現(xiàn)代橋梁檢測技術(shù)發(fā)展追蹤
2011-09-09 來源：中國百科網(wǎng)
對(duì)已建橋梁進(jìn)行檢測的技術(shù)主要包括兩個(gè)內(nèi)容，即橋梁檢查和荷載試驗(yàn)評(píng)定。
橋梁檢查是進(jìn)行橋梁養(yǎng)護(hù)、維修與加固的前期工作，是決定維修與加固方案可行和正確與否的可靠基礎(chǔ)。其目的在于：通過對(duì)橋梁的技術(shù)狀況、缺陷和損傷進(jìn)行全面、細(xì)致、深入地現(xiàn)場檢查，查明缺陷或潛在缺陷和損傷的性質(zhì)、所在部位、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢，分析產(chǎn)生缺陷、發(fā)生損傷的原因，以便正確評(píng)價(jià)缺陷和損傷對(duì)橋梁質(zhì)量及承載能力產(chǎn)生的影響，并為橋梁加固和改造技術(shù)提供具體技術(shù)資料。與此同時(shí)，還能隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況和安全狀態(tài)，總結(jié)設(shè)計(jì)、施工、使用和維修的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，指導(dǎo)對(duì)橋梁的正確使用、管理和維修。
橋梁檢查一般根據(jù)方法的不同可分為直接接觸式檢查和不接觸的檢查兩種。前者就是對(duì)結(jié)構(gòu)損壞部位進(jìn)行接觸量測、標(biāo)記、安設(shè)檢測儀器的檢查。后者則是在視野所及的范圍內(nèi)憑目力（或望遠(yuǎn)鏡）眺望掃視。
根據(jù)檢查重要程度的不同以及時(shí)間間隔的長短，橋梁檢查工作又可分為和定期檢查。一般檢查也叫經(jīng)常性的檢查，可每個(gè)月或幾個(gè)月一次，屬于一般性的巡視檢查，在我國通常由養(yǎng)護(hù)道班來完成。定期檢查也叫詳細(xì)檢查，可幾年一次（一至三年），或周期更長一些（五至七年）一次。定期檢查要較為詳細(xì)地檢查橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的使用狀況，必須采取接觸檢查，且需要?jiǎng)佑锰厥獾臋C(jī)械設(shè)備與測量儀器。還有一種特殊檢查是指在特殊情況，如：暴雨、洪水、地震等災(zāi)害發(fā)生之后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行的檢查。
對(duì)于橋梁的管理、評(píng)估或修復(fù)計(jì)劃來說，“一般檢查”所收集的信息太概括、太主觀、太定性，因它多是通過表觀檢查，以及一些有限的機(jī)械方法如聽錘敲的聲音所得到的，而且它難以發(fā)現(xiàn)不可見的老化、損壞和危險(xiǎn)情況。但要頻繁實(shí)施詳細(xì)的“定期檢查”也是不現(xiàn)實(shí)的。另外，通過檢查發(fā)現(xiàn)損傷后，要進(jìn)一步判斷是否需要修補(bǔ)，還應(yīng)進(jìn)一步觀察損傷的進(jìn)展?fàn)顩r；而且進(jìn)行補(bǔ)修后，為確認(rèn)其補(bǔ)修效果，也必須對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)繼續(xù)監(jiān)測。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行“長期跟蹤監(jiān)測”, 以便獲取綜合的、定量的檢測信息，已成為橋梁工程界提高通行質(zhì)量、進(jìn)行資產(chǎn)管理、對(duì)實(shí)際橋梁壽命周期的分析或制定橋梁性能方面的規(guī)范等方面的迫切需要。
1.雷達(dá)與紅外熱象儀檢測技術(shù)
用于預(yù)測橋面病害的一般方法是：測量氯化物含量和電勢，并進(jìn)行肉眼觀測，這樣既費(fèi)時(shí)又妨礙交通。更糟的是它不能就瀝青橋面鋪裝的整個(gè)病害情況提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。因只把注意力集中在由于腐蝕而導(dǎo)致的頂面鋼筋保護(hù)層的層裂上，而忽視了由于凍/融循環(huán)造成的瀝青鋪裝層下的混凝土裂崩的檢測。
使用雷達(dá)、紅外熱象儀、激光光學(xué)、超聲波和其它一些心得技術(shù)手段可在僅僅一天之內(nèi)就能準(zhǔn)確地測量成百上千公里路面或幾十座橋的橋面。
“紅外熱象儀”是利用一臺(tái)紅外攝像機(jī)來產(chǎn)生一幅橋面溫度圖的。這種溫度圖象揭示了在陽光照射下混凝土裂層之上哪個(gè)的橋面“熱點(diǎn)”.這種溫度較高的“熱點(diǎn)”是由于薄的充滿空氣的裂層就象絕熱體一樣，使得其上的混凝土的溫度上升得更快些而形成的。“雷達(dá)”的工作原理是發(fā)射短促的電磁脈沖，然后由這些電磁脈沖形成的電磁波可被混凝土中的各種異質(zhì)界面反射回來而產(chǎn)生回波。雷達(dá)回波的交替變化之波形和混凝土發(fā)生病害及出現(xiàn)層裂后狀況有密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系（但解釋判讀困難）。將雷達(dá)檢測混凝土的凍/融裂崩和高含水量以及紅外熱象儀在干燥情況下檢測混凝土層裂這兩種方法結(jié)合起來就可以創(chuàng)造一種有效地檢測大多數(shù)病害類型的檢測方法。
2.光纖傳感器監(jiān)測技術(shù)
一般用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的傳統(tǒng)傳感器，其測量能力只局限于逐點(diǎn)檢測，當(dāng)臨界斷面檢測得不準(zhǔn)確時(shí)，其結(jié)果就會(huì)很不理想。當(dāng)需要對(duì)大型結(jié)構(gòu)如橋梁的狀況進(jìn)行評(píng)估時(shí)，傳感器具有的大面積檢測的能力就顯得最為重要。任何監(jiān)測系統(tǒng)都必須具備在較長時(shí)期內(nèi)提供可靠、精確和長期的檢測結(jié)果，這樣才能保證結(jié)構(gòu)處于高度的安全狀態(tài)。 安裝了這種監(jiān)測系統(tǒng)后，任何結(jié)構(gòu)存在的問題都可以較早地被發(fā)現(xiàn)，以便采取必要的修復(fù)措施，從而保證結(jié)構(gòu)使用的連續(xù)安全性，使結(jié)構(gòu)的性能得到最佳管理，并減少使用費(fèi)用。
光纖傳感器是運(yùn)用了光纖的兩個(gè)特性來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量的。
2.1 股絞光纖傳感器
運(yùn)用光纖的 第一個(gè)特性：光損矢量的測量，這是因?yàn)槔w維某些局部產(chǎn)生微上彎曲后所造成的。通過比較傳感器在拉緊和放松狀態(tài)下其出射光的密度，就可確定入射光在整個(gè)傳感器中所發(fā)生的變化。這種傳感器被稱為“股絞光纖傳感器”.
光損法（LAM）可以測量出整個(gè)傳感器上任何位置的動(dòng)態(tài)狀況，其精度為±0.02mm,長達(dá)30m的單個(gè)傳感器都可達(dá)這一精度。但卻無法提供傳感器內(nèi)部的應(yīng)變分布情況，即哪些部位正產(chǎn)生變形。而使用光時(shí)反射計(jì)設(shè)備（OTDR）就可達(dá)到要求，該設(shè)備將光脈沖（毫微秒長）傳入傳感器，然后測出光從變細(xì)（形）位置處反射后的傳輸時(shí)間，光脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的這些反射使變形位置得以確定。其誤差為±0.75m,從而提供了整個(gè)傳感器長度內(nèi)的主要變形情況。
2.2 改型股絞光纖傳感器的應(yīng)用
股絞光纖傳感器（SOFS）可以較容易地改型，使能適于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的長期性能。
該SOFS以節(jié)點(diǎn)式附在結(jié)構(gòu)上，讓它來確定傳感器中變形分布情況?？芍苯佑铆h(huán)氧樹脂將節(jié)點(diǎn)附著混凝土表面，或被固定在擰緊和粘結(jié)在結(jié)構(gòu)物的薄板上。節(jié)點(diǎn)可設(shè)計(jì)成移動(dòng)式的，以便在最后調(diào)試階段根據(jù)需要可以重新校準(zhǔn)傳感器。在每個(gè)傳感器的末端可直接用一個(gè)盒子連接并固定或粘結(jié)在結(jié)構(gòu)物薄板上，這種盒子用于傳感器之間的連接（這種傳感器具有3根纖維）。延長的光纖可傳輸光往返于數(shù)據(jù)記錄儀，這些傳感器本身也被裝入一根起保護(hù)作用的硅管中，這樣，整個(gè)傳感器系統(tǒng)被固定在管道中，然后再將該管附著在結(jié)構(gòu)物的表面，或固定在在結(jié)構(gòu)物表面上的線道或鑲鑄的槽中，再用適當(dāng)?shù)男蘩砘覞{進(jìn)行覆蓋。
股絞光纖傳感器具有很低的熱脹率，與不脹鋼類似。通過監(jiān)測相關(guān)的溫度斷面即可得知混凝土中高溫運(yùn)動(dòng)的情況并給予調(diào)整。因而掌握了結(jié)構(gòu)性能的最新需求情況，監(jiān)測結(jié)果提供了與非高溫下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)及荷載條件相關(guān)方面的信息。
2.3 多層反射傳感器（MRS）
運(yùn)用光纖的第二個(gè)特性就是利用光沿傳感器到達(dá)部分反射竟，再反射回光源處的傳輸時(shí)間。OTDR設(shè)備也可用于測量，但是，MRS可獲得更理想的精度。沿傳感器長度方向安置了許多反射鏡，每個(gè)反射鏡的位置都可以確定。這些反射鏡位置的測量精度在±0.15mm內(nèi)，無論是長期測量或是短期測量，這一精度是不變的。通過用這些傳感器來替換由7根鋼索組成的預(yù)應(yīng)力股絞的中心鋼索可以監(jiān)測到股絞中的應(yīng)變分布：這種股絞被稱作“智能股絞”.結(jié)構(gòu)受力部位由于其本身已安置有測量設(shè)備，因而使得鋼筋束（股絞是其中一個(gè)重要組成部分）能在整個(gè)使用期內(nèi)和其整個(gè)長度上得到監(jiān)測。對(duì)于多層反射傳感器的長度是沒有限制的，這種傳感器唯一受限制是反射鏡的數(shù)目，最多為30個(gè)。
利用光損法（LAM）和光傳輸時(shí)間的原理可以制成許多傳感器--如裂縫寬度傳感器和光能轉(zhuǎn)換器。
3.無線電檢測與評(píng)估系統(tǒng)
對(duì)于年代較早的鋼橋（舊鋼橋）來說，“疲勞破壞”是一個(gè)大問題。因此，隨時(shí)監(jiān)測（測量）并描述橋梁所承受（發(fā)生）的隨機(jī)振幅變化、周期性壓力變化是（非常必須的）必不可少的。目前的檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以有助于控制鋼橋疲勞破壞的階段。例如，美國聯(lián)邦公路局開發(fā)的無線電橋梁檢測和評(píng)估系統(tǒng)，是一個(gè)便攜的、電池供電、使用無線電遙控技術(shù)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。它非常像一個(gè)數(shù)字式多分支的電話網(wǎng)絡(luò)，用以收集數(shù)據(jù)并傳遞到一個(gè)筆記本電腦上。這種特殊的無線電網(wǎng)絡(luò)對(duì)靜電和障礙物是“免疫”的（靜電和障礙物對(duì)這種特殊的無線電網(wǎng)絡(luò)沒有影響）。除了收集數(shù)據(jù)之外，每個(gè)模塊充當(dāng)了地區(qū)無線電網(wǎng)絡(luò)中無線電波上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。這對(duì)于鋼橋是十分重要的，鋼橋在長度上往往大于1.6公里，而較長的橋上往往有大量的電磁干擾和復(fù)合反射，用這種技術(shù)可以迅速地測量出一座鋼橋上每個(gè)有疲勞傾向的部位、破損（危險(xiǎn)）的部位，或者探測出橋梁在車載和風(fēng)載作用下的工作狀況。
無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以定量的確定有疲勞傾向部位的疲勞荷載方式，但是它不能確定疲勞裂縫是否在此荷載作用下的生長。就象反復(fù)彎曲一根金屬絲可以讓它斷開一樣，反復(fù)的周期性的疲勞荷載可以導(dǎo)致鋼橋結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）出現(xiàn)裂縫。這些裂縫不會(huì)連續(xù)“生長”,而是以很細(xì)微的程度在擴(kuò)大。裂縫的擴(kuò)大在（結(jié)構(gòu)）構(gòu)件表面（層）會(huì)伴隨著能量的釋放，產(chǎn)生出應(yīng)力波。利用專門根據(jù)上述原理改造的感測器，就可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波。
聲發(fā)射檢測（AE）方法已經(jīng)在能源和加工工業(yè)中使用了很久。盡管如此，AE儀器，在過去還是不適于長期監(jiān)測公路橋梁的疲勞裂縫。大多數(shù)橋梁上缺少電源，儀器接近橋梁的每個(gè)地方也有困難，非常大的路面噪音以及最重要的原因--橋上的任意荷載中的極大荷載會(huì)使裂縫伸長，都會(huì)影響AE在橋上的工作。但是，最近一種由電池供電、有8個(gè)頻道、用于檢測橋梁的AE已經(jīng)開發(fā)出來，并且正在美國聯(lián)邦公路局的非破壞評(píng)估論證中心進(jìn)行測試和評(píng)估。這個(gè)系統(tǒng)可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)調(diào)制解調(diào)器和無線電網(wǎng)絡(luò)傳送信息。
雖然上述兩個(gè)系統(tǒng)非常的好用，但它們造價(jià)十分昂貴，而且由于是電池供電使它們只能進(jìn)行短期監(jiān)測。為此，一種全無（電）源的、便宜的感應(yīng)器開發(fā)出來，滿足了測量橋梁疲勞的長期需要。這種感應(yīng)器貼在橋上并且與橋梁一起承受應(yīng)變。它由一個(gè)特殊的應(yīng)變增幅裝置和兩個(gè)預(yù)先裂開的樣片合成一個(gè)整體去測量裂縫長度。樣片由兩個(gè)開裂增長長度不同的材料組成。這些“人造疲勞裂縫”隨橋上因隨機(jī)振幅而改變的應(yīng)變而產(chǎn)生變化（反應(yīng)）。通過一個(gè)特殊的雷達(dá)測量兩個(gè)樣片的裂縫長度，可以得到預(yù)先確定的應(yīng)力范圍內(nèi)的有效周期值。這個(gè)感應(yīng)器就像一個(gè)疲勞程度的里程表。
4.感應(yīng)檢測技術(shù)
公路橋梁的感應(yīng)檢測技術(shù)的應(yīng)用是廣泛的。在華盛頓特區(qū)，Whitehurst高速公路上的一座立交橋的翼墻因較大的靜水壓力而產(chǎn)生了位移。對(duì)此，有關(guān)方面已經(jīng)采取了補(bǔ)救措施。業(yè)主還希望能設(shè)法監(jiān)測到翼墻相對(duì)于橋臺(tái)的位移?？紤]到周圍的環(huán)境對(duì)技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)的部位，因此需要一種可靠而且便宜的感應(yīng)器。在幾周的時(shí)間內(nèi)，非破壞性評(píng)估驗(yàn)證中心構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造并安裝了一種便宜的位移感應(yīng)器。這個(gè)感應(yīng)器由一個(gè)扁平的鋁板粘到混凝土上并且相距鋁板有很短一段距離設(shè)置了一個(gè)小的印刷電路板線圈。線圈和鋁板形成感應(yīng)的振蕩器部分。振蕩器的頻率隨鋁板與線圈之間距離的改變而改變，百分之一英寸的距離都可以檢測出來。感應(yīng)器是溫度補(bǔ)償型的。對(duì)翼墻的監(jiān)測已經(jīng)進(jìn)行兩年多了，十分有效。
當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁中的高強(qiáng)鋼筋由于銹蝕斷裂時(shí)，會(huì)釋放出突然且巨大的能量，其產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)在建筑物中向外傳播。因此，根據(jù)這一原理，利用象加速計(jì)一類的感應(yīng)器是可以探測到鋼筋的斷裂狀況。通過分析信號(hào)到達(dá)的次數(shù)，可以確定出斷裂發(fā)生狀況，而且可以確定斷裂發(fā)生的位置。這種方法很象利用地震儀的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確定地震發(fā)生的位置和地震的強(qiáng)度。這樣的系統(tǒng)目前已經(jīng)可以買到，并且已經(jīng)開始在橋上使用了。
探測到鋼筋的斷裂狀況，無疑是非常有用的。而在破壞發(fā)生前，探測出并確定銹蝕程度的技術(shù)更有用。一種新型埋入式銹蝕感應(yīng)器已經(jīng)在美國聯(lián)邦公路局的參與下開發(fā)出來了。這種感應(yīng)器可以澆筑在混凝土中，在混凝土中測量鋼筋銹蝕的比率、混凝土的導(dǎo)電率、氯離子濃度等。這種感應(yīng)器很小并最終由無線電頻率來加強(qiáng)。系統(tǒng)可以根據(jù)需要來定做電路，使其小型化。可以按需要將幾百或幾千個(gè)這樣的感應(yīng)器埋置在橋內(nèi)，在（大規(guī)模）大的損害發(fā)生前提供銹蝕的定量性信息。
目前橋梁的維修自動(dòng)化需要的基本信息，被當(dāng)作美國基礎(chǔ)研究和開發(fā)的重點(diǎn)，這必須由感應(yīng)和測量的高科技技術(shù)來提供。
5.其他新技術(shù)
在世界上許多地方，對(duì)整座橋梁狀況的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到在大型結(jié)構(gòu)物上安裝系列大規(guī)模的監(jiān)測系統(tǒng)。例如，橫跨特拉華連接賓夕法尼亞和新澤西的巴里橋上就已經(jīng)安裝并運(yùn)行著這樣的一個(gè)系統(tǒng)。然而，盡管這種方法很有前途，但這種技術(shù)的全部潛在可能尚沒有被完全發(fā)現(xiàn)或肯定，并且其重要的部分仍處于研究階段。這種系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞出的大量數(shù)據(jù)信息，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行收集、儲(chǔ)存、分析、檢索等，然后提供檢測信息。事實(shí)已經(jīng)證明，該系統(tǒng)所提供的信息是非常有用的。例如，這些系統(tǒng)檢測到了未曾預(yù)料到的受彎構(gòu)件由于暴露在陽光下，所受光照輻射程度不同而產(chǎn)生的彎起，并且確定了彎起量的大小。
此外，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的“非侵入式”檢測也是橋梁工程界的迫切需求。通常，一座橋梁如果不符合標(biāo)準(zhǔn)承載要求，說明該橋有某種結(jié)構(gòu)上的缺陷。美國聯(lián)邦公路局為此將激光檢測系統(tǒng)用于檢測橋梁的承載能力。這套系統(tǒng)由一個(gè)電腦控制的反射器將紅外線的激光束（該激光束不會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生危險(xiǎn)）瞄準(zhǔn)橋梁上的（監(jiān)測）某點(diǎn)。當(dāng)激光檢測到橋梁結(jié)構(gòu)上的某個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)就會(huì)馬上給出該點(diǎn)相對(duì)于當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)的三維坐標(biāo)。僅幾分鐘的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可以測量橋結(jié)構(gòu)上不同的點(diǎn)幾百次。它對(duì)目標(biāo)沒有特別的規(guī)定，在普通鋼材、混凝土和木材表面上都可以很好的工作。用這個(gè)系統(tǒng)可以迅速地測量大型卡車作用在橋上使其產(chǎn)生的三維變形。這個(gè)系統(tǒng)還可以用于迅速確定橋上每一部分對(duì)應(yīng)先前（上次）檢查的（變位）位移情況，結(jié)果可以精確到毫米。該系統(tǒng)還能探測到沉降或預(yù)應(yīng)力損失。
另一項(xiàng)新技術(shù)是“智能橋梁支座”,通過它人們可以收集到許多必不可少的橋梁工作信息。我們知道某個(gè)支座失效和由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)中的巨大應(yīng)力變化，是橋梁毀壞的一個(gè)很普遍的因素。智能支座能通過支座上的活載和恒載的分布發(fā)現(xiàn)并判斷出橋梁結(jié)構(gòu)體系的工作狀況。因?yàn)槿绻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度由于遭受斷裂、沖擊或其他影響而有明顯變化時(shí)，也會(huì)使支座上的荷載分布發(fā)生改變。智能支座可以“感受到”橋梁的破壞。這種技術(shù)是復(fù)雜的，但其概念是簡單的。支座的“智慧”由多個(gè)縱向的光學(xué)纖維感應(yīng)器提供，它們能測量垂直應(yīng)變和剪力，并且被綜合到一塊控制板上。專門的控制板轉(zhuǎn)而被組合到支座上，控制板通常壓成薄片，再將薄片置于常用于公路橋梁的氯丁橡膠支座墊層之間，通過它還可以測量從橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的豎向和橫向壓力。
6 結(jié)語
隨著道路交通建設(shè)的發(fā)展，以及橋梁使用年齡的增長，結(jié)構(gòu)老化的數(shù)量越來越多。舊橋梁結(jié)構(gòu)的維修和改造都需要事先對(duì)結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行監(jiān)測、檢測與評(píng)價(jià)。雖然目前已有不少可以應(yīng)用的檢測評(píng)價(jià)方法，但有些技術(shù)仍需進(jìn)一步完善才能達(dá)到普遍應(yīng)用的階段。特別是為隨時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，確保其長期使用性能，必須使用永久的監(jiān)測設(shè)備。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測與診斷技術(shù)目前變得越來越重要了。橋梁檢測工作者們還需繼續(xù)努力，研究與開發(fā)出更加實(shí)用方便的橋梁檢測技術(shù)與監(jiān)測設(shè)備。
