桥梁检测技术综述
2010-09-08 来源：网络
桥梁是交通的枢纽，关系到社会经济发展的命脉。但桥梁结构在长期使用中难免会发生各种各样的损伤，造成桥梁结构抗力衰减和安全隐患。
美国是公路大国，2000年统计数据显示，美国共有公路桥梁58万多座，钢桥梁为主要结构型式，其次为砼、预应力砼桥；18万余座公路桥梁存在结构性缺陷，约占总数的30%，其中钢桥问题最严重，占有缺陷桥梁的40%，联邦政府为修复缺陷桥梁每年需花费50多亿美元。
我国第二次全国公路普查结果显示，除港、澳、台地区外，截至2003年底止，我国共有公路桥梁310,773座，12,466,143延米。其中，特大桥2,155座，1,962,614延米，占0.69 ；大桥17,417座，3,061,688延米，占5.60%；中桥6,311座，3,466,413延米，占20.44%；小桥227,690座，3,975,428延米，占73.27% 。近三年的调查结果表明，我国危桥超过1万座，严重威胁桥梁的正常运营，并给人们的财产与生命安全带来了极大隐患。
有关专家认为，桥梁使用超过25年则进入老化期。据统计，我国桥梁中的40%属于“老龄”桥梁。全国每年花费在桥梁结构日常维修、加固和置换等方面的资金十分巨大。
为了保证桥梁的安全运营，必须经常对桥梁结构进行检测，桥梁结构检测已成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。研究开发能及早、准确地检查诊断桥梁表面和内部的各种损伤（如裂缝、孔洞、磨损和钢的锈蚀等），并对桥梁损伤的发展趋势和剩余寿命作出估计，为保护和维护好桥梁提供可靠的依据，且能长期实施、对桥梁结构无损的诊断技术成为人们孜孜不倦地追求的目标。
1.我国桥梁检测状况
发达国家的经验表明，正确的桥梁养（维）护决策是保证桥梁安全服役的重要手段。为此，“七五”期间，我国交通部就立项开展桥梁管理系统的研究开发，形成了我国公路桥梁养护管理系统（CBMS）。CBMS主要依靠桥梁养护工程师对桥梁进行定期检查，将检查结果按照不同结构或构件权重打分，通过对数据的统计分析确定桥梁的状况等级，并以此为基础制定养护对策，经验因素较多。如何获取尽量多的、可靠的、准确的定量数据是桥梁定期检测中尤为重要的问题，而利用现有桥梁定期检测方法尚不足以对桥梁安全性作出精确判断并为维护提供科学和定量的依据。在正常养护并按规定定期检查的情况下，仍然发生垮桥事故，并造成重大人员、财产损失，如四川宜宾市小南门金沙江大桥跨塌，也说明了这一点。
如何保障公路在役桥梁的安全运营一直是一个值得深入研究的难题。我国现有在役桥梁养护的主要依据是《公路养护技术规范》，根据我国的经济条件，采用何种手段、检测和监测哪些内容、如何根据检测与监测结果对桥梁的安全性进行准确评定成为急待解决的问题。
2.现有桥梁检测方法
近几十年来，国内外对桥梁损伤诊断的方法进行了大量研究，开发了一些检测方法，其中既有半损伤式的识别方法，也有无损检测技术。目前对现有桥梁结构的检测普遍采用元损检测方法（NDT& NDE），包括结构局部检测方法和结构整体检测方法。
2．1 桥梁局部检测方法
局部检测技术是采用目视或专门的检测仪器对结构局部的损伤和缺陷状况进行检测。结构局部检测技术一直是桥梁结构日常检测养护的主要技术手段，主要对结构的材质状况与耐久性各项指标进行检测，包括砼强度检测、钢筋锈蚀电位检测、氯离子含量测定、钢筋分布及保护层厚度检测、砼碳化深度检测、砼电阻率测试和砼内部探伤等内容。传统的检测手段包括涡流、磁粉、渗透、X射线和超声波等，后来又发展了诸如层析成像、全息摄影、远红外热象、微波、核磁共振和雷达等先进检测技术。
2．2 桥梁整体检测方法
结构整体检测技术是采用结构静力试验和动力试验等手段采集结构响应数据（如应力、应变、位移、速度和加速度等），通过力学和数学方法对荷载数据和响应数据进行分析，得到反映结构局部损伤和整体状况（如承载力）的信息。结构整体检测技术在很大程度上克服了结构局部检测技术的局限性。它主要采用对桥施加可控荷载的试验方法，对桥梁结构的应变分布、变形量和加速度等响应进行检测，以此对桥梁结构性能作出评估。桥梁荷载试验可分为静载试验和动载试验。桥梁静载试验是将静止的荷载作用在桥梁的指定位置，对桥梁的静力位移、静力应变、裂缝等参数进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力作出评价。桥梁动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，然后测定其固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、行车响应等参数，从而判断桥梁结构的整体刚度。
桥梁整体检测技术能够对结构整体工作性能作出评价，回答桥梁业主最关心的桥梁结构承载力问题；可以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全状态；特别是基于结构动力试验的检测和监测技术，可以在不妨碍交通的情况下进行，因而具有巨大的优越性，是桥梁结构检测不可或缺的重要技术手段。
2．2．1 静力试验
荷载试验非常复杂，试验前应做充分的准备工作，试验准备直接关系到试验的成败，关系到试验是否能够取得理想的数据。
根据国家有关规定，大型桥梁或采用新型结构、新材料、新工艺的桥梁完工后应进行生产鉴定性质的验收荷载试验，目的是对桥梁的质量和工作性能是否与设计相符作出检验与评价。基于这一根本目的，静力试验的具体目的在于：① 通过测定桥跨结构在试验荷载作用下控制截面应力和挠度，并与理论计算值比较，检验实际结构控制截面应力与挠度值是否与设计要求相符；② 通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，对实际结构作出总体评价，为结构评估提供技术依据。
2．2．2 动力试验
桥梁检测动载试验是动力测定评价方法的基本测试项目，是为了满足工程应用的需要，应用理论分析与试验测试相结合的方法解决桥梁振动问题的必要手段，是桥梁检测工作中的重要环节，能对桥梁使用状况和承载力评价提供重要的数据参数。动载试验的内容主要是结构动力特性和动载响应的试验与分析，量测的主要部位是结构动力效应最大构件的动应力及动变形的控制截面。一般来说，检测项目主要包括：① 桥梁动力特性模态参数测试（频率、振型、阻尼比）；② 桥梁动力响应测试（动挠度、动应力、加速度、冲击系数）。
3.新型桥梁无损检测方法简述
随着检测技术的发展，新型无损检测方法（如超声波探测技术、声发射技术、机敏砼检测、电位法测试以及振动测试等）日益成熟，已在桥梁检测中得到了较好的应用。
3．1 几种新式检测方法
3．1．1 机敏砼
机敏砼是指在砼中掺入短切碳纤维或（和）纳米粒子，从而使砼同时具有压敏特性和良好的力学性能。机敏砼的压敏特性是指机敏砼电阻随压应变或压应力变化而变化的特性，通过测量碳纤维砼或纳米砼的电阻变化，就可预测砼的应变或应力。机敏砼具有较高的强度和较大的变形能力，因此，机敏砼既可以作为传感器埋在砼桥梁和隧道结构中，监测结构的受力状态，它的耐久性与桥梁和隧道结构相同，因此称为长寿命传感器；也可以作为结构材料制作桥梁和隧道的结构构件。
3．1．2 声发射
声发射（Acoustic Emission，简称AE）技术作为一门新型技术和科学研究课题，是德国科学家凯瑟（Kaiser）在1950年开始进行的。他还发现了声发射现象的不可逆效应，即凯瑟效应（Kaiser Effect）。大规模的声发射研究是自20世纪60年代起在美国开展的。AE技术是根据结构内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法。它可以在构件或材料的内部结构、缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行检测。声发射技术已经在美国、加拿大、法国、英国以及日本等多个国家的桥梁中进行了相应的试验。
3．2 桥梁检测方法的发展趋势
国内外正在开展增强土木结构NDE技术的应用。主要有：
（1）先进的桥面板检测系统，包括双带远红外热成像系统、地面渗透雷达等。
（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、精确的差分式全球定位系统（GPS）测量桥梁变形等。
（3）先进的疲劳裂纹探测和评估系统，包括测桥梁裂纹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一反射系统、埋入式锈蚀微传感器以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以及量化的无损检测方法与桥梁管理系统的结合。
（6）磁力控制传感器的研究，磁铁材料的物理尺寸几乎不会受磁场的影响，通过线圈与偏磁的耦合能制作出一种别致的很有用的传感器。这种传感器可能是低成本、简单并结实的，可用在预应力筋的锈蚀或断裂、砼养护的监测以及埋入式声发射传感器等方面。
（7）光纤和其他微传感器，已研究出一种光纤测量系统，以对新浇筑砼内的空隙进行无损检测。光纤光栅也已被用作遥测变形，对结构砼构件进行监测。它还能被用来测量材料的失效、砼结构的碳化深度、碱反应、氯渗透和裂纹的开展等。一个优化的光纤传感器应该既小又轻，只要求很低的电源，对环境的要求不高，亦不受电磁干扰，还要求降低成本。某些能用光纤系统构筑的结构物，不仅把所有测点联网到数据设备上，而且多梁式钢桥的控制断面还能监测结构的健康。
4.结 语
综上所述，桥梁检测技术正在逐步发展，但相对于机械设备的诊断来说起步较晚，目前还没有一个完整的体系，还有很多有待完善的地方。与机械设备一样，桥梁的故障诊断也应该是一个系统工程，而不仅仅是单纯的故障诊断，桥梁的状态检测以及损伤识别，也应该从多方面进行分析。
桥梁检测及损伤识别技术与很多相关技术的发展有着紧密联系，其中有传感技术、检测技术（A/D转换技术及二次仪表等）、信号处理技术、振动理论、软件开发技术、数据挖掘技术、专家集成技术等。桥梁检测是一个多学科交叉的系统工作，需要各个环节都做好才能达到一个最优的效果。目前桥梁健康与安全监测系统还处在发展阶段，最终发展成熟还任重道远。
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