橋梁無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展
2011-07-05 來源：中國橋梁網(wǎng)
1 概述
20 世紀(jì)中葉以來,科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了橋梁工程技術(shù)的飛躍。隨著橋梁建設(shè)的規(guī)模越來越大,造價(jià)越來越高,大型橋梁在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中的作用越來越重要,人們對(duì)大型橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關(guān)注。針對(duì)開發(fā)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都積極投入大量的人力、財(cái)力于此項(xiàng)工作的研究。通過已經(jīng)建立的各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和已經(jīng)取得的理論研究成果,為這一領(lǐng)域的研究開創(chuàng)了廣闊的前景。橋梁檢測技術(shù)作為該系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)性研究方向,歷來是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn),從某種意義上講,橋梁檢測技術(shù),特別是借助于現(xiàn)代檢測手段的無損檢測技術(shù),代表了橋梁檢測技術(shù)的最新發(fā)展方向,也是橋梁健康監(jiān)測這一大型綜合智能型決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。要合理評(píng)價(jià)橋梁的健康狀況,首先必須正確認(rèn)識(shí)橋梁在不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)特性及對(duì)結(jié)構(gòu)中既有損傷的識(shí)別與定位。較為準(zhǔn)確而定量的橋梁狀況數(shù)據(jù),必將導(dǎo)致較好的決策和資源的更合理的配置,無損檢測技術(shù)正是順應(yīng)這一要求而發(fā)展起來的。特別是近年來,隨著世界范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷、老化及病害事故的增多,使無損檢測技術(shù)的研究顯得更為迫切。
2 橋梁無損檢測技術(shù)的形成與發(fā)展
無損檢測技術(shù)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下,通過測定某些適當(dāng)?shù)奈锢砹縼砼袛嘟Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些性能的檢測方法。無損檢測技術(shù)是多學(xué)科緊密結(jié) 合的高技術(shù)產(chǎn)物,現(xiàn)代材料學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展為無損檢測技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ),而現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展又為無損檢測技術(shù)提供了現(xiàn)代化的測試工具。橋梁工程中無損檢測技術(shù)的形成和發(fā)展與混凝土無損檢測技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。早在20 世紀(jì)30 年代初,人們就已開始探索和研究混凝土無損檢測方法,并獲得迅速發(fā)展。1930 年首先出現(xiàn)了表面壓痕法;1935年格里姆（ G. Grimet） 、艾德（J . M. Ide） 用共振法測量混凝土的彈性模量;1949 年加拿大的萊斯利（Leslie）和奇斯曼（Cheesman） 、英國的瓊斯（R. Jones） 等運(yùn)用超聲脈沖法獲得成功,這些研究為混凝土無損檢測技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。隨后,許多國家也相繼開展了這方面的研究,并取得了豐碩的研究成果,從而形成了一個(gè)較為完整的混凝土無損檢測體系。橋梁無損檢測技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的,并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了快速發(fā)展。
20 世紀(jì)80 年代以來,這方面的研究工作方興未艾,尤其值得注意的是,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無損檢測技術(shù)突破了原有的范疇,出現(xiàn)了許多新的測試方法,例如微波吸收、雷達(dá)掃描、紅外熱譜以及脈沖回波等新技術(shù)。 隨著無損檢測技術(shù)的日臻成熟,許多國家開始了這類檢測方法的標(biāo)準(zhǔn)工作,如美國的ASTM、英國的BSI 均頒布了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),這些工作對(duì)無損檢測技術(shù)的工程應(yīng)用起到了良好的促進(jìn)作用。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。
3 橋梁無損檢測技術(shù)的內(nèi)涵
已越來越依賴于儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測為手段。作為一種檢測技術(shù),無損檢測主要用于結(jié)構(gòu)安全直接有關(guān)的宏觀力學(xué)性能及宏觀缺陷的測試方面,在橋梁工程中的應(yīng)用,主要與下面幾個(gè)方面息息相關(guān): ①橋梁自身材料和結(jié)構(gòu)方面的特性; ②合理選取反映橋梁整體或局部的某些性能的物理量,并確定相互之間的函數(shù)關(guān)系; ③檢測方法的改進(jìn)和檢測儀器的更新。無損檢測技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用十分廣泛,總體上可以概括為基于整體的結(jié)構(gòu)狀況識(shí)別和基于局部的構(gòu)件損傷識(shí)別。橋梁是一個(gè)由多種材料,不同結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng),系統(tǒng)各個(gè)成分的重要性、應(yīng)力狀態(tài)、易損性不一,剛度、動(dòng)力特性也相差甚遠(yuǎn),所以造成橋梁檢測的范圍十分廣泛、復(fù)雜,如何對(duì)如此眾多 的檢測項(xiàng)目進(jìn)行合理分類,是值得研究的問題。對(duì)此,一些學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量有益的研究和探索,提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次分析法等作為分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討。識(shí)別橋梁的損傷,我們應(yīng)該關(guān)注的是對(duì)結(jié)構(gòu)功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的那些損傷,從這一意義出發(fā),將橋梁的 損傷歸結(jié)為材料損傷和結(jié)構(gòu)受力損傷兩大主要的損傷形式是合適的。鋼筋和混凝土是目前橋梁工程中最主要的兩種結(jié)構(gòu)材料,橋梁的工作性質(zhì)和受力狀況決定了橋梁的損傷形成和發(fā)展,反映到材料方面則主要表現(xiàn)為疲勞損傷和鋼筋銹蝕?；炷潦且环N多相復(fù)合材料,內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 混凝土構(gòu)件在投入使用前,其內(nèi)部就已經(jīng)有微裂縫存在,主要是由于混凝土凝結(jié)和硬化過程中水泥的干縮而引起的。對(duì)鋼筋而言,使用前同樣存在缺陷,由于冶煉時(shí)雜質(zhì)的存在,不僅在微觀上破壞鋼材的連續(xù)性,而且在一定條件下會(huì)成為導(dǎo)致鋼材銹蝕的陽極,是鋼材產(chǎn)生電化腐蝕的直接根源。另外,混凝土梁的主筋有時(shí)是由幾根鋼筋焊接而成,這也會(huì)制造出有利于損傷產(chǎn)生和發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié),如焊縫中的微裂縫、焊接過程中的殘余應(yīng)力等。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí),這些部位 將導(dǎo)致應(yīng)力集中而首先出現(xiàn)破壞,是橋梁損傷產(chǎn)生的根源。
從結(jié)構(gòu)受力的角度分析,橋梁投入使用后,要經(jīng)歷使用荷載、超常荷載、偶發(fā)荷載（如颶風(fēng)、地震等） 的作用,特別是豎向荷載的重復(fù)作用,還會(huì)經(jīng)受各種環(huán)境因 素,如日照、溫差、凍融循環(huán)、風(fēng)霜雨雪等,將會(huì)導(dǎo)致橋梁構(gòu)件的抗力退化,特別是疲勞退化和主筋腐蝕引起的強(qiáng)度退化,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力損傷,形成裂縫。由于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降及構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失所引起的應(yīng) 力重分布,結(jié)構(gòu)環(huán)境中不確定性因素的影響等原因,使 損傷機(jī)理的分析日益多元化、微元化。特別是近年來,隨著人們對(duì)大型懸掛體系結(jié)構(gòu)中風(fēng)致振動(dòng)、溫度應(yīng)力 等因素的日益關(guān)注,更是加劇了這一趨勢的發(fā)展。
4 橋梁無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與最
新動(dòng)態(tài)無損檢測技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用,經(jīng)歷了相當(dāng) 長的一段時(shí)期,雖然橋梁結(jié)構(gòu)的安全性問題日益突出,但先進(jìn)無損檢測技術(shù)的應(yīng)用并未受到應(yīng)有的重視。一些經(jīng)常性的橋梁檢測項(xiàng)目依然沿用橋梁常規(guī)檢測中的基本技術(shù)。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)也只是作為外觀檢測中的補(bǔ)充手段,而且,幾乎未用什么先進(jìn)的無損檢測技術(shù)。歷史上曾用于土木結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)不外乎以下幾種:渦流儀、磁試驗(yàn)、透入試驗(yàn)、X 射線試驗(yàn)和超聲波試驗(yàn)。
4. 1 無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀
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)場目檢,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。觀察法是橋梁檢測中最古老的方法,主要依賴于專家的感性和定性的經(jīng)驗(yàn)分析,常會(huì)因?yàn)閷＜业闹饔^意愿而有失客觀,不能 完全正確評(píng)判結(jié)構(gòu)的損傷狀況。靜載試驗(yàn)是一種經(jīng)常被采用的橋梁檢測方法,由試驗(yàn)測得的撓度和應(yīng)變,輔以檢測人員的現(xiàn)場目測,來綜合評(píng)判橋梁的現(xiàn)時(shí)狀況。裂紋的探測是橋梁檢測中一個(gè)重要的方面,常用的方法有:液體滲透、磁分子、渦流儀、超聲波和聲發(fā)射等。探測鋼橋體積缺陷一般用X 射線攝像法,檢測混凝土橋的總體技術(shù)是荷載試驗(yàn)和模態(tài)分析,其局部檢測技術(shù)有超聲波、沖擊反射、磁電阻抗、銹蝕勢能、遠(yuǎn)紅外熱像、地面滲透雷達(dá)、X 射線攝像和聲發(fā)射等。
4. 2 無損檢測技術(shù)的最新發(fā)展
近年來,致力于橋梁檢測,研究人員提出了許多成功的方法對(duì)橋梁進(jìn)行非破壞性評(píng)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。基于振動(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(duì)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(duì)單元損傷的識(shí)別和有效定位。
最近,美國聯(lián)邦公路總署對(duì)公路橋梁無損檢測技術(shù)提出了一個(gè)比較大的研究與開發(fā)計(jì)劃,涉及到許多新技術(shù)和研究課題。已經(jīng)啟動(dòng)的研究項(xiàng)目有:
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)（利用兩種不同的紅外波長同時(shí)觀測橋面板,檢測裸露混凝土和瀝青覆蓋的混凝土中的剝落） 、地面滲透雷達(dá)（采用脈沖雷達(dá)、人工光柵技術(shù)、先進(jìn)的信號(hào)處理與成像方法,在橋梁車道中以交通速度運(yùn)行、成像并提供橋面板內(nèi)部的二維和三維圖像） 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、用精確的差分式全球定位系統(tǒng)（GPS） 測量橋梁變形、用TRIP 鋼（這種鋼具有特殊的化學(xué)成分,其在晶體結(jié)構(gòu)中經(jīng)受與應(yīng)變峰值成比例的恒定變化,其從非磁性變化為磁性） 傳感器對(duì)橋梁超載進(jìn)行測量和監(jiān)測等。
3） 先進(jìn)的疲勞裂紋探測和評(píng)估磁鐵,包括檢測橋
梁裂紋用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。
4） 先進(jìn)的銹蝕探測和評(píng)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—反射系統(tǒng)、埋入式銹 蝕微傳感器及以磁為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)。5） 用強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)法定量評(píng)估橋梁下部結(jié)構(gòu)、用激光振動(dòng)計(jì)測量斜拉索索力及量化的無損檢測方法。此外,該研究計(jì)劃還包括許多探索性研究,如聲發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)性研究,磁力控制傳感器的研究,光纖和其他微傳感器的研究,用微波技術(shù)對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行探測和定量分析的研究等等。這些研究工作必將為橋梁無損檢測技術(shù)開拓新的發(fā)展空間,推動(dòng)無損檢測技術(shù)的飛躍。
5 無損檢測技術(shù)的展望
無損檢測技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶。無損檢測技術(shù)促進(jìn)了工業(yè)以致整個(gè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,從某種意義上講,無損檢測技術(shù)水平可
以作為衡量一個(gè)國家工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度,以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平高低的標(biāo)志之一。
5. 1 無損檢測技術(shù)的理論研究探索
無損檢測方法必須建立在被檢測的某些性能與適當(dāng)?shù)奈锢砹恐g相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上。一般采用兩種方法,一是建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)之上的歸納法,即是用回歸分析方法確定檢測性能與要評(píng)價(jià)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。這種方法不僅工作量巨大,受限制的客觀因素多,而且常有一定的主觀盲目性,主要用于無損檢測技術(shù)的初期的理論研究。另一種是以基礎(chǔ)科學(xué)的基本原理為依據(jù)的演繹法,以要評(píng)價(jià)量與物理量之間的理論聯(lián)系為基礎(chǔ)進(jìn)行邏輯推理,從理論上確定其間的相互關(guān)系,然后再作適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)驗(yàn)證。這種方法已經(jīng)被認(rèn)為是無損檢測技術(shù)理論研究方向極具前途的方向,我們應(yīng)該給予高度的重視。另外,由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,學(xué)科交叉的現(xiàn)象日益普遍,特別是將一些高新技術(shù)的最新研究成果應(yīng)用于無損檢測技術(shù)的研究,必將推動(dòng)該技術(shù)的飛速發(fā)展,這也是值得我們關(guān)注的一個(gè)方向。
總之,無損檢測技術(shù)是多學(xué)科綜合的一門應(yīng)用技術(shù),是建立在基礎(chǔ)學(xué)科的基礎(chǔ)之上的,只有從基礎(chǔ)理論中不斷吸收養(yǎng)分,才能不斷完善和發(fā)展。無損檢測技 術(shù)的研究,應(yīng)善于把基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐結(jié)合起來,建 立起理論研究與工程應(yīng)用聯(lián)系的橋梁,完善現(xiàn)有的方法和開辟新的途徑。
5. 2 無損檢測技術(shù)的工程應(yīng)用探索
無損檢測技術(shù)的工程應(yīng)用取決于現(xiàn)有檢測手段和檢測儀器的更新。近年來,在對(duì)原有檢測方法進(jìn)一步完善的同時(shí),又出現(xiàn)了綜合法,許多學(xué)者認(rèn)為,綜合法 可以從不同的檢測參數(shù)中獲取較多的信息,并可清除部分不利因素的影響,因而誤差較小,是今后檢測強(qiáng)度方法的主要研究方向。對(duì)于缺陷檢測技術(shù),大多是以波動(dòng)傳播為基礎(chǔ)。 波形接收信號(hào)分析技術(shù)和脈沖回波技術(shù)的發(fā)展是無損 檢測技術(shù)值得注意的方向,已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的方法,如雷達(dá)波、紅外熱譜、激光、超聲波等方式。一般認(rèn)為, 這類依靠遠(yuǎn)程（非接觸） 輻射傳遞信息的高速檢測技 術(shù),在工程應(yīng)用中是一個(gè)極具前途的研究方向。 隨著測試方法和電子技術(shù)的發(fā)展,無損檢測儀器也發(fā)展到一個(gè)新的水平。近年來,高靈敏傳感系統(tǒng)（如 紅外、微波、射線等系統(tǒng)） 的不斷出現(xiàn),使無損檢測技術(shù) 的傳感系統(tǒng)向多元化、智能化的方向發(fā)展,使檢測儀器 向?qū)Ｓ没⑿⌒突?、一體化、集約化的方向發(fā)展。檢測 儀器的研究是無損檢測技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),如何將電子技術(shù)與檢測技術(shù)緊密結(jié)合起來,也是值得我們關(guān)注的問題。
6結(jié)語
大型橋梁結(jié)構(gòu)安全性問題的日益突出,為無損檢測技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求,無損檢測技術(shù)應(yīng)著眼于未來,作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來規(guī)劃。應(yīng)該將無損檢測納入新橋設(shè)計(jì)的一部分,著眼于開發(fā)廉價(jià)、快速的橋梁自檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)應(yīng)該包括多模式多路傳感器,特 別是光纖傳感器,能夠不受人為因素干擾定量給出裂 紋（縫） 的信息,把檢測的靈敏度和服務(wù)中斷與實(shí)際接收、臨界預(yù)警等聯(lián)系起來,利用無線遙測技術(shù),既能記 錄局域數(shù)據(jù)并連續(xù)傳送數(shù)據(jù),又能同時(shí)運(yùn)用無線技術(shù) 把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心去。可以預(yù)見,現(xiàn)代傳感技術(shù) 和無線遙測技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用將為橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出杰出 的無損自檢測系統(tǒng),最終使無損檢測技術(shù)融入橋梁健 康監(jiān)測系統(tǒng)之中,使之與現(xiàn)代意義上的橋梁管理系統(tǒng) （BMS） 、智能監(jiān)測與評(píng)估系統(tǒng)有機(jī)的統(tǒng)一起來。
