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)系到社會經(jīng)濟發(fā)展的命脈。但橋梁結(jié)構(gòu)在長期使用中難免會發(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營，并給人們的財產(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年則進入老化期。據(jù)統(tǒng)計，我國橋梁中的40%屬于“老齡”橋梁。全國每年花費在橋梁結(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營，必須經(jīng)常對橋梁結(jié)構(gòu)進行檢測，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，為保護和維護好橋梁提供可靠的依據(jù)，且能長期實施、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)達國家的經(jīng)驗表明，正確的橋梁養(yǎng)（維）護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)護管理系統(tǒng)（CBMS）。CBMS主要依靠橋梁養(yǎng)護工程師對橋梁進行定期檢查，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)計分析確定橋梁的狀況等級，并以此為基礎(chǔ)制定養(yǎng)護對策，經(jīng)驗因素較多。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提供科學(xué)和定量的依據(jù)。在正常養(yǎng)護并按規(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。
如何保障公路在役橋梁的安全運營一直是一個值得深入研究的難題。我國現(xiàn)有在役橋梁養(yǎng)護的主要依據(jù)是《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》，根據(jù)我國的經(jīng)濟條件，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)狀況與耐久性各項指標(biāo)進行檢測，包括砼強度檢測、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、遠紅外熱象、微波、核磁共振和雷達等先進檢測技術(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)靜力試驗和動力試驗等手段采集結(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)進行檢測，以此對橋梁結(jié)構(gòu)性能作出評估。橋梁荷載試驗可分為靜載試驗和動載試驗。橋梁靜載試驗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。橋梁動載試驗是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，然后測定其固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數(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，回答橋梁業(yè)主最關(guān)心的橋梁結(jié)構(gòu)承載力問題；可以驗證設(shè)計假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和實時評定服役安全狀態(tài)；特別是基于結(jié)構(gòu)動力試驗的檢測和監(jiān)測技術(shù)，可以在不妨礙交通的情況下進行，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
荷載試驗非常復(fù)雜，試驗前應(yīng)做充分的準(zhǔn)備工作，試驗準(zhǔn)備直接關(guān)系到試驗的成敗，關(guān)系到試驗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)進行生產(chǎn)鑒定性質(zhì)的驗收荷載試驗，目的是對橋梁的質(zhì)量和工作性能是否與設(shè)計相符作出檢驗與評價?；谶@一根本目的，靜力試驗的具體目的在于：① 通過測定橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下控制截面應(yīng)力和撓度，并與理論計算值比較，檢驗實際結(jié)構(gòu)控制截面應(yīng)力與撓度值是否與設(shè)計要求相符；② 通過現(xiàn)場加載試驗以及對試驗觀測數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的綜合分析，對實際結(jié)構(gòu)作出總體評價，為結(jié)構(gòu)評估提供技術(shù)依據(jù)。
2．2．2 動力試驗
橋梁檢測動載試驗是動力測定評價方法的基本測試項目，是為了滿足工程應(yīng)用的需要，應(yīng)用理論分析與試驗測試相結(jié)合的方法解決橋梁振動問題的必要手段，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提供重要的數(shù)據(jù)參數(shù)。動載試驗的內(nèi)容主要是結(jié)構(gòu)動力特性和動載響應(yīng)的試驗與分析，量測的主要部位是結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)最大構(gòu)件的動應(yīng)力及動變形的控制截面。一般來說，檢測項目主要包括：① 橋梁動力特性模態(tài)參數(shù)測試（頻率、振型、阻尼比）；② 橋梁動力響應(yīng)測試（動撓度、動應(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)、機敏砼檢測、電位法測試以及振動測試等）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 機敏砼
機敏砼是指在砼中摻入短切碳纖維或（和）納米粒子，從而使砼同時具有壓敏特性和良好的力學(xué)性能。機敏砼的壓敏特性是指機敏砼電阻隨壓應(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。機敏砼具有較高的強度和較大的變形能力，因此，機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動變化的過程中進行檢測。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國家的橋梁中進行了相應(yīng)的試驗。
3．2 橋梁檢測方法的發(fā)展趨勢
國內(nèi)外正在開展增強土木結(jié)構(gòu)NDE技術(shù)的應(yīng)用。主要有：
（1）先進的橋面板檢測系統(tǒng)，包括雙帶遠紅外熱成像系統(tǒng)、地面滲透雷達等。
（2）先進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)。
（5）用強迫振動響應(yīng)法定量評估橋梁下部結(jié)構(gòu)、用激光振動計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。
（6）磁力控制傳感器的研究，磁鐵材料的物理尺寸幾乎不會受磁場的影響，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)實的，可用在預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕或斷裂、砼養(yǎng)護的監(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，但相對于機械設(shè)備的診斷來說起步較晚，目前還沒有一個完整的體系，還有很多有待完善的地方。與機械設(shè)備一樣，橋梁的故障診斷也應(yīng)該是一個系統(tǒng)工程，而不僅僅是單純的故障診斷，橋梁的狀態(tài)檢測以及損傷識別，也應(yīng)該從多方面進行分析。
橋梁檢測及損傷識別技術(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）、信號處理技術(shù)、振動理論、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。橋梁檢測是一個多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工作，需要各個環(huán)節(jié)都做好才能達到一個最優(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。
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