橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用
2015-07-02
引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為快捷運(yùn)輸?shù)墓?，也日新月異地發(fā)生著變化。作為連接道路的橋梁，起著至關(guān)重要的作用。橋梁工程的檢測(cè)是保證橋梁正常使用、進(jìn)行維修加固的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)橋梁工程的無(wú)損檢測(cè)，對(duì)橋梁的損傷情況和程度進(jìn)行診斷，對(duì)橋梁的可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行評(píng)估。為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常時(shí)提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)與處理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的形成與發(fā)展
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下，通過(guò)測(cè)定某些適當(dāng)?shù)奈锢砹縼?lái)判斷結(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些性能的檢測(cè)方法。橋梁工程中無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的形成和發(fā)展與混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。早在20世紀(jì)30年代，人們就開(kāi)始探索混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的日臻成熟，許多國(guó)家開(kāi)始了這類檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)工作。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和工程應(yīng)用，我國(guó)研制了一系列的無(wú)損檢測(cè)儀器設(shè)備，結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究，逐步形成了《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、《后裝拔出法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》等技術(shù)規(guī)程，并由此解決了工程實(shí)踐中的問(wèn)題，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)相比，具有如下一些特點(diǎn)：
?。?）不破壞被檢測(cè)構(gòu)件，不影響其使用性能，且簡(jiǎn)便快速；
?。?）可以在構(gòu)件上直接進(jìn)行表層或內(nèi)部的全面檢測(cè)，對(duì)新建工程和既有結(jié)構(gòu)物都適用；
?。?）能獲得破壞試驗(yàn)不能獲得的信息；
?。?）可在同一構(gòu)件上進(jìn)行連續(xù)測(cè)試和重復(fù)測(cè)試，使檢測(cè)結(jié)果有良好的可比性；測(cè)試快速方便，費(fèi)用低廉；
?。?）由于是間接檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果要受到許多因素的影響，檢測(cè)精度要差一些。
2 常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用
2.1 表觀檢測(cè)技術(shù)
通過(guò)檢測(cè)人員的觀察,對(duì)結(jié)構(gòu)的外在形態(tài)進(jìn)行調(diào)查,包括對(duì)橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸的量測(cè)、結(jié)構(gòu)病害的檢查與量測(cè)等。表觀檢測(cè)的項(xiàng)目和要求,對(duì)不同的橋型有不同的側(cè)重點(diǎn)。表觀檢測(cè)要達(dá)到定量反映橋梁結(jié)構(gòu)狀況,就得依據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)定橋梁技術(shù)等級(jí)的要求。結(jié)構(gòu)資料的調(diào)查包括了解橋梁的原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝及過(guò)程以及橋梁的結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)歷史等。對(duì)于鋼筋混凝土橋梁來(lái)講,主要是混凝土與鋼筋的相關(guān)檢測(cè),包括混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、碳化深度、與耐久性有關(guān)的含堿量和氯離子含量,以及鋼筋的銹蝕狀況、保護(hù)層厚度測(cè)試等。
優(yōu)點(diǎn):表觀檢測(cè)是橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷中最常用的方法;其最主要的優(yōu)點(diǎn)為,直觀明了,可及性強(qiáng),并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
缺點(diǎn):主觀性強(qiáng);費(fèi)時(shí);僅適合定性評(píng)價(jià);效率低;內(nèi)部損傷難以察覺(jué)。
2.2 電化學(xué)測(cè)試法
電化學(xué)方法的測(cè)試原理是通過(guò)測(cè)定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性,來(lái)確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度?；炷林袖摻钿P蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程,電化學(xué)測(cè)量是反映其本質(zhì)過(guò)程的有力手段。
優(yōu)點(diǎn):與分析法或物理方法相比,電化學(xué)方法還有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),因此電化學(xué)方法得到了很大的重視和發(fā)展。目前在實(shí)驗(yàn)室已成功用于檢測(cè)混凝土中鋼筋的腐蝕狀態(tài)和瞬時(shí)腐蝕速度,并已嘗試用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
半電池電位法是鋼筋銹蝕檢測(cè)的3種電化學(xué)方法中既簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、易行,又研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種鋼筋銹蝕檢測(cè)方法。其基本原理是:鋼筋銹蝕時(shí),在鋼筋混凝土表面形成陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū),在這些具有不同電位的區(qū)域之間,混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生電流。鋼筋和混凝土的電化學(xué)活性可以看作是半個(gè)弱電池組,鋼筋的作用是一個(gè)電極,而混凝土是電解質(zhì)。
在半電池電位法測(cè)量中,要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程,因?yàn)榄h(huán)境相對(duì)濕度、水泥品種、水灰比、保護(hù)層厚度、碳化深度等因素,都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。所以該方法較多地應(yīng)用于鋼筋銹蝕度的定性測(cè)量,還無(wú)法定量監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋的銹蝕率。鋼筋的檢測(cè)是一種綜合評(píng)定的方法。為了進(jìn)一步了解鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響以及更有效地提供保護(hù)措施,通常有必要通過(guò)其它試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步分析鋼筋銹蝕的成因,鋼筋銹蝕的速率等,這些試驗(yàn)方法包括測(cè)量混凝土的電阻率、pH值和碳化深度,測(cè)量鋼筋保護(hù)層的厚度等多種參數(shù),對(duì)結(jié)構(gòu)所處的大氣、雨水、海水成分等環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行評(píng)估,這部分工作可定期通過(guò)養(yǎng)護(hù)檢查來(lái)解決。
缺點(diǎn):由于橋梁中對(duì)于鋼筋腐蝕的資料沒(méi)有很好的綜合總結(jié),而且各地的氣候差異較大,導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)難以確定,目前交通部《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定,不過(guò)由于上述原因,該方面的工作還有待進(jìn)一步深入開(kāi)展。國(guó)內(nèi)科研單位和公司有不少產(chǎn)品,例如SW-3C鋼筋銹蝕檢測(cè)儀、PS-6型鋼筋銹蝕測(cè)量?jī)x等諸多品牌的半電池電位計(jì)設(shè)備。
2.3 電磁波檢測(cè)技術(shù)
電磁探測(cè)技術(shù)主要包括探地雷達(dá)技術(shù)和渦流檢測(cè)技術(shù)。
(1)探地雷達(dá)技術(shù).利用高頻電磁波,以脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線被定向地送入地下,雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播過(guò)程中,當(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)體(如空洞,或鋼筋)時(shí),電磁波便發(fā)生反射,返回到地面時(shí)由接收天線所接收。在對(duì)接收天線接收到的雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)接收到的雷達(dá)波波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài),從而達(dá)到對(duì)地下隱蔽目標(biāo)物的探測(cè)。
特點(diǎn):能精確測(cè)定缺陷區(qū)的形狀、大小和深度;節(jié)省勞力、操作方便、速度快;能在大范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè);不受周圍環(huán)境影響。
(2)渦流檢測(cè)技術(shù).渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理為電磁感應(yīng),主要應(yīng)用于檢測(cè)表面損傷。當(dāng)檢測(cè)線圈與導(dǎo)電材料的構(gòu)件表面靠近,并通以交流電時(shí),所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)將在構(gòu)件表層產(chǎn)生感應(yīng)電流,呈環(huán)形渦流狀。電渦流的大小與分布受構(gòu)件材料介質(zhì)和表層缺陷的影響,根據(jù)所測(cè)電渦流的變化量,就可以判定材料表層的缺陷情況。
特點(diǎn):渦流法對(duì)被檢結(jié)構(gòu)表面及近表面缺陷檢測(cè)靈敏度高,具有快速、方便、無(wú)污染、成本低,在表面涂層、潮濕和水底等惡劣環(huán)境下也能開(kāi)展檢測(cè)工作,便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
2.4 聲探測(cè)技術(shù)
聲探測(cè)技術(shù)主要包括超聲波探測(cè)技術(shù)、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)和沖擊—回聲檢測(cè)技
術(shù)。聲探測(cè)技術(shù)是目前發(fā)展最迅速的無(wú)損檢測(cè)。
2.4.1 超聲波探測(cè)技術(shù)
超聲波探測(cè)技術(shù)利用聲脈沖在缺陷處發(fā)生特性變化的原理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。超聲波能夠以一定的速度在某種材料中傳播,直至遇到不連續(xù)點(diǎn)或抵達(dá)測(cè)試物的邊界時(shí)才反射回來(lái),通過(guò)信號(hào)的強(qiáng)度可以獲知損傷的程度,而將信號(hào)發(fā)生的時(shí)間和超聲波在材料中的傳播速度聯(lián)系起來(lái),則可以獲知損傷的位置。
主要優(yōu)缺點(diǎn):(a)對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土本身材料組織構(gòu)造和使用性能沒(méi)有損害,可以直接對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度的測(cè)定,運(yùn)用預(yù)先建立的率定關(guān)系值,就能比較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)混凝土各部位的實(shí)際強(qiáng)度;(b)應(yīng)用超聲波檢測(cè)能全面地反映混凝土結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)性能;(c)頻率高,指向性比較好。傳播能量大,對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)。超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性,為超聲波的應(yīng)用提供了豐富的信息;(d)重復(fù)或復(fù)核檢測(cè)方便,重復(fù)性良好;(e)適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高、對(duì)人體無(wú)害、設(shè)備輕巧、成本低廉,可及時(shí)得到探傷結(jié)果,適合在實(shí)驗(yàn)室及野外等各種環(huán)境下工作,并能對(duì)正在運(yùn)行的裝置和設(shè)備實(shí)行在線檢查;(f)由于超聲波的波長(zhǎng)比較短,利用超聲波成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的分辨率高,合理布置測(cè)線密度和反演網(wǎng)格單元就可以保證在測(cè)試區(qū)域內(nèi)有足夠的分辨率。
2.4.2 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)
大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料在受力后出現(xiàn)如塑性變形、裂紋開(kāi)裂、裂紋開(kāi)展等微結(jié)構(gòu)損傷時(shí),就以聲波的形式釋放能量。它的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)處于荷載作用狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行穩(wěn)定的監(jiān)視,并給出早期報(bào)警。
主要優(yōu)點(diǎn):(a)適用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控檢測(cè),且只顯示和記錄擴(kuò)展的缺陷,與缺陷尺寸無(wú)關(guān);(b)對(duì)擴(kuò)展的缺陷具有很高的靈敏度,其靈敏度大大高于其他方法;(c)具有整體性特點(diǎn)。在檢驗(yàn)大型的和較長(zhǎng)物體的焊縫時(shí),這種優(yōu)越性更明顯;(d)能進(jìn)行不同工藝過(guò)程和材料性能及狀態(tài)變化過(guò)程的檢測(cè);(e)AET技術(shù)受材料的性能和組織的影響要小些,例如材料的不均勻性對(duì)射線照相和超聲波檢測(cè)影響較大,而對(duì)AET技術(shù)則無(wú)關(guān)緊要,因此AET技術(shù)的使用范圍較寬;(f)使用AET技術(shù)比較簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)監(jiān)控與試驗(yàn)同步進(jìn)行,不會(huì)因使用了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)而延長(zhǎng)試驗(yàn)工期,檢測(cè)費(fèi)用也較低,特別是大型構(gòu)件的整體檢測(cè),其檢測(cè)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于射線或超聲檢測(cè)費(fèi)用,而且可以整體、實(shí)時(shí)地檢測(cè)和結(jié)果評(píng)定。
缺點(diǎn):AET需要在特定荷載條件下進(jìn)行,AET目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活度和強(qiáng)度,不能給出聲發(fā)射源缺陷的性質(zhì)和大小,對(duì)超聲發(fā)射源,需要使用其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行局部復(fù)檢,以綜合判定其有沒(méi)有危險(xiǎn),是否允許存在。
2.4.3 沖擊—回聲檢測(cè)技術(shù)
沖擊—回聲檢測(cè)技術(shù)是基于使用彈性沖擊產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力波,在預(yù)留孔位置的混凝土表面利用一個(gè)短時(shí)的機(jī)械沖擊產(chǎn)生低頻的應(yīng)力波,應(yīng)力波傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部,被缺陷表面或構(gòu)件底面反射回來(lái)。因此,應(yīng)力波在構(gòu)件表面、內(nèi)部缺陷表面或構(gòu)件表面底部邊界之間來(lái)回反射產(chǎn)生瞬態(tài)共振,其共振頻率能在振幅譜中辨別出,用于確定內(nèi)部缺陷的深度和構(gòu)件的厚度。
優(yōu)點(diǎn):沖擊回波方法不僅可以測(cè)量物體的厚度,也可以確定物體內(nèi)部缺陷的位置及其延伸。該方法成功用于質(zhì)量控制,辨認(rèn)一個(gè)建筑物中的可疑點(diǎn)并對(duì)其定量。例如檢測(cè)橋梁表層的分層,定位裂紋或氣孔,或檢查灌注漿管道中氣孔,并對(duì)其進(jìn)行日常評(píng)估。
缺點(diǎn):雖然沖擊回波法檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單,但要成功解釋測(cè)試結(jié)果需要對(duì)復(fù)雜聲學(xué)知識(shí)有所了解,從而限制了該方法的廣泛應(yīng)用,特別是自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展。
2.5 光探測(cè)技術(shù)
2.5.1 紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)
“紅外熱像儀檢測(cè)”是:利用紅外攝像機(jī)來(lái)生成一幅橋面溫度圖像,這種溫度圖像揭示了在陽(yáng)光照射下混凝土裂層之上的橋面溫度“熱點(diǎn)”。這種溫度較高的“熱點(diǎn)”是由,薄的充滿空氣的裂層,就像絕熱體一樣,使得其上的混凝土的溫度上升的更快些,而形成的。紅外線檢測(cè)技術(shù)是依據(jù)物體的紅外輻射、表面溫度、材料特性三者間的內(nèi)在關(guān)系,借助紅外熱像儀把來(lái)自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像,通過(guò)熱圖像特征分析,直觀地了解物體的表面溫度分布,進(jìn)而達(dá)到推斷混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的目的。
優(yōu)點(diǎn):紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)可以非接觸的測(cè)量,具有快速,高穩(wěn)定性,設(shè)備輕便,后處理靈活,熱成像圖可以很好的反映溫度的信息。缺點(diǎn):影響物體溫度的變量是相當(dāng)多的,尤其天氣的變化是一個(gè)很重要的原因,相關(guān)的改善措施還在摸索階段。
2.5.2 光纖傳感器檢測(cè)技術(shù)
光纖傳感技術(shù)是利用光纖對(duì)某些特定的物理量敏感的特性,將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的光信號(hào)的技術(shù)。從20世紀(jì)70年代中期至今,光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的飛速發(fā)展已經(jīng)有了很大的進(jìn)步,已成功研制了百余種光纖傳感器,它已涉及到國(guó)防軍事、航天航空、工礦企業(yè)等各種領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn):由于光纖傳感器是以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體,利用光纖傳輸信號(hào),所以在橋梁局部損傷檢測(cè)中,光纖傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):抗電磁干擾;具有極高的靈敏度和分辨率;便于成網(wǎng),有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò);成本低;光纖是由石英玻璃制成的,是一種介質(zhì)、絕緣體,且耐高壓、耐腐蝕,能在易燃易爆的環(huán)境下可靠運(yùn)行;光纖為無(wú)源器件,對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響;光纖體積小,重量輕,可做成任意形狀的傳感器陣列;光纖傳感器可重復(fù)使用,并且長(zhǎng)期應(yīng)用時(shí)可以進(jìn)行自基準(zhǔn)等。
缺點(diǎn):因其價(jià)格昂貴,針對(duì)我國(guó)的國(guó)情該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的橋梁檢測(cè)中還難以推廣。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展和保障公路橋梁安全運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求，橋梁養(yǎng)護(hù)已經(jīng)成為交通部門的重點(diǎn)工作，特別是橋梁的檢測(cè)技術(shù)要求新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)?？萍嫉陌l(fā)展，科研工作的深入，以及廣大科研、設(shè)計(jì)等人員的共同努力，研究橋梁檢測(cè)與安全性評(píng)估方法，建立健康有效的橋梁檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，探索橋梁維護(hù)加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝與技術(shù)，這些重要的課題必將得到長(zhǎng)足的促進(jìn)，成為我國(guó)科技發(fā)展的前沿。
