剩余壽命作出估計(jì)，為保護(hù)和維護(hù)好橋梁提供可靠的依據(jù)，且能長期實(shí)施、對橋梁結(jié)構(gòu)無損的診斷技術(shù)成為人們孜孜不倦地追求的目標(biāo)。
1.我國橋梁檢測狀況
發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)表明，正確的橋梁養(yǎng)（維）護(hù)決策是保證橋梁安全服役的重要手段。為此，“七五”期間，我國交通部就立項(xiàng)開展橋梁管理系統(tǒng)的研究開發(fā)，形成了我國公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)（CBMS）。CBMS主要依靠橋梁養(yǎng)護(hù)工程師對橋梁進(jìn)行定期檢查，將檢查結(jié)果按照不同結(jié)構(gòu)或構(gòu)件權(quán)重打分，通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析確定橋梁的狀況等級，并以此為基礎(chǔ)制定養(yǎng)護(hù)對策，經(jīng)驗(yàn)因素較多。如何獲取盡量多的、可靠的、準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)是橋梁定期檢測中尤為重要的問題，而利用現(xiàn)有橋梁定期檢測方法尚不足以對橋梁安全性作出精確判斷并為維護(hù)提供科學(xué)和定量的依據(jù)。在正常養(yǎng)護(hù)并按規(guī)定定期檢查的情況下，仍然發(fā)生垮橋事故，并造成重大人員、財(cái)產(chǎn)損失，如四川宜賓市小南門金沙江大橋跨塌，也說明了這一點(diǎn)。
如何保障公路在役橋梁的安全運(yùn)營一直是一個(gè)值得深入研究的難題。我國現(xiàn)有在役橋梁養(yǎng)護(hù)的主要依據(jù)是《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，根據(jù)我國的經(jīng)濟(jì)條件，采用何種手段、檢測和監(jiān)測哪些內(nèi)容、如何根據(jù)檢測與監(jiān)測結(jié)果對橋梁的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評定成為急待解決的問題。
2.現(xiàn)有橋梁檢測方法
近幾十年來，國內(nèi)外對橋梁損傷診斷的方法進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了一些檢測方法，其中既有半損傷式的識(shí)別方法，也有無損檢測技術(shù)。目前對現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的檢測普遍采用元損檢測方法（NDT& NDE），包括結(jié)構(gòu)局部檢測方法和結(jié)構(gòu)整體檢測方法。
2．1 橋梁局部檢測方法
局部檢測技術(shù)是采用目視或?qū)ｉT的檢測儀器對結(jié)構(gòu)局部的損傷和缺陷狀況進(jìn)行檢測。結(jié)構(gòu)局部檢測技術(shù)一直是橋梁結(jié)構(gòu)日常檢測養(yǎng)護(hù)的主要技術(shù)手段，主要對結(jié)構(gòu)的材質(zhì)狀況與耐久性各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，包括砼強(qiáng)度檢測、鋼筋銹蝕電位檢測、氯離子含量測定、鋼筋分布及保護(hù)層厚度檢測、砼碳化深度檢測、砼電阻率測試和砼內(nèi)部探傷等內(nèi)容。傳統(tǒng)的檢測手段包括渦流、磁粉、滲透、X射線和超聲波等，后來又發(fā)展了諸如層析成像、全息攝影、遠(yuǎn)紅外熱象、微波、核磁共振和雷達(dá)等先進(jìn)檢測技術(shù)。
2．2 橋梁整體檢測方法
結(jié)構(gòu)整體檢測技術(shù)是采用結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)等手段采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)（如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度和加速度等），通過力學(xué)和數(shù)學(xué)方法對荷載數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到反映結(jié)構(gòu)局部損傷和整體狀況（如承載力）的信息。結(jié)構(gòu)整體檢測技術(shù)在很大程度上克服了結(jié)構(gòu)局部檢測技術(shù)的局限性。它主要采用對橋施加可控荷載的試驗(yàn)方法，對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布、變形量和加速度等響應(yīng)進(jìn)行檢測，以此對橋梁結(jié)構(gòu)性能作出評估。橋梁荷載試驗(yàn)可分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。橋梁靜載試驗(yàn)是將靜止的荷載作用在橋梁的指定位置，對橋梁的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫等參數(shù)進(jìn)行測試，從而對橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能及使用能力作出評價(jià)。橋梁動(dòng)載試驗(yàn)是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，然后測定其固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、行車響應(yīng)等參數(shù)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度。
橋梁整體檢測技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)整體工作性能作出評價(jià)，回答橋梁業(yè)主最關(guān)心的橋梁結(jié)構(gòu)承載力問題；可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和實(shí)時(shí)評定服役安全狀態(tài)；特別是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的檢測和監(jiān)測技術(shù)，可以在不妨礙交通的情況下進(jìn)行，因而具有巨大的優(yōu)越性，是橋梁結(jié)構(gòu)檢測不可或缺的重要技術(shù)手段。
2．2．1 靜力試驗(yàn)
荷載試驗(yàn)非常復(fù)雜，試驗(yàn)前應(yīng)做充分的準(zhǔn)備工作，試驗(yàn)準(zhǔn)備直接關(guān)系到試驗(yàn)的成敗，關(guān)系到試驗(yàn)是否能夠取得理想的數(shù)據(jù)。
根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，大型橋梁或采用新型結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的橋梁完工后應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)鑒定性質(zhì)的驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，目的是對橋梁的質(zhì)量和工作性能是否與設(shè)計(jì)相符作出檢驗(yàn)與評價(jià)。基于這一根本目的，靜力試驗(yàn)的具體目的在于：① 通過測定橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下控制截面應(yīng)力和撓度，并與理論計(jì)算值比較，檢驗(yàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)控制截面應(yīng)力與撓度值是否與設(shè)計(jì)要求相符；② 通過現(xiàn)場加載試驗(yàn)以及對試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象的綜合分析，對實(shí)際結(jié)構(gòu)作出總體評價(jià)，為結(jié)構(gòu)評估提供技術(shù)依據(jù)。
2．2．2 動(dòng)力試驗(yàn)
橋梁檢測動(dòng)載試驗(yàn)是動(dòng)力測定評價(jià)方法的基本測試項(xiàng)目，是為了滿足工程應(yīng)用的需要，應(yīng)用理論分析與試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法解決橋梁振動(dòng)問題的必要手段，是橋梁檢測工作中的重要環(huán)節(jié)，能對橋梁使用狀況和承載力評價(jià)提供重要的數(shù)據(jù)參數(shù)。動(dòng)載試驗(yàn)的內(nèi)容主要是結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)載響應(yīng)的試驗(yàn)與分析，量測的主要部位是結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)最大構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)變形的控制截面。一般來說，檢測項(xiàng)目主要包括：① 橋梁動(dòng)力特性模態(tài)參數(shù)測試（頻率、振型、阻尼比）；② 橋梁動(dòng)力響應(yīng)測試（動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)力、加速度、沖擊系數(shù)）。
3.新型橋梁無損檢測方法簡述
隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，新型無損檢測方法（如超聲波探測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、機(jī)敏砼檢測、電位法測試以及振動(dòng)測試等）日益成熟，已在橋梁檢測中得到了較好的應(yīng)用。
3．1 幾種新式檢測方法
3．1．1 機(jī)敏砼
機(jī)敏砼是指在砼中摻入短切碳纖維或（和）納米粒子，從而使砼同時(shí)具有壓敏特性和良好的力學(xué)性能。機(jī)敏砼的壓敏特性是指機(jī)敏砼電阻隨壓應(yīng)變或壓應(yīng)力變化而變化的特性，通過測量碳纖維砼或納米砼的電阻變化，就可預(yù)測砼的應(yīng)變或應(yīng)力。機(jī)敏砼具有較高的強(qiáng)度和較大的變形能力，因此，機(jī)敏砼既可以作為傳感器埋在砼橋梁和隧道結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，它的耐久性與橋梁和隧道結(jié)構(gòu)相同，因此稱為長壽命傳感器；也可以作為結(jié)構(gòu)材料制作橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
3．1．2 聲發(fā)射
聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡稱AE）技術(shù)作為一門新型技術(shù)和科學(xué)研究課題，是德國科學(xué)家凱瑟（Kaiser）在1950年開始進(jìn)行的。他還發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射現(xiàn)象的不可逆效應(yīng)，即凱瑟效應(yīng)（Kaiser Effect）。大規(guī)模的聲發(fā)射研究是自20世紀(jì)60年代起在美國開展的。AE技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動(dòng)態(tài)無損檢測方法。它可以在構(gòu)件或材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動(dòng)變化的過程中進(jìn)行檢測。聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)在美國、加拿大、法國、英國以及日本等多個(gè)國家的橋梁中進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。
3．2 橋梁檢測方法的發(fā)展趨勢
國內(nèi)外正在開展增強(qiáng)土木結(jié)構(gòu)NDE技術(shù)的應(yīng)用。主要有：
（1）先進(jìn)的橋面板檢測系統(tǒng)，包括雙帶遠(yuǎn)紅外熱成像系統(tǒng)、地面滲透雷達(dá)等。
（2）先進(jìn)的橋梁測試和健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括全橋監(jiān)測系統(tǒng)的無線電發(fā)送、精確的差分式全球定位系統(tǒng)（GPS）測量橋梁變形等。
?。?）先進(jìn)的疲勞裂紋探測和評估系統(tǒng)，包括測橋梁裂紋的新型超聲波和磁分析儀系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、便攜式聲發(fā)射系統(tǒng)、無線應(yīng)變測量系統(tǒng)、微波探測和定量分析、無源疲勞荷載測量設(shè)備和電磁聲發(fā)射傳感器等。
?。?）先進(jìn)的銹蝕探測和評估技術(shù)，包括磁漏探測技術(shù)、探測先張法壓漿空隙的沖擊一反射系統(tǒng)、埋入式銹蝕微傳感器以及以磁為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)。
?。?）用強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)法定量評估橋梁下部結(jié)構(gòu)、用激光振動(dòng)計(jì)測量斜拉索索力以及量化的無損檢測方法與橋梁管理系統(tǒng)的結(jié)合。
?。?）磁力控制傳感器的研究，磁鐵材料的物理尺寸幾乎不會(huì)受磁場的影響，通過線圈與偏磁的耦合能制作出一種別致的很有用的傳感器。這種傳感器可能是低成本、簡單并結(jié)實(shí)的，可用在預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕或斷裂、砼養(yǎng)護(hù)的監(jiān)測以及埋入式聲發(fā)射傳感器等方面。
?。?）光纖和其他微傳感器，已研究出一種光纖測量系統(tǒng)，以對新澆筑砼內(nèi)的空隙進(jìn)行無損檢測。光纖光柵也已被用作遙測變形，對結(jié)構(gòu)砼構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測。它還能被用來測量材料的失效、砼結(jié)構(gòu)的碳化深度、堿反應(yīng)、氯滲透和裂紋的開展等。一個(gè)優(yōu)化的光纖傳感器應(yīng)該既小又輕，只要求很低的電源，對環(huán)境的要求不高，亦不受電磁干擾，還要求降低成本。某些能用光纖系統(tǒng)構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)物，不僅把所有測點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)到數(shù)據(jù)設(shè)備上，而且多梁式鋼橋的控制斷面還能監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康。
4.結(jié) 語
綜上所述，橋梁檢測技術(shù)正在逐步發(fā)展，但相對于機(jī)械設(shè)備的診斷來說起步較晚，目前還沒有一個(gè)完整的體系，還有很多有待完善的地方。與機(jī)械設(shè)備一樣，橋梁的故障診斷也應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)工程，而不僅僅是單純的故障診斷，橋梁的狀態(tài)檢測以及損傷識(shí)別，也應(yīng)該從多方面進(jìn)行分析。
橋梁檢測及損傷識(shí)別技術(shù)與很多相關(guān)技術(shù)的發(fā)展有著緊密聯(lián)系，其中有傳感技術(shù)、檢測技術(shù)（A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)及二次儀表等）、信號(hào)處理技術(shù)、振動(dòng)理論、軟件開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、專家集成技術(shù)等。橋梁檢測是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工作，需要各個(gè)環(huán)節(jié)都做好才能達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的效果。目前橋梁健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)還處在發(fā)展階段，最終發(fā)展成熟還任重道遠(yuǎn)。
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