橋梁檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)簡述

楊犄

摘 要：本文詳細(xì)介紹了各種橋梁檢測(cè)技術(shù)及其基本檢測(cè)內(nèi)容；對(duì)橋梁的靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了描述，還介紹國內(nèi)外一些新的橋梁檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和最新發(fā)展趨勢(shì)，以推動(dòng)橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測(cè)；荷載試驗(yàn)；靜載試驗(yàn)；動(dòng)載試驗(yàn)

0 引言

橋梁在長期的使用過程中不免會(huì)發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。損傷的原因可能是人為因素，也可能是自然災(zāi)害。此外隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸量大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，這也可能因?yàn)槌d而造成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷繼而加劇其自然老化。這些因素均導(dǎo)致了橋梁承載能力和耐久性的降低，甚至影響到運(yùn)營的安全，由此而引起的一系列問題都需要相應(yīng)的維修、改造和加固來解決，而這些工作又必須在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)詳細(xì)和系統(tǒng)的檢測(cè)的基礎(chǔ)上才能妥善進(jìn)行。

1 橋梁表觀檢查分析與評(píng)價(jià)

表觀檢查包括橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸的量測(cè)、結(jié)構(gòu)病害的檢查與量測(cè)等，表觀檢查的項(xiàng)目和要求對(duì)不同的橋型有不同的側(cè)重點(diǎn)。表觀檢查要達(dá)到可以定量反映橋梁結(jié)構(gòu)狀況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)定橋梁技術(shù)等級(jí)的要求。結(jié)構(gòu)資料的調(diào)查包括了解橋梁的原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝及過程以及橋梁的結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)歷史等。材料檢測(cè)主要是指橋梁結(jié)構(gòu)材料的無損或微損檢測(cè)。對(duì)于鋼筋混凝土橋梁來講，主要是混凝土與鋼筋的相關(guān)檢測(cè)，包括混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、碳化深度、與耐久性有關(guān)的含堿量和氯離子含量，以及鋼筋的銹蝕狀況、保護(hù)層厚度測(cè)試等。表觀檢查和材料檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)測(cè)試儀器設(shè)備發(fā)展很快，是橋梁無損檢測(cè)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。測(cè)試儀器設(shè)備及相關(guān)技術(shù)研究在國外橋梁無損檢測(cè)研究方面占有很大的比重，相繼研制成功或正在研制融合電、磁、雷達(dá)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)學(xué)科的高技術(shù)成套測(cè)試儀器和設(shè)備。如用于橋面板檢測(cè)的雙頻帶紅外線自動(dòng)溫度成像系統(tǒng)；用于橋面板檢測(cè)的探地雷達(dá)成像系統(tǒng)；整橋測(cè)量的激光雷達(dá)；整橋測(cè)量的無線電脈沖發(fā)器等。

2 橋梁承載力的荷載檢測(cè)法

2.1 靜載試驗(yàn)檢測(cè)方法

靜載試驗(yàn)檢測(cè)法通過對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，量測(cè)與橋梁結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的參數(shù)，與橋梁工作性能相關(guān)的主要參數(shù)有變形、撓度、應(yīng)變、裂縫等。通過靜載試驗(yàn)，可測(cè)出這些參數(shù)，從而分析得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，據(jù)此判斷橋梁的承載能力?；炷翗蛄旱撵o載試驗(yàn)，一般需進(jìn)行以下測(cè)試內(nèi)容。

（1）結(jié)構(gòu)的豎向撓度、側(cè)向撓度和扭轉(zhuǎn)變形。每個(gè)跨度內(nèi)至少有3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，并取得最大的撓度及變形值，同時(shí)觀測(cè)支座下沉值。有時(shí)測(cè)試也為了驗(yàn)證所采用的計(jì)算理論，要實(shí)測(cè)控制截面的內(nèi)力、撓度縱向和橫向影響線。

（2）記錄控制截面的應(yīng)力分布，并取得最大值和偏載特性。沿截面高度不少于5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括上、下緣和截面突變處。有些結(jié)構(gòu)需測(cè)試支點(diǎn)及附近、橫隔板附近剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，此時(shí)需將應(yīng)變計(jì)布成應(yīng)變化。

（3）支座的伸縮、轉(zhuǎn)角，支座的沉降；墩頂位移及轉(zhuǎn)角。

（4）仔細(xì)觀察是否已出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)初始裂縫時(shí)所加的荷載，仔細(xì)表明裂縫出現(xiàn)的位置、方向、長度、寬度及卸載后閉合情況。如果結(jié)構(gòu)的控制截面變形、應(yīng)力或裂縫擴(kuò)展，在尚未加到預(yù)計(jì)最大試驗(yàn)荷載前，已提前達(dá)到或超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的允許值，應(yīng)立即停止加載，同時(shí)注意觀察裂縫擴(kuò)展情況，撤離儀器和人員。

（5）細(xì)觀察卸載后的殘余變形。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)而言，如懸索橋和斜拉橋，尚需觀察索力和塔的變位并進(jìn)行支座的測(cè)定。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)方法

動(dòng)力荷載試驗(yàn)的目的在于研究橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，該性能是判斷橋梁運(yùn)營狀況和承載能力的重要標(biāo)志之一。比如，動(dòng)力系數(shù)是確定車輛荷載對(duì)橋梁動(dòng)力作用的重要技術(shù)參數(shù)，直接影響到橋梁設(shè)計(jì)的安全與經(jīng)濟(jì)性能；橋梁過大的振動(dòng)可引起乘客和行人的不舒適；橋梁自振頻率處于某些范圍時(shí)，可由外荷載引起共振的危險(xiǎn)。這是以前動(dòng)力檢測(cè)的主要目的。但是最近10 年以來，研究者試圖擴(kuò)大動(dòng)力檢測(cè)方法的范圍和功能，原理主要如下：結(jié)構(gòu)損失的發(fā)生必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)（剛度、阻尼和內(nèi)部荷載）的改變。如果恰當(dāng)?shù)毓烙?jì)這些變化，就能給結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評(píng)估提供一個(gè)量化的方法。利用振動(dòng)方法對(duì)橋梁進(jìn)行損傷檢測(cè)的基礎(chǔ)是從橋梁振動(dòng)模態(tài)的變化中能夠估計(jì)出橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。橋梁振動(dòng)模態(tài)通?？捎贸Ｒ?guī)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試方法得到。在橋梁的不同位置布置測(cè)點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)損傷前后由這些測(cè)點(diǎn)記錄的信息可提取出的橋梁振動(dòng)模態(tài)特性參數(shù)的變化，以此來確定結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置、大小及結(jié)構(gòu)損傷的類型。橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)，主要是圍繞沖擊系數(shù)做文章，實(shí)際的動(dòng)力試驗(yàn)包括以下內(nèi)容： （1）測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性，如沖擊系數(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力等。（2）測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性， 如自振頻率、振型和阻尼特性等。

3 橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 橋梁無損傷檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法主要依賴于動(dòng)靜載試驗(yàn)和檢測(cè)人員的現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)，輔以混凝土硬度實(shí)驗(yàn)、超聲波探測(cè)、腐蝕作用實(shí)驗(yàn)等多種檢測(cè)手段。進(jìn)入20 世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)更是出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展勢(shì)態(tài)，先后涌現(xiàn)出一大批新的檢測(cè)方法和檢測(cè)手段，使無損檢測(cè)技術(shù)向著智能化、快速化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。近年來，致力于橋梁檢測(cè)的研究人員提出了許多成功的方法對(duì)橋梁進(jìn)行非破壞性評(píng)估。一些新的方法被廣泛應(yīng)用于橋梁檢測(cè)，如利用相干激光雷達(dá)測(cè)試橋梁下部結(jié)構(gòu)的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測(cè)量橋體表面的變形狀態(tài)，利用雙波長遠(yuǎn)紅外成像檢測(cè)橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動(dòng)檢測(cè)鋼索、鋼梁和混凝土內(nèi)部的鋼筋等。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)

（1）小波分析損傷識(shí)別法。由于小波分析適合分析非平穩(wěn)信號(hào)，因此可作為損傷識(shí)別中信號(hào)處理的較理想的工具，用它來構(gòu)造損傷識(shí)別中所需要的特征因子，或直接提取對(duì)損傷有用的信息。小波分析在損傷識(shí)別中的應(yīng)用是多方面的，如：奇異信號(hào)檢測(cè)、信噪分離、頻帶分析等。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識(shí)別法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在損傷識(shí)別中的基本思路是：首先，用無損傷系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，用適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法確定網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；然后，將系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就有對(duì)應(yīng)的輸出，如果輸入過程是成功的，當(dāng)系統(tǒng)特性無變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)的輸出應(yīng)該吻合；相反，當(dāng)系統(tǒng)有損傷時(shí)，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)的輸出就有一個(gè)差異，這個(gè)差異就是損傷的一種測(cè)度。

4 結(jié) 語

通過對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)可以得知，橋梁的運(yùn)營狀態(tài)，確保其安全使用。傳統(tǒng)檢測(cè)方法在精度和簡便性等方面有所不足。隨著計(jì)算機(jī)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能將廣泛地運(yùn)用在各類橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)試驗(yàn)和分析上。同時(shí)，學(xué)科交叉現(xiàn)象日益普遍，一些高新技術(shù)的最新研究成果應(yīng)用于橋梁無損檢測(cè)技術(shù)的研究，必將推動(dòng)橋梁檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展。

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