大跨鋼管混凝土拱橋拱肋檢測與評估研究綜述

王紅偉 藍(lán)日彥 劉家慶 何廷全

摘要：文章對大跨鋼管混凝土拱橋拱肋的檢測與評估研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。從檢測方法、檢測設(shè)備、評估方法等方面，分析了拱肋檢測與評估中已解決和尚未解決的問題。指出今后應(yīng)在已有研究工作基礎(chǔ)上，深入開展拱肋全長的脫空高效無損檢測方法研究，研發(fā)能夠適應(yīng)不同構(gòu)造尺寸的拱肋脫空智能檢測設(shè)備，提高拱肋檢測的效率和準(zhǔn)確度。細(xì)化拱肋的狀態(tài)評估指標(biāo)體系，建立能夠高效利用有限檢測數(shù)據(jù)的拱肋狀態(tài)評估方法，提高拱肋狀態(tài)評估的科學(xué)性和合理性。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;拱肋;脫空;檢測;評估;綜述

0 引言

近十年來，我國在大跨度鋼管混凝土拱橋（Concrete-filled Steel Tube，簡稱CFST）建設(shè)方面取得了巨大成就，無論是數(shù)量還是跨徑[1-2]都取得了快速發(fā)展[3-7]。2020年建成通車的廣西平南三橋（主跨575 m）為建成時世界上跨度最大的拱橋，在建的川藏鐵路也將涌現(xiàn)多座大跨度拱橋，目前我國已建和在建的CFST拱橋超過400座。

CFST拱橋多位于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)，服役環(huán)境嚴(yán)酷，現(xiàn)場檢測與維護(hù)非常困難。雖然CFST拱橋在極限承載力、檢測方法和設(shè)備、評估體系與方法等方面取得了較多的進(jìn)展，但關(guān)鍵受力構(gòu)件拱肋還存在部分問題有待進(jìn)一步深入研究，包括拱肋脫空的檢測方法、檢測設(shè)備和評估方法等。

在此背景下，本文對CFST拱橋拱肋的檢測與評估研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，從檢測方法、檢測設(shè)備、評估方法等方面，分析了現(xiàn)有研究已解決和尚未解決的問題，指出今后的研究方向，可為CFST拱橋拱肋的管養(yǎng)決策提供借鑒和參考。

1 拱肋檢測方法的研究進(jìn)展

1.1 拱肋線形的檢測方法

拱肋線形能夠間接地反映CFST拱橋的受力狀態(tài)和安全性。傳統(tǒng)拱肋線形檢測多是采用人工的方法，具有檢測效率低、實(shí)時性差、不易布設(shè)測點(diǎn)等局限性，尤其是拱肋高度大且無檢修通道的時候，測點(diǎn)布設(shè)更加困難。[=XQS（]大跨鋼管混凝土拱橋拱肋檢測與評估研究綜述/王紅偉，藍(lán)日彥，劉家慶，何廷全[=JP2] 為了克服傳統(tǒng)人工檢測拱肋線形存在的問題，GPS和北斗等技術(shù)在拱肋線形檢測中的應(yīng)用逐漸增多[8]，顯著提升了拱肋線形的檢測效率與自動化程度，但同樣存在布設(shè)測點(diǎn)的問題。除部分特大橋安裝有健康監(jiān)測系統(tǒng)外，大部分CFST拱橋由于橋梁規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性等因素，沒有安裝和布設(shè)線形測點(diǎn)，仍需在日常檢測中采用人工檢測方法。

近些年來，檢測機(jī)器人在橋梁檢測中的應(yīng)用逐漸增多，集成GPS模塊或北斗模塊的拱肋智能檢測機(jī)器人是拱肋線形檢測的一個重要發(fā)展方向。

1.2 拱肋表觀病害檢測方法

表觀病害直接影響拱肋的耐久性，間接威脅拱肋的安全性。2011版《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》和2004版《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》對拱肋的表觀病害檢測項(xiàng)目給出了具體規(guī)定。目前拱肋表觀病害的檢測仍然以人工檢測為主，具有檢測效率低、全長檢測難度大、檢測作業(yè)安全性弱等諸多問題。

與拉索表觀病害檢測不同，拉索表觀病害檢測可以通過機(jī)器人沿著拉索實(shí)現(xiàn)或通過無人機(jī)檢測，而拱肋由于全長呈曲線變化、構(gòu)件尺寸大、交叉連接部位多等特點(diǎn)，無人機(jī)檢測的范圍受到限制。而智能自動檢測機(jī)器人的研發(fā)存在較大難度，主要集中在智能檢測機(jī)器人與拱肋的可靠接觸和脫空狀態(tài)的精準(zhǔn)識別方面，不僅影響檢測設(shè)備的研發(fā)，更影響橋面交通的安全性，相關(guān)的研究開展得還比較少，亟須深入開展研究。

此外，針對智能檢測設(shè)備獲得的表觀病害圖像，相關(guān)的圖像識別算法比較多[9]，但被廣泛接受和認(rèn)可的圖像識別算法還比較少，病害識別的精度與病害訓(xùn)練樣本的數(shù)量緊密相關(guān)，構(gòu)建大量數(shù)據(jù)的拱肋病害檢測樣本庫仍存在較多困難，相關(guān)的實(shí)際工程應(yīng)用還比較少，識別精度有待進(jìn)一步提高。

1.3 拱肋脫空的檢測方法

脫空是影響CFST拱肋承載力最為主要的一種病害，其會削弱拱肋的承載力，威脅整橋的安全性[10-11]，針對拱肋脫空進(jìn)行檢測具有重要的工程價(jià)值（如圖1所示）。

針對拱肋脫空的檢測技術(shù)進(jìn)行調(diào)研可知，相關(guān)檢測的理論研究[12-14]還比較少，而檢測方法及其應(yīng)用則比較多，主要為有損（鉆芯取樣）和無損兩種。無損檢測方法主要包括人工敲擊法、超聲波檢測[15-16]、沖擊回波法[17-18]、紅外熱成像法、光纖傳感檢測法[19]、表面波法[20]、壓電陶瓷檢測法[21-22]等。直接鉆芯取樣等有損檢測方法雖然檢測結(jié)果可靠，但對結(jié)構(gòu)的損傷較大，且檢測效率比較低，多用于人工敲擊法和超聲波法確定位置后的定點(diǎn)檢測。無損檢測法雖然檢測準(zhǔn)確度弱于有損檢測方法，但不損傷結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)拱肋的大范圍高效檢測，在實(shí)際中應(yīng)用較廣[23-24]。

（1）超聲波檢測法。該方法可以檢測荷載作用下鋼管混凝土的損傷狀態(tài)和密實(shí)程度[25-26]。相關(guān)的研究成果非常豐富。檀永杰等[27-28]建立了超聲波對測法檢測脫空的參數(shù)取值;董軍鋒等[29-30]提出了脫空缺陷聲速判斷方法。對該方法分析可知，其存在檢測效率低、檢測成本高、實(shí)現(xiàn)拱肋全長脫空檢測難度大的問題，較難定量分析脫空，且檢測操作繁瑣，亟須一種高效、便捷和可以實(shí)現(xiàn)拱肋全長脫空檢測的檢測方法和檢測設(shè)備。

（2）沖擊回波法。Pan等[31]提出了一種基于加速度譜能量的鋼管混凝土脫空分析方法和判斷準(zhǔn)則;張東方等[32]利用傅里葉變換將時域波形圖轉(zhuǎn)化為頻譜圖，采用頻率峰值與脫空層厚度關(guān)系式計(jì)算脫空厚度;高遠(yuǎn)富[33]進(jìn)行了基于瞬態(tài)沖擊法的方鋼管混凝土柱脫空檢測試驗(yàn)，利用采集到的加速度信號作WVD和頻譜變換，得出了有脫空和無脫空時的WVD時域分布對比。該方法檢測結(jié)果受構(gòu)件形狀和尺寸影響較大。

（3）表面波法。表面波法主要是利用縫隙能夠顯著影響表面波在鋼管混凝土脫空分界面附近傳播的特性，已有研究表明該方法與小波分析結(jié)合可用于檢測脫空，缺陷長度<5 cm[34-35]。

（4）紅外熱成像法?；诩t外熱成像技術(shù)，王文元等[36]提出利用橡膠加熱帶檢測鋼管混凝土密實(shí)度的方法;楊鴻玉等[37]提出利用入模溫差檢測鋼管混凝土密實(shí)性的方法;陳禾等[38]將紅外熱成像法與超聲波法相結(jié)合檢測鋼管混凝土內(nèi)部空洞。該方法同樣存在檢測效率低、檢測成本高、實(shí)現(xiàn)拱肋全長脫空檢測難度大的問題，實(shí)際工程中應(yīng)用較少。

（5）光纖傳感監(jiān)測檢測法?；炷凉嘧⑼瓿珊螅饨缧盘枅觯ū粶y場）以一定的空間分布方式對預(yù)布于拱肋鋼管內(nèi)的光纖中的光波進(jìn)行調(diào)制，在一定的測量域中形成調(diào)制信號譜帶，通過檢測調(diào)制信號譜帶即可測量出外界信號場的大小及空間分布，從而確定混凝土內(nèi)部損傷狀態(tài)。丁睿等[39-41]依托巫峽長江大橋?qū)Ρ确治隽顺暡z測及光纖傳感檢測鋼管混凝土內(nèi)損傷狀態(tài)，結(jié)果表明超聲波檢測結(jié)果離散性較強(qiáng)，依賴于檢測點(diǎn)布置，且檢測工作耗資耗時，而光纖傳感能較好地實(shí)現(xiàn)對鋼管混凝土內(nèi)部狀態(tài)的在線實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并確定混凝土內(nèi)部損傷的位置和發(fā)生、發(fā)展程度，監(jiān)視損傷區(qū)域的擴(kuò)展。但該方法需要布設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)，成本高昂，且容易被破壞。

綜上所述，目前脫空檢測方法較多，均有一定的局限性，實(shí)現(xiàn)拱肋全長脫空高效檢測難度非常大，針對CFST拱橋拱肋的檢測技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

2 拱肋的檢測設(shè)備

為促進(jìn)橋梁檢測向更智能、更高效、更精確的方向發(fā)展，機(jī)器人、無人機(jī)等逐步得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、隱蔽、高空部位的檢測[42]，有效解決了人工檢測效率低和范圍小等問題，提高了檢測可靠性。

無人機(jī)檢測方面。目前，裝備攝像頭的無人機(jī)（UAV）在土木工程中應(yīng)用增長迅速[43]，其可搭載激光雷達(dá)、相機(jī)多種類型傳感儀器和裝置，能實(shí)現(xiàn)橋梁整體和局部的多角度拍照，Xu、Morgenthal等[44-48]對無人機(jī)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了研究，取得了豐富的研究結(jié)果。此外，無人機(jī)與3D技術(shù)結(jié)合也得到有效發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了橋梁信息的三維重構(gòu)和病害直觀顯示，基于圖像識別方法和相關(guān)規(guī)范開展橋梁結(jié)構(gòu)性能的評估[49-50]。綜上，雖然無人機(jī)檢測技術(shù)與設(shè)備取得了快速發(fā)展，但受限于拱肋檢測方法和技術(shù)的水平，目前的無人機(jī)只能實(shí)現(xiàn)拱肋線形、拱肋表觀病害等檢測，無法實(shí)現(xiàn)拱肋脫空、拱肋靜力特性和拱肋動力特性的檢測，且無人機(jī)檢測時受環(huán)境因素影響大，續(xù)航也是其面臨的一個重要問題。

機(jī)器人檢測方面。檢測機(jī)器人能彌補(bǔ)無人機(jī)檢測的不足，實(shí)現(xiàn)橋梁近距離的檢測評估。目前，國內(nèi)外研發(fā)的檢測機(jī)器人比較多，例如Phillips等[51]研發(fā)了地面機(jī)器人來配合移動檢測機(jī)器人的使用，提高了檢測效率;Xu等[52]設(shè)計(jì)了一種雙側(cè)爬電纜機(jī)器人，具有較高的障礙物超越能力。對這些檢測機(jī)器人分析可知，其外觀、質(zhì)量、功能和性能等各不相同，適用性方面有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在CFST拱橋中，應(yīng)用較多的是拉索檢測機(jī)器人，其主要實(shí)現(xiàn)拉索的表觀病害檢測、內(nèi)部銹蝕斷絲檢測和拉索索力檢測[53-54]，實(shí)橋應(yīng)用也比較多。受限于拱肋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、拱肋尺寸、檢測技術(shù)等因素影響，目前針對拱肋研發(fā)的檢測機(jī)器人還比較少，有待進(jìn)一步深入開展研究。

3 拱肋狀態(tài)評估體系與方法

科學(xué)合理的評估體系和高效準(zhǔn)確的評估方法對掌握拱肋安全狀態(tài)和制定拱肋管養(yǎng)決策至關(guān)重要。針對目前的橋梁狀態(tài)評估體系和方法進(jìn)行調(diào)研可知，常規(guī)綜合評估法仍然是實(shí)際橋梁狀態(tài)評估的主要方法，此外還有蒙特卡羅法[55]、荷載試驗(yàn)法[56]、層次分析法、模糊綜合評估法[57]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[58]、灰色關(guān)聯(lián)度評估法、遺傳算法[59]等，評估方法在實(shí)際橋梁中應(yīng)用呈增多趨勢。

隨著橋梁信息化和智能化的發(fā)展，評估方法在橋梁中的應(yīng)用越來越多，相關(guān)的研究成果也比較豐富。郭曉等[60]提出層次分析法和模糊理論相結(jié)合的模糊綜合評估方法，在評估模型中拱肋的評估指標(biāo)包括位移、傾角、應(yīng)變和振動頻率;沈培文等[61]建立了遞階層次模型的CFST拱橋評定方法;崔鳳坤等[62]提出了基于混合算法的大跨度CFST拱橋正常使用可靠度評估方法;黃僑等[63]建立了CFST拱橋4層次評價(jià)模型，通過正態(tài)關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，確定了模型的評價(jià)指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)，形成成套的考慮不確定性的CFST拱橋評價(jià)指標(biāo)體系及方法;郝天之等[64]提出了基于云重心理論的橋梁技術(shù)狀態(tài)評定方法;宗周紅等[65]提出結(jié)合群判斷理論、加權(quán)集值統(tǒng)計(jì)理論的變權(quán)橋梁綜合評定方法，該評定方法可以考慮評定過程中的隨機(jī)性與模糊性;Sasmal等[66]利用模糊理論結(jié)合層次分析法，提出了既有橋梁狀態(tài)等級評定方法，在橋梁構(gòu)件組成優(yōu)化一致向量的基礎(chǔ)上采用多目標(biāo)決策模型（MADM）對單個構(gòu)件進(jìn)行狀態(tài)評定。這些研究有力地促進(jìn)了橋梁狀態(tài)評估體系和評估方法的發(fā)展。

綜上所述可知：

（1）評估體系方面，目前建立的評估體系多是針對CFST拱橋整橋的，單獨(dú)涉及拱肋的評估體系比較少，拱肋脫空也沒有被納入到評估體系中，評估體系的科學(xué)性和合理性有待進(jìn)一步開展研究。

（2）評估方法方面，受限于拱肋檢測技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展水平，拱肋實(shí)橋獲取的檢測數(shù)據(jù)往往比較少，而目前常用的評估方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對有限實(shí)測數(shù)據(jù)的利用率還不高，亟須提出一種高效利用檢測數(shù)據(jù)的拱肋評估方法。

4 結(jié)語

通過對CFST拱橋拱肋的檢測與狀態(tài)評估進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析可知，CFST拱橋拱肋的檢測與狀態(tài)評估存在以下幾個方面問題亟須解決：

（1）傳統(tǒng)拱肋脫空檢測方法主要是敲擊法和超聲波檢測法，存在檢測效率低、成本高和拱肋全長檢測難度大等問題，制約拱肋脫空智能檢測設(shè)備的研發(fā)，亟須提出一種高效無損的拱肋脫空檢測新方法。

（2）受檢測設(shè)備與拱肋之間連接等技術(shù)瓶頸影響，對拱肋進(jìn)行智能高效檢測的機(jī)器人比較少，制約了拱肋的檢測效率，增加了檢測成本，需進(jìn)一步開展深入研究。

（3）針對拱肋的評估多集中在表觀病害方面，較少涉及拱肋脫空，如何量化拱肋脫空和構(gòu)建考慮拱肋脫空的拱肋狀態(tài)評估體系需進(jìn)一步開展研究。

（4）受限于拱肋檢測方法和檢測設(shè)備，拱肋獲取的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)往往有限，現(xiàn)行評估方法對有限檢測數(shù)據(jù)的利用率不高，亟須建立能夠高效利用有限檢測數(shù)據(jù)的新評估方法。

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