桥梁无损检测技术的研究现状与发展
2011-07-05 来源：中国桥梁网
1 概述
20 世纪中叶以来,科学技术的快速发展推动了桥梁工程技术的飞跃。随着桥梁建设的规模越来越大,造价越来越高,大型桥梁在国民经济和社会生活中的作用越来越重要,人们对大型桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注。针对开发桥梁健康监测系统的研究工作得到了国内外学者的广泛关注,许多大学及研究机构都积极投入大量的人力、财力于此项工作的研究。通过已经建立的各种规模的桥梁健康监测系统和已经取得的理论研究成果,为这一领域的研究开创了广阔的前景。桥梁检测技术作为该系统的一个基础性研究方向,历来是国内外学者关注的热点,从某种意义上讲,桥梁检测技术,特别是借助于现代检测手段的无损检测技术,代表了桥梁检测技术的最新发展方向,也是桥梁健康监测这一大型综合智能型决策系统设计的关键。要合理评价桥梁的健康状况,首先必须正确认识桥梁在不同环境下的结构特性及对结构中既有损伤的识别与定位。较为准确而定量的桥梁状况数据,必将导致较好的决策和资源的更合理的配置,无损检测技术正是顺应这一要求而发展起来的。特别是近年来,随着世界范围内结构损伤、老化及病害事故的增多,使无损检测技术的研究显得更为迫切。
2 桥梁无损检测技术的形成与发展
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ASTM、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 桥梁无损检测技术的内涵
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: ①桥梁自身材料和结构方面的特性; ②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; ③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,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。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。
4 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。
4. 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。
4. 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。
5 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。
5. 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。
5. 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,使无损检测技术 的传感系统向多元化、智能化的方向发展,使检测仪器 向专用化、小型化、一体化、集约化的方向发展。检测 仪器的研究是无损检测技术发展的基础,如何将电子技术与检测技术紧密结合起来,也是值得我们关注的问题。
6结语
大型桥梁结构安全性问题的日益突出,为无损检测技术的发展提出了更高的要求,无损检测技术应着眼于未来,作为一项系统工程来规划。应该将无损检测纳入新桥设计的一部分,着眼于开发廉价、快速的桥梁自检测系统,该系统应该包括多模式多路传感器,特 别是光纤传感器,能够不受人为因素干扰定量给出裂 纹（缝） 的信息,把检测的灵敏度和服务中断与实际接收、临界预警等联系起来,利用无线遥测技术,既能记 录局域数据并连续传送数据,又能同时运用无线技术 把数据传送到监测中心去。可以预见,现代传感技术 和无线遥测技术的结合应用将为桥梁结构创造出杰出 的无损自检测系统,最终使无损检测技术融入桥梁健 康监测系统之中,使之与现代意义上的桥梁管理系统 （BMS） 、智能监测与评估系统有机的统一起来。
