桥梁检测技术研究现状与发展趋势

桥梁检测技术研究现状与发展趋势（湖北省武汉市 430070）摘 要：随着我国公路、市政桥梁事业的发展,新建高公路及市政桥梁越来越多,同时既有的许多桥梁亦逐渐进入了养护维修阶段,有关专家认为桥梁使用超过25年以上则进入老化期。桥梁在长期运营过程中不可避免会产生各种结构性损伤, 桥梁的结构承载能力和耐久性逐步降低，直至影响到桥梁的运营安全。为了保证桥梁结构的安全使用, 桥梁结构的检测工作也日益凸现出它的必要性和重要性。鉴于此，主要阐述了桥梁检测现状、桥梁检测新技术以及桥梁检测技术的发展趋势（无损伤检测技术研究）。关键词：结构承载力；耐久性；桥梁检测；无损伤检测技术；Bridge Detection Technology Research Status and Development Rrends (School of Science，Wuhan 430070，China)Abstract: With the development of roads, municipal bridges career, More and more new high road and municipal bridges, At the same time, there are many bridges have gradually entered the maintenance phase. Experts believe that the use of bridges over more than 25 years to enter the aging period. Bridge in the long-term operation of the process will inevitably produce a variety of structural damage. The bearing capacity and durability of the bridge are gradually reduced, until affecting the operation safety of the bridge. In order to ensure the safe use of the bridge structure, The detection work of the bridge structure has also become more and more important and necessary. In view of this,the paper mainly expounds the bridge detection status, bridge detection technology and the development trend of bridge detection technology (research on non damage detection technology).Key words: structure bearing capacity; durability; bridge detection; no damage detection technology;0 引言随着我国交通事业的蓬勃发展，桥梁在长期的运营过程中不可避免的会产生结构性的损伤，从而使其结构承载能力和耐久性逐步降低，直至影响到桥梁的运营安全。造成桥梁结构性损伤的原因可能来源于人为因素，也可能是受自然因素影响。由桥梁结构型损伤而引发的桥梁维修、加固和改造工程，必须要建立在对桥梁整体结构检测的基础上。因此，在桥梁使用过程中，应对桥梁的整体结构进行检测。1 桥梁检测现状桥梁检测是通过一定的检测手段来了解桥梁的技术状况等级及病害发生部位、严重程度、产生原因等情况，并分析和评价既有病害对桥梁的影响，从而为桥梁维修加固提供可靠的技术数据和依据。桥梁检测技术主要包括桥梁检查和桥梁评价。1. 1 桥梁检查目前，桥梁检查主要是通过人工目测或者采用一些仪器设备进行现场测试、荷载试验及其他辅助性试验来进行的。随着科技的发展，许多先进的仪器设备应用到桥梁检测中，使检测工作更为方便快捷和准确。借助于现代检测手段的无损检测技术（Nondestructive Evaluation，简称NDE），代表了桥梁检测技术的最新发展方向，也是桥梁健康与安全状况监测系统设计的关键。按照检测目的的不同，常用的检测方法有以下几种：1）混凝土强度检测技术。混凝土强度的检测方法包括无破损检测和半破损检测。无破损检测方法有回弹法、超声波法、超声回弹综合法、射线吸收与散射法等。半破损检测方法主要有后装拔出法、钻芯法、BRE 内部断裂法、Windsor 探针贯入法。不同检测方法的检测原理、检测精度和检测技术要求都是不同的，实际检测时，应综合考虑各种因素选择1 种或几种方法。目前常用的方法有回弹法、超声回弹综合法、后装拔出法、钻芯法。2）混凝土缺陷检测技术。目前，对混凝土内部缺陷的存在、大小、位置和性质进行无破损检测的手段有超声脉冲法和射线法两大类，其中射线法因穿透能力有限、操作中需解决人体防护等问题，在我国使用较少。目前最有效的检测方法是超声脉冲穿透法和反射法。超声脉冲穿透法已较为成熟，普遍用于工程实践，许多国家都已编制了相应的技术规程。反射法则根据超声脉冲在缺陷表面产生反射波的现象进行缺陷判断，由于它不必像穿透法那样在2 个测试面上进行，因此对某些只能在1 个测试面上检测的结构物（如桩基础、路面等）具有特殊意义，也取得了广泛的工程应用。对于混凝土外部缺陷，如桥面裂缝、空洞等，检测人员可直接用肉眼观察或用裂缝观测仪、皮尺等进行测量，而对于桥墩、桥塔以及梁体外部等人员难以直接到达的部位，检测工作非常困难。目前有1 种基于摄影技术的检查桥梁表观毁伤的非接触测量系统，可以在远距离对损伤部位进行非接触检测。3）钢筋位置、保护层厚度及钢筋锈蚀检测。钢筋位置、保护层厚度均可利用雷达或者钢筋位置探测仪（利用涡电流原理）检测。钢筋的腐蚀性质或物理性质的检测是判断钢筋腐蚀最直接的方法，但是由于钢筋混凝土是一种极为复杂的材料，量测钢筋腐蚀速度或腐蚀量并不容易，目前常见的检测方法有腐蚀电位法和量测瞬时腐蚀速率法。4）钢材焊缝检测。一般采用超声波和射线法探伤。5）索力测试。斜拉索是斜拉桥梁、塔和索体系中的重要组成部分，斜拉索索力大小直接影响桥梁上部结构的受力和变形状态。斜拉桥拉索索力测定方法有：电阻应变片测定法、拉索伸长量测定法、索拉力垂度关系测定法、张拉千斤顶测定法、压力传感器测定法、振动测定法。6）索的腐蚀与断丝检测。近年来，缆索已广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构领域，其中有悬索桥的主缆、吊索，斜拉桥的斜拉索，拱吊桥的吊索以及大型体育场馆、剧院、展厅的悬索和拉索等，这些缆索主要由高强度热镀锌钢丝制成。缆 索是斜拉桥和悬索桥的重要组成部分，其造价约占全桥造价的25 30 。缆索受到腐蚀会使桥梁处于非常危险的状态，虽然每一位设计者都考虑了缆索保护措施，但几乎所有的方法都不太成功。在现实桥梁的运营阶段，因为拉索的损伤而导致桥梁进行大规模的维修甚至最终破坏的例子比比皆是。国际桥梁专家在经过2 年时间考察了世界范围内半数以上的斜拉桥后，认为除非桥梁缆索腐蚀得以阻止，否则，许多斜拉桥有突然垮掉的危险。对缆索损伤的无损检测方法主要包括：振动法、磁检测法、声学监测法、超声波检测法、布拉格光纤光栅监测法。7）荷载试验。桥梁荷载试验的目的是对新建桥梁进行竣工验收和对运营桥梁进行承载力评定，通过检测梁的应力、挠度等，来检测桥梁整体受力性能是否满足设计和标准规范要求，是评定桥梁运营荷载等级最直接和最有效的办法。桥梁静载试验时，需要量测结构的反力、应变、位移、倾角和裂缝等物理量，常用的量测仪器有百分表、千分表、位移计、应变计（应变片）、应变仪、精密水准仪、经纬仪、全站仪、倾角仪和刻度放大镜等。动载试验量测动应变时可采用动态电阻应变仪并配以记录仪器；量测振动时可选用低频拾振器并配以低频测振放大器及记录仪器；量测动挠度时可选用电阻应变位移计并配以动态电阻应变仪及记录仪器。目前国内进行荷载试验时，一般在桥上安装大量的传感器和仪器，有时还需进行梁体打磨等一些表面处理工作，此外，大部分数据采集系统需要线路与传感器相连，既费时费力又操作复杂，而且进行荷载试验时一般需中断交通。日前，美国阿拉斯加州小河桥的荷载试验中采用了无线数据收集系统与激光雷达检测系统合并使用，可更快地测量出桥梁的具体载荷能力。这套数据收集系统可以在短短几秒钟内安装在特定测试点上，无需中心站与各传感器之间实物线路的连接。该系统也可与捆绑或焊接在桥梁上的传统应变片协调使用。作为备选方式，它还可以采用卡口式应变片，能在无任何表面准备工作的情况下，迅速投入应用，几乎在检测过程同时就可得到检测结果数据。挠度测试中，激光光束映在桥梁多个点上，计算出测点挠度，既不需要表面的准备工作，也无须在桥上安放具体的目标，其优点为易于安装，检测点多，不用进入被检桥梁内部。无线数据收集系统与激光雷达检测系统结合使用时，可以更快更准确地测量出桥梁的具体载荷能力。8）其他特殊部件检测。如支座、伸缩缝、高强度螺栓及组合件力学性能试验，预应力筋用锚具、夹具和连接器检测，预应力孔道摩阻试验等，具体方法可参考相应的检测技术规程。为满足检测市场需求，我国研究开发了混凝土保护层测试仪、钢筋锈蚀测试仪、超声波检测仪等一批桥梁材质状况检测仪器设备及其测试分析方法和评价指标标准，静动态应力应变试验装置、检测数据无线传输设备、光纤传感器、弦式传感器等先进的检测仪器设备均已实现国产化。这些仪器设备不仅具有自主知识产权，而且性价比均明显优于国外同类产品。2桥梁检测新技术1)基于GPRS 实现桥梁检测远程数据传输。早期的远程监测是利用专线或专用网络, 将设备现场和控制中心连接起来, 传感器采集到的状态信息按照一定的协议传送给控制中心。这种方式自成系统, 数据传送快、安全, 缺点是需要单独布设通信线路, 当距离很远时, 将大大增加工程的成本。随着互联网技术的不断发展、公用通信网络的进一步完善, 利用GPRS来实现数据的远程传输已成为一种非常便捷的信息传递手段而应用于远程监测技术中。2)神经网络在桥梁检测中的应用。在实际桥梁检测过程中, 要随时知道桥梁的受力情况是很难做到的, 不仅要耗费巨大的人力、物力, 而且在测量过程中, 由于测量人员在技术上的差异性以及在繁重工作下引发的疲劳性, 必然会在检测结果中引入较大的人为误差。如果使用人工神经网络方法构造BP 模型, 在桥梁结构受力之间建立映射关系, 在实际的桥梁检测过程中, 只需要对部分桥索受力情况进行实地检测, 通过BP 模型的映射, 就可以得到其余桥索受力值。3)数字图像处理技术在桥梁检测中的应用。图像测量技术是近年来在测量领域中形成的新的测量技术。所谓图像测量就是测量被测对象时, 把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的测量方法, 其目的是从图像中提取有用的信号。这就避免了人工检测中存在的效率低、速度慢、重复可比性差、环境局限性大等弊端。而且, 对于那些在检测人员所能触及到的范围以外的情况, 通过传统方法量测, 其难度和危险性是相当大的, 且可能测不准。4)光纤应变传感器测试系统在桥梁检测中的应用。在桥梁工程中常用的无损检测方法是应变片电测技术, 但常规电阻应变片的测试结果受温度、湿度、导线长短等环境因素的影响很大。光纤传感器是近10 多年来迅速发展的一种新型传感器, 由于它不仅具有非导电性、体积小、抗电磁干扰强等优点, 而且能实时对一维连续空间作多点测量, 因而能对许多大型设备或物体(如发电机组、智能大厦等)进行实时多点监测。采用光纤传感器测试系统既大大降低了单点检测成本,又消除了检测盲区。5)新型桥梁检测设备研制。新型桥梁检测设备研制主要有:新型桥梁检测车以及新型桥梁检测平台。这些先进的检测设备为桥梁工程检测提供了有力的技术支持3 桥梁检测技术的发展趋势(无损伤检测技术研究)3.1 无损伤检测技术的形成和发展无损检测技术是指在不影响结构或构件性能的前提下, 通过测定某些适当的物理量来判断结构或构件某些性能的检测方法。无损检测技术是多学科紧密结合的高技术产物, 现代材料学和应用物理学的发展为无损检测技术奠定了理论基础, 而现代电子技术和计算机科学的发展又为无损检测技术提供了现代化的测试工具。桥梁工程中无损检测技术的形成和发展与混凝土无损检测技术的发展密切相关。早在20世纪30年代初, 人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法, 并获得迅速发展。1930年首先出现了表面压痕法;1935年格里姆(G .Grimet)、艾德(J .M .Ide)用共振法测量混凝土的弹性模量;1949年加拿大的莱斯利(Leslie)和奇斯曼(Cheesman)、英国的琼斯(R .Jones)等运用超声脉冲法获得成功, 这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后, 许多国家也相继开展了这方面的研究, 并取得了丰硕的研究成果, 从而形成了一个较为完整的混凝土无损检测体系。桥梁无损检测技术正是在此基础上发展而形成的, 并在实际工程应用中得到了快速发展。20 世纪80年代以来, 这方面的研究工作方兴未艾, 尤其值得注意的是, 随着科学技术的发展, 无损检测技术突破了原有的范畴, 出现了许多新的测试方法,例如微波吸收、雷达扫描、红外热谱以及脉冲回波等新技术。随着无损检测技术的日臻成熟, 许多国家开始了这类检测方法的标准工作, 如美国的AS TM、英国的BSI 均颁布了有关标准, 这些工作对无损检测技术的工程应用起到了良好的促进作用。进入20世纪90年代, 随着现代传感与通信技术的发展, 无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态, 先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段, 使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展。3.2 桥梁无损检测技术的内涵随着桥梁技术的飞速发展, 对既有结构损伤的评定, 已越来越依赖于仪器对结构进行检测为手段。作为一种检测技术, 无损检测主要用于结构安全直接有关的宏观力学性能及宏观缺陷的测试方面, 在桥梁工程中的应用, 主要与下面几个方面息息相关: 桥梁自身材料和结构方面的特性; 合理选取反映桥梁整体或局部的某些性能的物理量, 并确定相互之间的函数关系; 检测方法的改进和检测仪器的更新。无损检测技术在桥梁检测中的应用十分广泛, 总体上可以概括为基于整体的结构状况识别和基于局部的构件损伤识别。桥梁是一个由多种材料, 不同结构组合而成的大型综合系统, 系统各个成分的重要性、应力状态、易损性不一, 刚度、动力特性也相差甚远, 所以造成桥梁检测的范围十分广泛、复杂, 如何对如此众多的检测项目进行合理分类, 是值得研究的问题。对此,一些学者已经进行了大量有益的研究和探索, 提出了神经网络法、层次分析法等作为分类标准进行探讨。识别桥梁的损伤, 我们应该关注的是对结构功能产生严重影响的那些损伤, 从这一意义出发, 将桥梁的损伤归结为材料损伤和结构受力损伤两大主要的损伤形式是合适的。钢筋和混凝土是目前桥梁工程中最主要的两种结构材料, 桥梁的工作性质和受力状况决定了桥梁的损伤形成和发展, 反映到材料方面则主要表现为疲劳损伤和钢筋锈蚀。混凝土是一种多相复合材料, 内部结构较为复杂。混凝土构件在投入使用前, 其内部就已经有微裂缝存在, 这种微裂缝首先在较大骨料颗粒与砂浆或水泥的接触面形成, 主要是由于混凝土凝结和硬化过程中水泥的干缩而引起的。对钢筋而言，使用前同样存在缺陷由于冶炼时杂质的存在不仅在微观上破坏钢材的连续性，而且在一定条件下会成为导致钢材锈蚀的阳极是钢材产生电化腐蚀的直接根源。另外，混凝土梁的主筋有时是由几根钢筋焊接而成, 这也会制造出有利于损伤产生和发展的薄弱环节, 如焊缝中的微裂缝、焊接过程中的残余应力等。当结构受力时, 这些部位将导致应力集中而首先出现破坏, 是桥梁损伤产生的根源。从结构受力的角度分析, 桥梁投入使用后, 要经历使用荷载、超常荷载、偶发荷载(如飓风、地震等)的作用, 特别是竖向荷载的重复作用, 还会经受各种环境因素, 如日照、温差、冻融循环、风霜雨雪等, 将会导致桥梁构件的抗力退化, 特别是疲劳退化和主筋腐蚀引起的强度退化, 从而导致结构受力损伤, 形成裂缝。此外, 由于结构基础沉降及构件预应力损失所引起的应力重分布, 结构环境中不确定性因素的影响等原因, 使损伤机理的分析日益多元化、微元化。特别是近年来,随着人们对大型悬挂体系结构中风致振动、温度应力等因素的日益关注, 更是加剧了这一趋势的发展。3.3 桥梁无损检测技术的研究现状与最新动态无损检测技术在桥梁工程中的应用, 经历了相当长的一段时期, 虽然桥梁结构的安全性问题日益突出,但先进无损检测技术的应用并未受到应有的重视。一些经常性的桥梁检测项目依然沿用桥梁常规检测中的基本技术。传统的无损检测技术也只是作为外观检测中的补充手段, 而且, 几乎未用什么先进的无损检测技术。历史上曾用于土木结构的无损检测技术不外乎以下几种:涡流仪、磁试验、透入试验、X 射线试验和超声波试验。3.3.1 无损检测技术的研究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。静载试验是一种经常被采用的桥梁检测方法, 由试验测得的挠度和应变, 辅以检测人员的现场目测, 来综合评判桥梁的现时状况。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。3.3.2 无损检测技术的最新发展近年来, 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。最近, 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。3.4 无损检测技术的展望无损检测技术随着科学技术的发展而发展, 是先进科学技术的结晶。无损检测技术促进了工业以致整个经济的发展, 从某种意义上讲, 无损检测技术水平可以作为衡量一个国家工业和经济的发展程度, 以及科学技术发展水平高低的标志之一。3.4.1 无损检测技术的理论研究探索无损检测方法必须建立在被检测的某些性能与适当的物理量之间相互关系的基础之上。一般采用两种方法, 一是建立在大量试验基础之上的归纳法, 即是用回归分析方法确定检测性能与要评价量之间的经验关系。这种方法不仅工作量巨大, 受限制的客观因素多,而且常有一定的主观盲目性, 主要用于无损检测技术的初期的理论研究。另一种是以基础科学的基本原理为依据的演绎法, 以要评价量与物理量之间的理论联系为基础进行逻辑推理, 从理论上确定其间的相互关系, 然后再作适当的试验验证。这种方法已经被认为是无损检测技术理论研究方向极具前途的方向, 我们应该给予高度的重视。另外, 由于科学技术的发展, 学科交叉的现象日益普遍, 特别是将一些高新技术的最新研究成果应用于无损检测技术的研究, 必将推动该技术的飞速发展, 这也是值得我们关注的一个方向。总之, 无损检测技术是多学科综合的一门应用技术, 是建立在基础学科的基础之上的, 只有从基础理论中不断吸收养分, 才能不断完善和发展。无损检测技术的研究, 应善于把基础理论与工程实践结合起来, 建立起理论研究与工程应用联系的桥梁, 完善现有的方法和开辟新的途径。3.4.2 无损检测技术的工程应用探索无损检测技术的工程应用取决于现有检测手段和检测仪器的更新。近年来, 在对原有检测方法进一步完善的同时, 又出现了综合法, 许多学者认为, 综合法可以从不同的检测参数中获取较多的信息, 并可清除部分不利因素的影响, 因而误差较小, 是今后检测强度方法的主要研究方向。对于缺陷检测技术, 大多是以波动传播为基础。波形接收信号分析技术和脉冲回波技术的发展是无损检测技术值得注意的方向, 已经出现了许多新的方法,如雷达波、红外热谱、激光、超声波等方式。一般认为,这类依靠远程(非接触)辐射传递信息的高速检测技术, 在工程应用中是一个极具前途的研究方向。随着测试方法和电子技术的发展, 无损检测仪器也发展到一个新的水平。近年来, 高灵敏传感系统(如红外、微波、射线等系统)的不断出现