公路橋梁無損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

景運(yùn)峰

0 引言

近年來，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁使用年限的增長(zhǎng)，以及交通荷載的增加，橋梁出現(xiàn)病害和損傷的數(shù)量越來越多。對(duì)舊橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和改造之前，必須完成對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

傳統(tǒng)的外觀肉眼檢測(cè)不能提供可靠的損傷證據(jù)，傳統(tǒng)的鉆孔檢測(cè)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有一定的損害且檢測(cè)精度受鉆孔位置的制約，難以準(zhǔn)確全面反映橋梁的整體健康狀況。因此，橋梁的無損檢測(cè)技術(shù)(NDT)有較大的發(fā)展空間，包括超聲檢測(cè)、紅外檢測(cè)、聲發(fā)射、自然電位檢測(cè)、沖擊回波檢測(cè)、X射線檢測(cè)、光干涉、脈沖雷達(dá)、振動(dòng)試驗(yàn)分析等。

在公路橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用NDT，可以提高新建結(jié)構(gòu)質(zhì)量的安全性;可以提供結(jié)構(gòu)損傷的標(biāo)志，例如，污染程度，鋼筋混凝土橋梁的氯侵蝕程度;可以記錄支座處的聲發(fā)射，反映了裂紋或過大的摩擦力或從墊層支座正在擴(kuò)展的裂紋。無損檢測(cè)的這些結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)評(píng)估的輔助。

在一些情況下，與侵入檢測(cè)相比，無損測(cè)試更快捷，縮短了測(cè)試期間的交通管制時(shí)間，從而降低了成本。雷達(dá)可以快速掃描潛在的結(jié)構(gòu)空洞，雷達(dá)在NDT中的使用證明了NDT的速度和便捷性。聲傳播的使用進(jìn)一步說明了調(diào)查的有效性。聲傳播可以用于檢測(cè)長(zhǎng)護(hù)欄的潛在腐蝕。隨后可對(duì)疑似區(qū)進(jìn)行更細(xì)致的檢測(cè)，例如使用鉆孔、直接量測(cè)和超聲技術(shù)來確定未腐蝕厚度。NDT間接測(cè)量了外形特征，測(cè)試結(jié)果依賴于信號(hào)在結(jié)構(gòu)內(nèi)非連續(xù)區(qū)的反射時(shí)間。該信號(hào)的速度依賴于結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)，該性質(zhì)不一定明確。因此，需要專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來解釋收集的數(shù)據(jù)，并判斷在物理特征或材料性質(zhì)方面的意義。

通常情況下，進(jìn)行無損測(cè)試時(shí)，將無損測(cè)試設(shè)備置于結(jié)構(gòu)附近，正對(duì)結(jié)構(gòu)或固定結(jié)構(gòu)表面。無損測(cè)試最大的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)造成損傷，從而避免了對(duì)可能已有損傷的結(jié)構(gòu)的削弱。NDT技術(shù)并沒有確定性的答案，還應(yīng)該參考其他信息來評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體情況。

通常，為了校正NDT的結(jié)果，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行選擇性損傷檢測(cè)。本文主要介紹了幾種在橋梁檢測(cè)中典型NDT測(cè)試方法，以推廣NDT在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 回聲波檢測(cè)法

回聲波法檢測(cè)原理是:通過在結(jié)構(gòu)上作用一個(gè)短的持續(xù)作用，產(chǎn)生應(yīng)力(聲)波，通過結(jié)構(gòu)，并由缺陷和外表面反射。假如聲阻力不同，這些低頻率應(yīng)力波以不同速度傳播。采用傳感器記錄表面移置，表面移置是由反射波到達(dá)沖擊表面引起的。將振幅和頻率保存于后處理中。空洞檢測(cè)的準(zhǔn)確性可以用可檢測(cè)到的最小側(cè)向空洞尺寸來表示。根據(jù)沖擊器直徑的變化，出入頻率有所不同，即沖擊器直徑越小，沖擊器的頻率越高，分辨率越高，但是穿透深度越小。

回聲波具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闆]有放射性或X射線的危險(xiǎn)，該方法的使用安全能夠得到保證。該方法能夠檢測(cè)到在金屬和塑料管道中空洞的出現(xiàn)、空洞的深度、與加強(qiáng)區(qū)的距離及單元的厚度?；芈暡ǚz測(cè)法風(fēng)險(xiǎn)低，僅需要一面的檢測(cè)通路，能檢測(cè)金屬和塑料管道中的空洞。然而，該方法僅能檢測(cè)到大尺寸的空洞。

回聲波可檢測(cè)到空洞的最小尺寸往往大于很多管道中空洞的直徑，并且大于對(duì)鋼筋耐久性有重要影響的空洞尺寸。在關(guān)鍵截面區(qū)，很多管道都不能從下端背面進(jìn)行檢測(cè)。如果僅限制到從一面觀察，這進(jìn)一步減小了潛在的缺陷范圍。不能檢測(cè)到水充滿于空洞的情況。除了初始空洞表面信息以外，不能提供其他結(jié)構(gòu)信息，如果假定從底部表面和水平表面測(cè)量，可能導(dǎo)致管道尺寸減小。該方法并不像沖擊雷達(dá)一樣速度很快，并且需要管道尺寸等信息來幫助解釋說明。布置擁擠的管道和加固區(qū)都可能給檢測(cè)增加困難。

2 探地雷達(dá)(GPR)檢測(cè)法

GPR是一種電磁回聲方法。采用一個(gè)傳感器(發(fā)射器或者接收器)，該傳感器以某一指定速度穿過結(jié)構(gòu)表面。聲波較短的持續(xù)脈沖能量得以傳播，同時(shí)接收器接收從材料表面和結(jié)構(gòu)特征處探測(cè)到的反射信號(hào)。這些信號(hào)帶有不同的介電常數(shù)，例如被埋藏的金屬物體或者空洞。收集到的數(shù)據(jù)是一個(gè)有效的連續(xù)截面。信號(hào)的振幅，階段和連續(xù)性受到材料類型這一因素的影響，信號(hào)的連續(xù)性受到構(gòu)件形狀的影響。無線脈沖傳播時(shí)間受到層厚度或者埋藏特征的影響。GPR是一種低風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)方法，主要應(yīng)用是在使用其他可選方法前，定位管道和加固區(qū)。

GPR檢測(cè)法產(chǎn)生高頻電磁沖擊脈，通過天線在結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播。這些電磁波有一部分在界面改變處反射和折射，因?yàn)樵诮缑娓淖兲幗殡姵?shù)有所改變，并且由一個(gè)接收器記錄下來。如果接收天線是常用的單聲道操作(反射模式)，發(fā)射天線可以和接收天線布置于同一外殼。集合系統(tǒng)往往在表面掃描而過，來確定反射信號(hào)的雷達(dá)追蹤。各種典型的天線頻率在100mHz～1 500mHz之間，用于調(diào)查不同結(jié)構(gòu)形式和材料狀況。

GPR檢測(cè)法能夠有效繪制空洞或剝離程度，速度快，覆蓋范圍廣。因?yàn)闆]有放射性X射線的危害，GPR檢測(cè)方法的使用安全可以得到保證，尤其適用于檢測(cè)很多通道條件苛刻的結(jié)構(gòu)，或者適用于不能有損傷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。GPR檢測(cè)法能很好的確定金屬管道的位置，并且很可能成為后張混凝土橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要方法。在完全灌漿的塑料管道中，該方法能夠定位金屬管道，加固區(qū)和鋼筋。

GPR檢測(cè)法的適用范圍如下:

1)用于低分辨率下的深度探測(cè);

2)在淺穿透下用高分辨率;

3)用于檢測(cè)“隱藏”特征，例如，拱肩墻。

GPR檢測(cè)法的應(yīng)用在一些條件下受到了限制。GPR檢測(cè)法不能夠穿過金屬檢測(cè)空洞，結(jié)果對(duì)空洞的深度很敏感，對(duì)突出的小尺寸不是很敏感。此外，GPR檢測(cè)法在潮濕環(huán)境中不能工作，不能用于低于0℃以下，在深度淺處需用高分辨率。

對(duì)于其他NDT技術(shù)方法而言，例如回聲檢測(cè)法和超聲波傳輸法，設(shè)備的選擇、數(shù)據(jù)的解釋、準(zhǔn)確定位管道和加固都是重要的工作內(nèi)容。所以，在決定使用這些方法之前，應(yīng)該在現(xiàn)場(chǎng)處理GPR數(shù)據(jù)，作為參考。對(duì)于和金屬管道中空洞交叉的鉆孔，GPR也有意義，并且可以減少無效鉆孔，也可以減少鋼筋的損傷。

3 射線探傷法

射線探傷法將底片置于混凝土構(gòu)件后，通過對(duì)敏感底片發(fā)射X射線或伽瑪射線，從而生成含空洞的圖片。射線探傷法可以確定空洞程度和斷裂鋼筋的位置。適用于橋梁交通開放的情況，并可以從圖書館在線快速獲取圖像。理想條件下，圖片準(zhǔn)確無異議。這種方法所需的操作人員數(shù)量較少。但射線探傷法需要很多強(qiáng)有力的探射源穿透厚截面，或者獲得實(shí)時(shí)圖像，從而增加了成本，使結(jié)構(gòu)健康和安全預(yù)防措施更加嚴(yán)格。采用射線探傷法可以獲得清楚的圖片，但如果截面厚，或與管道或鋼筋交錯(cuò)布置時(shí)，就不宜用圖片說明。放射源放射出的伽瑪射線最大能夠穿透150mm的銥，400mm的鈷，并且必須能機(jī)械化的放置于帶有護(hù)套的盒子中。X射線源的穿透能力達(dá)1 500mm，并且能夠自動(dòng)關(guān)閉，這是該方法的一個(gè)顯著安全優(yōu)勢(shì)。當(dāng)通道便捷，并且安全情況理想時(shí)，射線探傷法能提供便于解釋說明的圖片。證明了這種方法是一個(gè)適用性很強(qiáng)的NDT技術(shù)。

4 工程應(yīng)用

以后張混凝土梁為研究對(duì)象，用回聲波法進(jìn)行無損檢測(cè)。在后張法中，鋼筋的作用是承受荷載?；炷粮闪酥?，將鋼筋植入事先埋入的管道內(nèi)，然后進(jìn)行張拉，固定于構(gòu)件的兩端。之后在高壓下將水泥灌漿注入管道，在鋼筋和混凝土之間形成粘合劑，并填充所有空洞。灌漿中留下的任何孔洞都可能導(dǎo)致鋼筋的腐蝕和結(jié)構(gòu)的最終倒塌。這個(gè)案例的目的在于，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，分析沖擊作用下反射信號(hào)，探測(cè)后張混凝土梁中的孔洞。

為了模擬不同的檢測(cè)過程，建造了若干已知缺損的試驗(yàn)性測(cè)試橫梁。橫梁為具有現(xiàn)實(shí)代表性的后張橋橫梁。通過比較分辨率，選擇合適的球軸承，以及所需波長(zhǎng)(高分辨率=短波長(zhǎng)=較小球軸承)和穿透深度(較強(qiáng)穿透性=長(zhǎng)波長(zhǎng)=較大球軸承)。橫梁上所用的較合適的球軸承是直徑為10mm的球軸承。

試驗(yàn)過程中，通過一個(gè)傳感器計(jì)算混凝土的速度，記錄通過固體混凝土區(qū)域的頻率，由此測(cè)量速度。在實(shí)地探測(cè)時(shí)，測(cè)試的是橫梁的側(cè)面而非頂部，因?yàn)閷?shí)地探測(cè)時(shí)很難接近頂部。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，被測(cè)的所有橫梁上的后部墻的頻率(fT)與同批混凝土所鑄造的橫梁的頻率相同。

由試驗(yàn)得出中空管道的頻率響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，初始峰值(fT)已經(jīng)從4.9(普通混凝土)開始變動(dòng)，在更高頻率處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，這典型代表了中空管道。中空管道和灌漿管道之間的差別很容易辨別。純凈輸入信號(hào)和有效反應(yīng)信號(hào)的成功利用率是變化的，這取決于操作員。無效波形很容易從較好的重復(fù)性波形中區(qū)分出來。接著測(cè)試另一種橫梁，它一半灌滿灌漿，另一半是空的(通常，管道上部的一半是空的)。探測(cè)橫梁的總長(zhǎng)度，以確定這種方法是否能鑒別部分灌注的管道的位置。這些測(cè)試的結(jié)果表明，即使管道是用塑料制成的，也能辨別出完全充注管道和完全中空管道的差別。

5 結(jié)語

橋梁檢測(cè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工作，需要各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合才能達(dá)到一個(gè)有效的效果，本文主要介紹了幾種無損檢測(cè)技術(shù)的概念、原理和特點(diǎn)，并通過實(shí)例進(jìn)行無損檢測(cè)的應(yīng)用說明，為工程人員提供橋梁無損檢測(cè)技術(shù)信息參考。

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