橋梁檢測技術(shù)發(fā)展初步探討
2015-06-24
橋梁在長期的營運(yùn)過程中不免會(huì)發(fā)生各種損傷，有外觀損傷及結(jié)構(gòu)損傷，在此僅探討結(jié)構(gòu)損傷。損傷的原因有人為因素，也可能是自然災(zāi)害。此外隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸量大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，這也可能因?yàn)槌d而造成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷繼而加劇其自然老化。這些因素均導(dǎo)致了橋梁承載能力和耐久性的降低，甚至影響到運(yùn)營的安全，由此而引起的一系列問題都需要相應(yīng)的維修、改造和加固來解決，筆者通過多年的檢測工作，對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的檢測技術(shù)作初步的探討。
?。保畼蛄罕碛^檢查分析與評價(jià)
表觀檢查包括橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸的量測、結(jié)構(gòu)病害的檢查與量測等，表觀檢查的項(xiàng)目和要求對不同的橋型有不同的側(cè)重點(diǎn)。表觀檢查要達(dá)到可以定量反映橋梁結(jié)構(gòu)狀況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范評定橋梁技術(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)、施工工藝及過程以及橋梁的結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)歷史等。
材料檢測主要是指橋梁結(jié)構(gòu)材料的無損或微損檢測。對于鋼筋混凝土橋梁來講，主要是混凝土與鋼筋的相關(guān)檢測，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)層厚度測試等。表觀檢查和材料檢測技術(shù)及相關(guān)測試儀器設(shè)備發(fā)展很快，是橋梁無損檢測的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。測試儀器設(shè)備及相關(guān)技術(shù)研究在國外橋梁無損檢測研究方面占有很大的比重，相繼研制成功或正在研制融合電、磁、雷達(dá)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)學(xué)科的高技術(shù)成套測試儀器和設(shè)備。如用于橋面板檢測的雙頻帶紅外線自動(dòng)溫度成像系統(tǒng)；用于橋面板檢測的探地雷達(dá)成像系統(tǒng)；整橋測量的激光雷達(dá)；整橋測量的無線電脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器等。
2.橋梁承載力的荷載檢測法
2.1靜載試驗(yàn)檢測方法
靜載試驗(yàn)檢測法通過對橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，量測與橋梁結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的參數(shù)，與橋梁工作性能相關(guān)的主要參數(shù)有變形、撓度、應(yīng)變、裂縫等。通過靜載試驗(yàn)，可測出這些參數(shù)，從而分析得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，據(jù)此判斷橋梁的承載能力。混凝土橋梁的靜載試驗(yàn)，一般需進(jìn)行以下測試內(nèi)容：
（1）結(jié)構(gòu)的豎向撓度、側(cè)向撓度和扭轉(zhuǎn)變形。每個(gè)跨度內(nèi)至少有3個(gè)測點(diǎn)，并取得最大的撓度及變形值，同時(shí)觀測支座下沉值。有時(shí)測試也為了驗(yàn)證所采用的計(jì)算理論，要實(shí)測控制截面的內(nèi)力、撓度縱向和橫向影響線。
?。?）記錄控制截面的應(yīng)力分布，并取得最大值和偏載特性。沿截面高度不少于5個(gè)測點(diǎn)，包括上、下緣和截面突變處。有些結(jié)構(gòu)需測試支點(diǎn)及附近、橫隔板附近剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，此時(shí)需將應(yīng)變計(jì)布成應(yīng)變花。
（3）支座的伸縮、轉(zhuǎn)角，支座的沉降；墩頂位移及轉(zhuǎn)角。
?。?）仔細(xì)觀察是否已出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)初始裂縫時(shí)所加的荷載，仔細(xì)表明裂縫出現(xiàn)的位置、方向、長度、寬度及卸載后閉合情況。如果結(jié)構(gòu)的控制截面變形、應(yīng)力或裂縫擴(kuò)展，在尚未加到預(yù)計(jì)最大試驗(yàn)荷載前，已提前達(dá)到或超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的允許值，應(yīng)立即停止加載，同時(shí)注意觀察裂縫擴(kuò)展情況，撤離儀器和人員。
（5）細(xì)觀察卸載后的殘余變形。對于特殊結(jié)構(gòu)而言，如懸索橋和斜拉橋，尚需觀察索力和塔的變位并進(jìn)行支座的測定。
2.2動(dòng)載試驗(yàn)檢測方法
動(dòng)力荷載試驗(yàn)的目的在于研究橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，該性能是判斷橋梁運(yùn)營狀況和承載能力的重要標(biāo)志之一。比如，動(dòng)力系數(shù)是確定車輛荷載對橋梁動(dòng)力作用的重要技術(shù)參數(shù)，直接影響到橋梁設(shè)計(jì)的安全與經(jīng)濟(jì)性能；橋梁過大的振動(dòng)可引起乘客和行人的不舒適；橋梁自振頻率處于某些范圍時(shí)，可由外荷載引起共振的危險(xiǎn)。這是以前動(dòng)力檢測的主要目的。但是最近10年以來，研究者試圖擴(kuò)大動(dòng)力檢測方法的范圍和功能，原理主要如下：結(jié)構(gòu)損失的發(fā)生必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)（剛度、阻尼和內(nèi)部荷載）的改變。如果恰當(dāng)?shù)毓烙?jì)這些變化，就能給結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評估提供一個(gè)量化的方法。利用振動(dòng)方法對橋梁進(jìn)行損傷檢測的基礎(chǔ)是從橋梁振動(dòng)模態(tài)的變化中能夠估計(jì)出橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。橋梁振動(dòng)模態(tài)通常可用常規(guī)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測試方法得到。在橋梁的不同位置布置測點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)損傷前后由這些測點(diǎn)記錄的信息可提取出的橋梁振動(dòng)模態(tài)特性參數(shù)的變化，以此來確定結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置、大小及結(jié)構(gòu)損傷的類型。
橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)，主要是圍繞沖擊系數(shù)做文章，實(shí)際的動(dòng)力試驗(yàn)包括以下內(nèi)容：
?。?）測定橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性，如沖擊系數(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力等。
?。?）測定橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性等。
3.橋梁檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢
3.1橋梁無損傷檢測技術(shù)
傳統(tǒng)的橋梁檢測方法主要依賴于動(dòng)靜載試驗(yàn)和檢測人員的現(xiàn)場目測，輔以混凝土硬度實(shí)驗(yàn)、超聲波探測、腐蝕作用實(shí)驗(yàn)等多種檢測手段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)更是出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展勢態(tài)，先后涌現(xiàn)出一大批新的檢測方法和檢測手段，使無損檢測技術(shù)向著智能化、快速化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。
近年來，致力于橋梁檢測的研究人員提出了許多成功的方法對橋梁進(jìn)行非破壞性評估。一些新的方法被廣泛應(yīng)用于橋梁檢測，如利用相干激光雷達(dá)測試橋梁下部結(jié)構(gòu)的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測量橋體表面的變形狀態(tài)，利用雙波長遠(yuǎn)紅外成像檢測橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動(dòng)檢測鋼索、鋼梁和混凝土內(nèi)部的鋼筋等。隨著振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用振動(dòng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型修正理論得到了充分的發(fā)展，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測開辟了新的途徑?；谡駝?dòng)模態(tài)分析技術(shù)，人們研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)是整體狀態(tài)的一種度量，當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性發(fā)生變化時(shí)，選用結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)作為權(quán)數(shù)，對結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)變化量進(jìn)行加權(quán)處理，從而實(shí)現(xiàn)對單元損傷的識(shí)別和有效定位。
3.2橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)
?。?）小波分析損傷識(shí)別法。由于小波分析適合分析非平穩(wěn)信號(hào)，因此可作為損傷識(shí)別中信號(hào)處理的較理想的工具，用它來構(gòu)造損傷識(shí)別中所需要的特征因子，或直接提取對損傷有用的信息。小波分析在損傷識(shí)別中的應(yīng)用是多方面的，如：奇異信號(hào)檢測、信噪分離、頻帶分析等。
?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識(shí)別法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在損傷識(shí)別中的基本思路是：首先，用無損傷系統(tǒng)的振動(dòng)測量數(shù)據(jù)來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，用適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法確定網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；然后，將系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就有對應(yīng)的輸出，如果輸入過程是成功的，當(dāng)系統(tǒng)特性無變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)的輸出應(yīng)該吻合；相反，當(dāng)系統(tǒng)有損傷時(shí)，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)的輸出就有一個(gè)差異，這個(gè)差異就是損傷的一種測度。
4.結(jié)語
通過對橋梁進(jìn)行檢測可以得知橋梁的運(yùn)營狀態(tài)，以確保其安全使用。傳統(tǒng)檢測方法在精度和簡便性等方面有所不足，隨著計(jì)算機(jī)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能將廣泛地運(yùn)用在各類橋梁結(jié)構(gòu)的檢測試驗(yàn)和分析上。同時(shí)，學(xué)科交叉現(xiàn)象日益普遍，一些高新技術(shù)的最新研究成果應(yīng)用于橋梁無損檢測技術(shù)的研究，必將推動(dòng)橋梁檢測技術(shù)的飛速發(fā)展。
