淺析無損檢測(cè)技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用與發(fā)展
2015-09-07
1 橋梁無損檢測(cè)應(yīng)用概述
無損檢測(cè)技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用,經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期。在較長(zhǎng)的一段時(shí)間里雖然橋梁結(jié)構(gòu)的安全性問題日益突出,但先進(jìn)的無損檢測(cè)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(cè)項(xiàng)目依然沿用橋梁常規(guī)檢測(cè)的基本技術(shù),傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)也只能作為外觀檢測(cè)中的補(bǔ)充手段,而且,很少應(yīng)用先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)。近年來,一些致力于橋梁檢測(cè)的研究人員提出了許多成功的方法對(duì)橋梁進(jìn)行損傷診斷評(píng)估,既有半損傷式的識(shí)別方法,也有無損檢測(cè)技術(shù)。其中較為成熟的無損檢測(cè)方法有聲發(fā)射技術(shù)(AE) 、機(jī)敏混凝土檢測(cè)以及動(dòng)力測(cè)試等,這些檢測(cè)方法已經(jīng)在橋梁檢測(cè)中得到了較好的檢驗(yàn)。
2 橋梁無損檢測(cè)的主要方法
2. 1機(jī)敏混凝土測(cè)試方法
機(jī)敏混凝土是指在混凝土中摻入短切碳纖維或納米粒子,從而使混凝土同時(shí)具有壓敏特性和良好的力學(xué)性能。機(jī)敏混凝土的壓敏特性是指機(jī)敏混凝土電阻隨壓應(yīng)變或壓應(yīng)力變化而變化的特性,通過測(cè)量機(jī)敏混凝土的電阻變化,就可預(yù)測(cè)混凝土的應(yīng)變或應(yīng)力。利用機(jī)敏混凝土的壓敏特性,可以發(fā)展機(jī)敏混凝土應(yīng)力- 應(yīng)變傳感器。機(jī)敏混凝土具有較高的強(qiáng)度和較大的變形能力,因此,機(jī)敏混凝土既可以作為傳感器埋在混凝土橋梁和隧道結(jié)構(gòu)中,監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),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。機(jī)敏混凝土具有自感知、自適應(yīng)以及自修復(fù)等3個(gè)特性,不過目前橋梁工程中智能混凝土的實(shí)際研究還主要以自感知以及自適應(yīng)的為主,對(duì)于結(jié)構(gòu)的修復(fù)特點(diǎn)將是以后研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前機(jī)敏混凝土在實(shí)際橋梁中商業(yè)應(yīng)用較少,主要以科研為主。
2. 2聲發(fā)射方法技術(shù)(AE)
材料在外加荷載等因素作用下,由于能量從局部源快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射( acoustic emission ,簡(jiǎn)稱AE)。利用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(cè)( acoustic emission testing ,簡(jiǎn)稱AET)技術(shù)。
AE技術(shù)作為無損檢測(cè)的一種手段,其主要目的是: ①確定聲發(fā)射源的部位; ②分析聲發(fā)射源的性質(zhì); ③確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或荷載大小; ④按照有關(guān)的聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。
AET技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括: ①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,與缺陷尺寸無關(guān)。②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。例如,聲發(fā)射法能在工作條件下檢測(cè)出零點(diǎn)幾毫米數(shù)量級(jí)的裂紋增量,而傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法則無法實(shí)現(xiàn)。③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)(如橋機(jī)梁、高架門) ,這種優(yōu)越性更明顯。④能進(jìn)行不同工藝過程和材料性能及狀態(tài)變化過程的檢測(cè)。⑤AET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)則無關(guān)緊要,因此AET技術(shù)的使用范圍較寬。⑥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。同時(shí),AET技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)和不足,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)無損檢測(cè)方法(如超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等)進(jìn)行局部復(fù)檢,以綜合判定其有沒有危險(xiǎn),是否允許存在。AET技術(shù)主要適用于材料性能的研究、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)構(gòu)件工作過程的變形、疲勞、失穩(wěn)等危險(xiǎn)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),它是一種動(dòng)態(tài)的無損檢測(cè)方法,可以實(shí)時(shí)反映狀態(tài)或缺陷的動(dòng)態(tài)信息,實(shí)行監(jiān)控和危險(xiǎn)報(bào)警。
2. 3動(dòng)力測(cè)試方法
動(dòng)力測(cè)試法就是通過測(cè)量橋梁的振動(dòng)信號(hào),提取與橋梁特性有關(guān)的特征參數(shù),利用其對(duì)橋梁的整體和部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估,得到橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)的方法。動(dòng)力測(cè)試方法具有簡(jiǎn)便、快速、無損、測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取條件與工作條件相近等特點(diǎn),但是結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)直接用于橋梁承載力定量鑒定還不太成熟,研究成果多集中于室內(nèi)模型試驗(yàn)或理論分析,距實(shí)用還有一段距離。動(dòng)力測(cè)試方法中含有豐富的測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理等內(nèi)容,主要有沖擊回波法、模態(tài)參數(shù)法等多種檢測(cè)方法,通過對(duì)橋梁振動(dòng)的監(jiān)測(cè),可以了解在外力作用下橋梁振幅的大小,以便根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)來控制車流量等活荷載。另外通過對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測(cè)試,可以得到結(jié)構(gòu)的自振特性,包括模態(tài)頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等參數(shù),這些參數(shù)可以作為橋梁的“指紋”信息,長(zhǎng)期的觀測(cè),通過這些“指紋”信息變化,可以了解結(jié)構(gòu)安全狀況的變化。橋梁動(dòng)力特性的識(shí)別要經(jīng)過較為復(fù)雜的變換,而且方法較多,例如模態(tài)識(shí)別就有時(shí)域模態(tài)和頻域模態(tài)之分;在試驗(yàn)方法上又有天然脈動(dòng)法、自由衰減法、脈沖振動(dòng)法等多種方法。不同方法的假設(shè)條件不完全一樣,因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別時(shí),必須根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的方法,只有這樣才能準(zhǔn)確的得到結(jié)構(gòu)的“指紋”信息。動(dòng)力法是利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來進(jìn)行參數(shù)識(shí)別與損傷檢測(cè),測(cè)試的結(jié)果一般多為位移量(速度或者加速度) ,模態(tài)識(shí)別的結(jié)果尤其如此。然而在大多數(shù)情況下局部的損傷難以在此類數(shù)據(jù)中反映出來。針對(duì)位移模態(tài)對(duì)局部損傷不敏感的特點(diǎn),一些學(xué)者提出并發(fā)展了應(yīng)變模態(tài)/曲率模態(tài),而且將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。研究表明結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)中的頻率、位移模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)對(duì)局部損傷(剛度變化)的敏感性依次增強(qiáng)。鑒于模型誤差、測(cè)量誤差、環(huán)境噪聲影響和測(cè)量數(shù)據(jù)的不完全性等因素的影響,要進(jìn)行損傷的有效識(shí)別是比較困難的。為此需要對(duì)識(shí)別方法進(jìn)行一些改進(jìn)來提高損傷識(shí)別的精度。隨著模型修正技術(shù)、測(cè)試技術(shù)和識(shí)別技術(shù)的改進(jìn),動(dòng)力識(shí)別的效率會(huì)大大提高。目前動(dòng)力測(cè)試法已在橋梁中得到廣泛的應(yīng)用,橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力識(shí)別的精度也日益提高,不過結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)如何應(yīng)用于橋梁自身安全健康評(píng)估是一個(gè)難題,有待于進(jìn)一步的研究。
3 結(jié)束語
大型橋梁結(jié)構(gòu)安全性問題的日益突出,為無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求,無損檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)。使無損檢測(cè)技術(shù)融入橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中,使之與現(xiàn)代意義上的橋梁管理系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)有機(jī)地統(tǒng)一起來。橋梁損傷診斷的研究在國(guó)外己開展了幾十年,國(guó)內(nèi)的研究工作也正在進(jìn)行。無損檢測(cè)方法有很多成熟的技術(shù),也有很多優(yōu)點(diǎn),不過應(yīng)用于橋梁的檢測(cè)/監(jiān)測(cè)中,很多方法仍需進(jìn)一步的完善和試驗(yàn),因此其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍不是絕對(duì)的,根據(jù)需要和可能,可將同一問題用多種方法分別診斷?；?qū)ν粏栴}分階段用多種方法進(jìn)行診斷。
