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耐久耐久基础基础设施结构健康设施结构健康监测监测的挑战的挑战 M DRISSI HABTIMACS Dept LCPC FRANCE 摘要摘要摘要摘要 该文献探讨了桥梁关键缆索部位的荷载状况 强调了环境对于结构功能 退化的影响 焦点集中于对桥梁的审查和为整合可靠数据所做的努力 作为缆索 的替代性材料连续性碳纤维塑料复合物也在此有所论述 与此同时还介绍了合适 的结构健康检测技术 文章的目的是让读者对以内部传感器为主导的结构健康检 测技术协助检测桥梁缆索的过程有所了解 这些缆索被用作既有桥梁的可用结构 的工作模型 在新建桥梁方面 将会简要介绍复合材料制作的结构和必定会在不 久的将来带来技术飞跃的纳米传感器 对于已建和新建的桥梁都会提供相应的工 程实例并对这些工程在材料和结构方面的结构健康检测进行论述 1 1 1 1 前言前言前言前言 对于已建成和新设计的桥梁来说 掌握合适而可靠的监测和结构健康监管步 骤是必要的 尽管现在有众多不同的可选方案 研究者和工程师仍然强调目测 先进的非破损检测技术的高消耗费性和依靠外在传感器进行结构健康检测维护 工作这三方面有限性 这种作用并不是为了竭尽全力地应对检测设计的方方面 面 而是为了在桥梁研究者和工程师中间分享观点并引导更加深入的探讨 重点 是对于腐蚀程度的探究和已建桥梁钢筋结构的腐蚀发展程度 对于新建桥梁而言 设计和理念中应当包含更多的智能材料和智能结构 其中包括嵌入式传感器 这 方面的例子比较少 对于已建成的基础设施而言 腐蚀和应力损失对预应力钢筋是非常不利的 如何有效的保护钢筋免受腐蚀一直是个重大的挑战 然而在防腐技术已经十分发 达的当今我们是应该将注意力集中在保护钢筋结构免遭腐蚀呢 还是应该更多 的关注那些可以使我们确定目前的腐蚀程度及其发展速度的结构健康检测呢 对于新建的基础设施来说 近几十年来开发出来的材料加上在不同的工程领域表 现出来的重大技术改进使得我们把智能材料用作桥梁的主要部件变成了现实 因 此 我们应该怎样推广智能材料在桥梁建设中的大量应用呢 2 2 2 2 索式桥安全方面索式桥安全方面索式桥安全方面索式桥安全方面 为了避免腐蚀 进而延长缆索的寿命 许多国家都在进行有价值的努力 目 前的策略是利用各种方法来保护缆索免受腐蚀 为了表明缆索防腐技术已经发展 到了什么水平 近期已经提出两个最先进的保护索免受腐蚀的方法 Lecinq等人2005年报道了Freyssinet的工作 其中介绍的单独保护平 行索系统 PSS 具有更高的耐久性 称为结合力索 这个单独的拉索保护 系统通过高分子的应用得到确保 结合力索是2000年提出的一种新型的由7 根被聚乙烯充分地保护着的钢绞线构成的缆索 这个方法据称适用于最大 型的悬索桥也适用于相对较小的结构 结合力索被应用于Sungai Muar桥 132m 马来西亚 和Kanne桥 96m 比利时 然而作者也指出平行索系 统在包含高塔和散索鞍的斜拉桥上的应用或者在悬索桥主缆上的应用可能 会导致应力集中点的耐久性下降 实际上为了避免垫圈滑落 较高的夹紧 力是很有必要的 这就需要钢筋与钢筋直接接触 因此任何对于主缆索的 防腐措施例如镀锌 外部包裹或者用缆丝在垫圈层总会受到干扰 由于缺 少实地耐久性的数据现在对于这种技术的可靠性作结论还为时尚早 在日本用车间预制的钢绞线制作的新缆索已经出现 这种新缆索由127 根应力高达1800N mm 2直的镀锌铁丝构成 这种车间预制的钢绞线通过插座 锚固 大多数锚固装置 包括旧的 配备有除湿系统 在日本一些打破世 界纪录的桥梁中 诸如由Honshu Shikoku桥梁协会管理的Kurushima桥和 Akashi Kaikyo桥 它们的干燥空气的工作都是在缆索包装的内部进行的 上面列出的防腐措施清晰的表明了为阻止水汽和腐蚀剂侵害缆索所采 取的巨大努力 尽管这样 活跃的腐蚀现象的例子仍然不断出现 3 3 3 3 结构健康检测结构健康检测结构健康检测结构健康检测 先进的防腐技术先进的防腐技术先进的防腐技术先进的防腐技术 这这这这是否是否是否是否会是解决问题的途径会是解决问题的途径会是解决问题的途径会是解决问题的途径 涉及到桥梁的技术 研究者和工程师们必须考虑到腐蚀跟使用中的钢 铁有着密切的关系 而不是仅仅关注于防腐的科技 腐蚀在钢结构中的发 展是非常隐秘的 无论怎样防腐 防腐的技术能够很有效地阻断腐蚀的进 度 但是却永远不可能完全赶上它 因此 随着新防腐技术的开发 正在 进行的应用研究必须更加关注于我们怎样才能很好的控制腐蚀的开始以及 发展过程 非破损技术基本上可以被分为两个部分 直接和间接传感技术 直接 传感技术是指那些能够积累直观测量数据以提供一个内部缆索的实际情况 的瞬时评估 这些数量包括声发射 磁通流以及辐射 此类技术的共同特 点是它们需要一个基线测量方式以比较那些变动的数量 这样的基线代表 了缆索在一定的参考截面 初始 时间 它并不总是可用的 在这些技术被准 确的用于该领域之前 对于内部状况的各个层次应该进行仔细的考量 按照间接感应技术我们可以把提供数量监测的所有技术进行分类 从 中我们很有可能看到这些数量和缆索内部腐蚀活动的关系 这些数量可以 是物理数量比如温度 PH值和相关的湿度 或者与桥梁缆索的应力损失直 接相关的量比如腐蚀速度 Betti等人已经在该领域做了大量研究工作 结构健康监测可以通过采用直接或者间接感应技术展开 直接感应方 法的例子在接下来会给出 而基于间接感应技术的例子则主要从Betti等人 所做的工作中得到 4 4 4 4 基于直接感应技术的结构健康检测基于直接感应技术的结构健康检测基于直接感应技术的结构健康检测基于直接感应技术的结构健康检测 对于悬索桥的缆索来说两个主要的部分需要定期进行检测 即可见部 分和隐藏部分 最终目的是为了保护散索鞍和锚固点这两大部分免受水汽 的侵蚀 对于设计者建造者和业主来说保护主缆索免受腐蚀是很容易理解 的 缆索的断裂和腐蚀会导致主缆产生声波 桥梁缆索的主缆会由于疲劳 腐蚀和这两种力学性质的组合比如应力腐蚀而失效 因此当缆索失效的情 况发生时对应的缆索和邻近的缆索会产生声波 考虑到外部的缆索比起内 部缆索经受更多的应力腐蚀 外部缆索的钢绞线失效更容易发生 主要的 担忧来自于对缆索隐藏部分的持续性监护 尤其是那些位于锚碇内的部分 一种可靠的使得这些区域能够以合适的方式被检测到的非破损技术应该对 一些材料有足够深入的研究 这些材料对任何一种非破损技术来说都艰涩 难懂 通过运用诸如声波之类的直接感应非破损技术研究人员可以探究缆 索的腐蚀情况或者钢绞线的失效状况 当一根单独的钢绞线失效时这种失 效状况激起声波发射 因此声波和压力波会沿着缆索的两个方向传播 图1 中国航天科技集团和与之相关的无线网配置 图2 与中国航天科技集团相关联的信号类型展示图 沿缆索布置的传感 器的序号和位置能够准确定位失效钢绞线的位置 为了控制这种损害 一种压电式传感器被安置在缆索上 或者缠绕缆索的 外包装表面以此来监测缆索的振动 在大多数情况下复合式传感器被安放 在沿着结构全长的预先确定的位置上以此来获得不同的位置点处的数据 当复合式传感器被安放在结构预先确定的位置上的时候 钢绞线失效的事 故就可以被准确定位 5 5 5 5 可供选择的材料可供选择的材料可供选择的材料可供选择的材料 锚固锚固锚固锚固检测检测检测检测 桥梁的缆索由经受自然腐蚀的钢筋构成 因此 工程师和研究者主要 关注的焦点是防腐问题 如果我们设想一下未来的桥梁 用抗腐蚀性能好 的材料构造桥梁竖向拉索的策略应当引起我们的关注 在这种情况下 碳 纤维加固的环氧树脂复合材料在索式桥梁建造技术中可以被考虑为是一种 理想的选择 就像随后描述的那样 这些材料和技术的应用引发了有关结 构健康检测和锚固的争论 碳纤维强化聚合物复合材料在修建高速公路基础设施方面显示出了巨 大的潜力 尤其典型的是 它提供了理想的应力 质量比 比钢材的小了 五倍 并且可以按照要求的强度 刚度 几何性质和其他特性制成各种规 格 复合材料可以加固垂直方向无净空的桥梁 并且这些复合材料可以用 在那些可能会引起原结构功能退化的严重暴露的环境中 另外 复合制作的 板体可以延长梁式桥的使用寿命 因为这些复合板体的恒载很小 这样就可以允 许活载有较大的增长空间 图3 碳纤维加固的环氧树脂复合材料及钢材的应力曲线 在纤维加劲单一方向受力的情况下 由缆索支撑的结构对于这些碳纤维复合 材料而言是一个很有发展前景的领域 其他的优势还有 线弹性变化直至破坏 高强度 几乎没有蠕变和明显的疲劳破坏 碳纤维加劲复合材料对抗腐蚀的能力 也很强 日本缆索制造有限责任公司研发的复合材料的应用的例子这些是连续纤维 陶瓷基复合材料单元 多根钢绞线被用来制造一种绞合缆绳 这种缆绳一般为整 体加热以获得绞合粘附力 连续纤维陶瓷基复合材料可以用在单根钢绞线上 也 可以用于由7 19或者37根钢绞线构成的绞合缆绳上面 连续纤维陶瓷基复合材 料单元表现的拉应力达到了1 8GPa 纵向模数137 GPa 为破坏应力的1 6 密度 为1 5 20 C条件下 持续时间为10h时的应力松弛系数为0 65 20 C条件 下 持续时间为50h时的应力松弛系数为2 5 连续纤维陶瓷基复合材料在180 持续时间超过1000h时表现出0 04 的蠕变水平 图4 a NACC碳纤维增强环氧树脂复合钢绞线部分样品 b 连续纤维增强陶瓷基复合材料缆索制作流程图 6 6 6 6 碳纤维复合材料在锚固系统上的应用碳纤维复合材料在锚固系统上的应用碳纤维复合材料在锚固系统上的应用碳纤维复合材料在锚固系统上的应用 鉴于它们对压力的高敏感性 碳纤维复合材料作为桥梁缆索大规模的应用 一定会克服锚固过程中出现的诸多问题 实际上 为了避免应力集中 将地锚效 应最大化是必要的 人们根据连续纤维陶瓷基复合缆索开发了一系列不同类型的 锚固类型 例如 所谓的复合楔入锚固体系采用压铸法 多根钢绞线被同时压铸 在一起 尾部由锚头 防松螺帽和楔子构成 如图5所示 基于碳纤维复合材料的支撑索分别于1991年和2001年在加拿大和美国树立 起来 最长的斜拉公路桥坐落于科罗拉多州 跨径达到了410米 在斜拉桥领域 内 日本占据领先地位 共有11座人行桥 9座公路桥 而加拿大只有2座 美国 只有1座 1991年建于日本东京的彩虹桥是世界上最大的斜拉人行桥 图5 连续纤维增强陶瓷基复合缆索锚固系统 6股钢绞线直径为12 5mm 和连 续纤维增强陶瓷基复合缆索锚固端部构造图 7 7 7 7 碳纤维复合材料的无损检测碳纤维复合材料的无损检测碳纤维复合材料的无损检测碳纤维复合材料的无损检测 在研发新的结构材料时 对破坏的开始及其发展的检测总是摆在人们面前 因此 人们在探究由碳纤维复合材料建造的结构的破坏方面做了大量的工作 针 对各自的结构 主要的破坏机制有基质开裂 纤维基质剥离和纤维失效 声频发 射检测技术被成功应用于实验室或者实际结构的或小或大的规模 研究人员用声 频发射检测技术监测三种类型的缆索体系桥梁在大规模破坏试验中的破坏状况 实验表明 原位声频检测技术对监测缆索体系桥梁在运营期间的实时状况有着巨 大潜力 由于它们独特的处理方式 原位传感器可以嵌入终端结构中来提供结构健康 监管 用作张力传感器的光缆传感器和用作裂缝开展监管技术的超声波贴片可以 为结构健康监管带来巨大的益处 即使原位嵌入式传感器在不同的组合结构中得 到了成功应用 其他的问题依然存在 大部分与嵌入的状况 物理 化学兼容性 耐久性 接缝和焊接部位相关 桥梁和天桥无线电检测技术在过去的几年中已经引起人们的关注 桥梁坍 塌事故的发生突然而没有征兆 近几年来 桥梁安全和环境的监管工作主要通过 目测进行 在密西西比河桥梁坍塌事件中 该桥的监管在垮塌之前一直是借助于 目测 目测结果的总结没有揭示出任何有关该桥安全因素的忧患 2008年 圣安 东尼瀑布桥被修建起来以替代垮塌的密西西比河桥 为了监管这座新桥的几个关 键参数 包括过载 腐蚀和结构完整性 高技术传感器网络被引入该结构中 该 网络包括光纤应力传感器 位移计量表 加速计 电位计还有已经埋入桥跨中的 腐蚀传感器 除了这些 该网络还包括温度传感器和为预防严寒天气出现而安置 的活性防冻剂 在研究创新性传感器方面 纽约Clarckson大学的研究者们开发了密封的传 感器 这种传感器由桥梁的振动提供动力 因此可以几十年不用维护 而且还可 以提供诸如冰冻情况 交通流和健康状况等参数的连续监测记录 该系统最近在 纽约州际公路第十一号桥梁上得到了测试 据纽约Clarckson大学的研究者称 能量由一台安置在梁上的电磁发电机获取 该能量获取装置对桥梁振动的自然频 率中的一个有响应作用 每当一辆小汽车或者一辆卡车通过该桥梁时 甚至是在 没有安置传感器的那个车道上驶过时 整个结构就会振动 随之发电机转动装置 得到激励而产生电能 产生的电能给具有增加电能输出的能量获取装置的特殊传 感器供电 虽然只用几微瓦的电能 却可以完成有效的任务 基于高级无损检测技术的结构健康检测可以带来重大改进 然而 要得到 更加精确的数据除了要有开支巨大的技术人员之外 先进的技术和分析也是必要 的 因此 除了极少数的桥梁会采用更加深入的无损检测技术外 大多数桥梁仍 然会以目测手段为主 这是确定无疑的 因此 基于低耗费传感器概念的结构健 康检测策略与类似的由德克萨斯州大学开发的产品变得相关 因为它可以提供技 术和经济方面的解决方法 实际上 Wood等人在2008年正着手研制一种低耗费的 可以远距离控制的传感器 例如 它可以记录监管腐蚀引起的电阻变化 上面描 述的这种简单而低耗的技术 以前早就被提出来过用以解决钢筋腐蚀的监管问 题 该技术还处于研发阶段 但是它有可能会成为一个极具发展潜力的方法 虽 然它还要克服应用于索式桥梁上的诸多难题 现在我们有很多不同种类的 可靠 而且花费不高的无损检测技术可供使用 但是 考虑到所有新安装的传感器都要 依附在缆索的外表面 桥梁的各根缆索都应该有具体的几何尺寸 另外 焊接处 的耐久性必须得到保证 为了较好地表达出缆索内部发生的各种变化 这是一项 强制性要求 8 8 8 8 纳米材料与纳米传感器 纳米材料与纳米传感器 纳米材料与纳米传感器 纳米材料与纳米传感器 碳纳米管自1991年由李继马开发出来之后 以其独特的几何学 形态学和 特性吸引了大多数研究者的注意 碳纳米管是碳的一种新形式 形态上相当于包 含两层石墨的管子 通过采取一些技术 纳米管得到了一定的发展 它的直径只 有几纳米 而长度只有几微米 纳米管展现出了超乎寻常的力学特性 杨氏弹性 模量超过了1Tpa 它像钻石一样坚硬 可拉伸应力估计为200Gpa 这些特性对于 预应力符合构件和纳米机电系统而言是极为理想的 同时它极高的表体比和纳米 材料特有的中空结构对于气态分子的传输和存储非常适合 研究人员已经进行考 虑大量的理论和模拟工作 以此来更好的了解这种纳米级别的材料和与之相关的 现象 碳纳米管结构为它们提供了独特的电子 物理和化学特性 从力学上来说 它们是迄今为止最坚硬刚度最大的纤维 从电热角度来说 碳纳米管无论是在真 空中还是在空气中都有很高的电热稳定性 在电力特性方面碳纳米管会表现出金 属或者半导体的特点 由于碳纳米管的半导体特性它们在研制新的纳米传感器方 面也备受关注 因此温度传感器 基于碳纳米管的喷涂物 压力传感器 燃气传 感器是正在进行的研究中最有潜力的一部分 例如 2007年肯尼斯提出层层组装 技术来研发一种能够测试应力和腐蚀过程的具有多重功效的材料 碳纳米管复合 材料制成的层层组装纤维物在机械力学方