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Http Email geopen 桥梁检测专题 吉林大学工程技术研究所 桥梁无损检测和监测技术 一 课题研究意义 桥梁是我国的交通基础设施 为道路网络中十分重要的组成部分 是保证交通畅通的控制性工程 对国民经济的发展起着重要的作用 上世纪八十年代中期以来 我国进行了大规模的交通基础设施建设 完成了数万亿的建设投资 截至2005年底 我国已建成的桥梁达到了33 7万座 列全球第二 然而随着大量桥梁服役年限的提高 在荷载和环境的共同作用下 各种各样的病害相继产生 对桥梁的安全运营造成了隐患 随着桥梁总量的增加 我国的旧桥数量也在不断增加 如何发挥既有旧桥的作用 确保其安全可靠地运行 这是摆在我国桥梁工程界面前的主要任务之一 就国外情况看 目前欧洲范围内每年由于钢筋腐蚀引起的经济损失约为145亿欧元 美国每年在公路桥梁的维修方面也耗资500亿美元 我国近几年底的统计数据表明 危桥在我国现有的30多万座桥梁中占百分之三以上 养护费用居高不下 因此 已建桥梁逐渐进入养护维修期 开展桥梁的无损检测和监测技术设备研究 以便查明桥梁的健康状况 对其服役状态进行及时准确的评价是十分必要的 吉林大学工程技术研究所 二 课题研究内容 收集国内外桥梁无损检测和监测技术方法以及测试仪器设备使用现状及发展方向的背景资料 说明桥梁静载试验 动载试验和健康监测仪器设备的工作原理 技术方法和市场需求以及存在的问题 为研制开发桥梁无损检测和监测的仪器设备提供科学依据 吉林大学工程技术研究所 三 桥梁病害无损检测技术的现状及发展趋势1桥梁病害无损检测技术设备的现状传统的桥梁检测方法主要依赖于动静载试验和检测人员的现场目检 辅以混凝土硬度实验 超声波探测 腐蚀作用实验等多种检测手段 观察法是桥梁检测中最古老的方法 主要依赖于专家的感性和定性的经验分析 常会因为专家的主观意愿而有失客观 不能完全正确评判结构的损伤状况 裂纹的探测是桥梁检测中一个重要的方面 常用的方法有 液体渗透 磁分子 涡流仪 超声波和声发射等 探测钢桥体积缺陷一般用X射线摄像法 检测混凝土桥的总体技术是荷载试验和模态分析 其局部检测技术有超声波 冲击反射 磁电阻抗 锈蚀势能 远红外热像 地面渗透雷达 X射线摄像和声发射等 动静载试验内容后面论述 下面介绍几种目前应用较广桥梁检测方法 吉林大学工程技术研究所 1 1使用光纤传感技术检测光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性 将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术 从90年代开始 我国就开始了光纤传感技术的应用研究 同济大学 重庆大学 哈尔滨工程大学等院校已对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究 并已应用于桥梁检测中 取得了较好的效果 其中重庆大学已把其在光纤传感技术方面的研究成果应用在重庆槽坊立交桥的长期在线动态远程健康监测中 证明了原理的可行 哈尔滨工程大学的苑立波教授依据白光干涉原理设计了光纤传感器 与Retest公司不同的是他设计的是光纤Michelson结构的白光干涉仪 通过比较光程差的方法来间接地测量传感器长度随桥索应力 应变的变化特性 清华大学电子工程系的廖延彪教授建立了一种新的波长干涉仪实验系统 系统中采用了波长扫描光源 并用了两个准直结构的法布里 珀罗干涉仪 一个作为参考干涉仪 另一个作为传感干涉仪 从而实现了较大范围的绝对距离测量 并放宽了对于光源稳定性 扫描重复性的要求 使系统在距离的长期监控测量方面较现有的其他测量方法具有更大的优势 吉林大学工程技术研究所 1 2使用超声波检测灌浆管道孔隙位置超声波检测梁中的空隙位置是利用瞬间应力波的原理 用一种短促的机械撞击产生低频应力波 传导至结构内部 再由断裂面或外面发射回来 来自冲击面 断裂面以及其他面间的多种波会产生瞬间共振 可以用来测定结构的完整性或裂隙的位置 记录下来的信号可以进一步提供有关空隙位置的信息 目前在我国桥梁基桩的低应变检测中也相应应用了超声波无损检测技术 特别在大中型桥梁的施工中 在灌注桩浇筑前预先在其两侧预埋声测管 根据桩的直径埋置2 3个声测管 管的直径比探头略大 其下端封闭 测试时在管内注满清水 使两探头水平相对放置 通过探头在桩身的上下移动读出各测点的声时值 从而确定出缺陷异常点的位置和范围 另外 超声波无损检测技术也可以结合回弹仪综合检测混凝土强度 评判其混凝土强度值是否达到设计值 以供施工单位及时采取相应的补救措施 将损失减小到最低 吉林大学工程技术研究所 1 3使用探地雷达检测探地雷达是运用高频电磁波的反射探测目标体 其基本原理是电磁波在介质中的传播理论 探地雷达利用一天线向介质发射高频宽频带电磁波 用另一天线接受地下介质界面反射回的电磁波 电磁波在介质中传播时 其波形 电磁场强度 路径将随通过介质的几何形性和电性质变化而变化 通过分析接受到波的波幅 旅行时间 波形资料 就可以推断介质的结构 探地雷达的特点为 能精确测定缺陷区的形状 大小和深度 劳力省 操作方便 高速 能在大范围内进行检测 不受周围环境影响 探地雷达在道路中的具体应用主要是对道路面厚度检测 道路基层空洞及高含水的检测 基层厚度以及挡土墙病害检测等 根据探地雷达的特性 还可以将其应用于道路的材质 裂缝 湿度检测 以及桥梁的结构检测等 吉林大学工程技术研究所 2桥梁病害无损检测技术的发展近年来 致力于桥梁检测 研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破坏性评估 一些新的方法被广泛应用于桥梁检测 如利用相干激光雷达测试桥梁下部结构的挠度 利用全息干涉仪和激光斑纹测量桥体表面的变形状态 利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土层的损伤 利用磁漏摄动检测钢索 钢梁和混凝土内部的钢筋等等 随着振动实验模态分析技术的发展 运用振动测试数据进行结构动力模型修正理论得到了充分的发展 为桥梁结构的安全检测开辟了新的途径 基于振动模态分析技术 人们研究发现 结构的动力响应是整体状态的一种度量 当结构的质量 刚度和阻尼特性发生变化时 选用结构振动模态作为权数 对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理 从而实现对单元损伤的识别和有效定位 吉林大学工程技术研究所 我国桥梁无损检测技术的发展趋势 1 利用远红外热成像检测道桥结构的损伤识别2 运用全球定位系统 GPS 测量桥梁变形 运用TRIP钢传感器对桥梁超载进行测量和监测等3 用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构 用激光振动计测量斜拉索索力以及量化的无损检测4 用微波技术对疲劳裂纹进行探测和定量分析等 吉林大学工程技术研究所 美国联邦公路总署对公路桥梁无损检测技术提出了一个比较大的研究与开发计划 涉及到许多新技术和研究课题 已经启动的研究项目有 1 先进的桥面板检测系统 包括双带远红外热成像系统 利用两种不同的红外波长同时观测桥面板 检测裸露混凝土和沥青覆盖的混凝土中的剥落 地面渗透雷达 采用脉冲雷达 人工光栅技术 先进的信号处理与成像方法 在桥梁车道中以交通速度运行 成像并提供桥面板内部的二维和三维图像 等 2 先进的桥梁测试和健康监测系统 包括全桥监测系统的无线电发送 用精确的差分式全球定位系统 GPS 测量桥梁变形 用TRIP钢 这种钢具有特殊的化学成分 其在晶体结构中经受与应变峰值成比例的恒定变化 其从非磁性变化为磁性 传感器对桥梁超载进行测量和监测等 3 先进的疲劳裂纹探测和评估磁铁 包括检测桥梁裂纹用的新型超声波和磁分析仪系统 热成像系统 便携式声发射系统 无线应变测量系统 微波探测和定量分析 无源疲劳荷载测量设备和电磁 声发射传感器等 4 先进的锈蚀探测和评估技术 包括磁漏探测技术 探测先张法压浆空隙的冲击 反射系统 埋入式锈蚀微传感器及以磁为基础的测量系统 5 用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构 用激光振动计测量斜拉索索力及量化的无损检测方法 此外 该研究计划还包括许多探索性研究 如声发射技术的基础性研究 磁力控制传感器的研究 光纤和其他微传感器的研究 用微波技术对疲劳裂纹进行探测和定量分析的研究等等 这些研究工作必将为桥梁无损检测技术开拓新的发展空间 推动无损检测技术的飞跃 吉林大学工程技术研究所 二 桥梁静载检测 一 桥梁静载检测目的由于近年来超限车辆通行频繁以及桥梁逐渐老化 桥梁普遍出现了一些病害 为消除隐患 保证交通顺畅 所以需要对桥梁进行外观检查和无损检测 为桥梁的维修加固设计方案提供技术数据 基于此 桥梁的检测的具体目的为 1 通过桥梁的总体外观质量检查确定桥梁的各个构件及附属物的损伤程度和工作状况 并对桥梁各部件技术状况的进行评定 2 通过对桥梁上部结构混凝土构件的无损检测 确定桥梁混凝土构件的强度 梁板的配筋状况以及钢筋的锈蚀程度 吉林大学工程技术研究所 二 桥梁静载检测依据1 公路桥涵养护规范 JTGH11 2004 2 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004 3 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 JGJ T23 2001 4 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程 CECS02 2001 5 混凝土强度检验评定标准 GBJ107 87 6 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21 90 7 混凝土结构工程施工质量验收规范 GB50204 2002 8 桥涵工程试验检测技术 人民交通出版社 2004年12月第1版 9 大跨径混凝土桥梁的试验方法 试行 下文简称 试验方法 10 公路旧桥承载能力鉴定方法 试行 11 钻芯法检测混凝土强度技术规程 CECS03 88 12 该桥设计资料 施工资料以及现场调查资料 吉林大学工程技术研究所 三 桥梁静载检测内容桥梁静载检查的主要项目内容如下 1 桥梁外观调查及技术状况评定 2 桥梁无损检测 1 采用回弹法 超声回弹综合法或拔出法等方法测定混凝土强度 2 使用保护层厚度测试仪测定钢筋保护层厚度 3 使用超声波仪测定混凝土裂缝深度 4 使用钢筋锈蚀仪测定钢筋锈蚀程度 吉林大学工程技术研究所 四 桥梁外观调查具体内容1 桥面铺装 是否有坑槽 开裂 车辙 松散 不平 桥头跳车等现象 2 防撞护栏 是否有松动 撞坏 锈蚀和变形等 3 伸缩缝 是否有损坏 脱落 淤塞 填料凹凸 跳车 漏水等 4 排水设施 桥面横坡 纵坡是否顺适 有无积水 泄水管有无损坏 堵塞 泄水能力是否适应需要 防水层工作是否正常 有无渗水现象等 5 上部桥梁结构 主梁支点 跨中处有无开裂 最大裂缝值为多少 梁体表面有无空洞 蜂窝 麻面 剥落 露筋 有无局部渗水 6 支座 位移是否正常 是否有脱空 变形 7 桥墩 墩身是否开裂 局部外鼓 表面剥落 空洞 露筋等 是否有变形 倾斜 沉降 冲刷 滑移等 8 桥台 台身是否开裂 破损 台背填土是否有裂缝挤压等 吉林大学工程技术研究所 五 桥梁常规静载检测所需仪器汇总如下 回弹法 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 JGJ T23 2001 HT 2251 冲击功能 2 207J 0 225kgf m 2 弹击拉簧钢度 785N cm3 弹击锤冲程 75mm4 指针系统最大静摩擦力 0 5 0 8N5 刚钻率定平均值 80 2国产 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 超声回弹综合法 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程 CECS02 88 58 E0049 B1 测试范围 0 1 1999 9 S2 频率范围 24 150KHz3 接收器输入阻抗 1M 4 分辩率 0 1 S意大利 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 拔出法 后装拔出法检测混凝土强度技术规程 CECS69 94 PL 1J型1 最大检测强度 C402 允许误差 0 13 最大拔出力 不小于40KN4 数字显示表精度 0 2 5 分辨率 0 1KN国产 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 取芯法 钻芯法检测混凝土强度技术规程 CECS03 88 HZ 151钻孔直径 50 100 150mm2 最大钻孔深度 400mm国产 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 冲击回波法 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21 2000IES 11 测试厚度范围 9 50cm2 测试精度 2 3 采样率 每个通道1M 秒4 频率范围 DC 500 000Hz美国OLSON 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 冲击回波法 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21 2000CTG 1T1 测试厚度范围 9 46cm2 精度 2美国OLSON 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 扫描式冲击回波测试系统 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21 2000IEScanner1 测试厚度范围 9 50cm2 测试精度 2 3 采样率 每个通道1M 秒4 频率范围 DC 500 000Hz美国OLSON 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 超声波法 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21 2000E12504 2004TICO1 测试范围 0 1 6553 5 s2 电压脉冲 1KV3 输入阻抗 1M 4 分辨率 0 1 s5 脉冲速率 3 S瑞士 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 桥梁侧面裂缝悬挂观测系统1 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004 2 LSDQ TX ZY 02 Q001静载试验检验方法实施细则BJQF 41 检测裂缝的距离 4米以内裂缝检测精度 0 02mm3 裂缝标定精度 优于0 02mm4 标定方法 跨越法和位移法 5 一次记录的数量 140张图片 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 裂缝测宽仪1 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004 2 LSDQ TX ZY 02 Q001静载试验检验方法实施细则Wexham1 放大倍数 35倍2 测量范围 4mm3 每格刻度 0 02mm英国 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 桥梁各混凝土构件裂缝深度裂缝测深仪 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21 2000DJCS 051 测试深度范围 10 300mm 2 测厚精度 5 3 数据存储量 10600个测深数据 4 显示器 4 分辨率 160 128 5 电源 9VDC 6节5 电池 国产 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 桥梁各混凝土构件钢筋分布 锈蚀 保护层厚度钢筋扫描仪 混凝土结构工程施工质量验收规范 GB50204 2002DJGW 1A1 适用范围 6 50 2 保护层检测精度 5 50mm 误差 1mm 50 80mm 误差 2mm 80 110mm误差 3mm 3 钢筋直径检测精度 误差 1mm 规格正确 4 钢筋定位精度 误差 3mm 国产 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 钢筋扫描 钢筋锈蚀仪 混凝土结构工程施工质量验收规范 GB50204 2002Elcometer333 BH 1 快速精确定位钢筋位置 走向2 保护层厚度和钢筋直径 3 通过半电池法测试钢筋锈蚀英国 吉林大学工程技术研究所 吉林大学工程技术研究所 桥梁混凝土氯离子含量氯含量测试仪 混凝土结构工程施工质