橋梁內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)研究與應(yīng)用

周建庭，夏潤(rùn)川，張 洪

(1. 重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

我國(guó)橋梁總數(shù)超過(guò)100萬(wàn)座，橋梁總長(zhǎng)度超過(guò)6 500 萬(wàn)米，均穩(wěn)居世界第一，是名副其實(shí)的世界橋梁大國(guó)。但在內(nèi)部因素(部分橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、建設(shè)質(zhì)量問(wèn)題、材料與結(jié)構(gòu)自然老化)和外部因素(自然災(zāi)害頻發(fā)、交通量持續(xù)增長(zhǎng)、車(chē)輛超重現(xiàn)象嚴(yán)重)的共同影響下，橋梁的管理壓力和養(yǎng)護(hù)壓力不斷升級(jí)，橋梁安全面臨巨大威脅，一系列橋梁垮塌事故令人痛心。因此，如何實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況的有效預(yù)測(cè)和科學(xué)管養(yǎng)，成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者共同關(guān)注的話題，且對(duì)于促進(jìn)我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展具有重大社會(huì)意義和巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

貫穿橋梁整個(gè)服役過(guò)程，橋梁病害具有形態(tài)各異、成因復(fù)雜、分布不均等特點(diǎn)，而橋梁內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)病害由于隱蔽性強(qiáng)而不易察覺(jué)，且此類(lèi)病害將造成突發(fā)性的結(jié)構(gòu)破壞，目前仍然是橋梁管養(yǎng)中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。聚焦于橋梁常用鋼材，內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)病害主要包括橋梁鋼筋銹蝕、拉索腐蝕斷裂、鋼筋應(yīng)力破壞3類(lèi)：

1)橋梁鋼筋銹蝕

橋梁鋼筋銹蝕產(chǎn)生于混凝土保護(hù)層的局部開(kāi)裂。外界的空氣、水和腐蝕性物質(zhì)侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，促使鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、出現(xiàn)浮銹甚至有效截面損失，而體積膨脹的銹蝕產(chǎn)物又會(huì)對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生膨脹力，混凝土裂縫擴(kuò)寬將加速鋼筋銹蝕進(jìn)程，促使鋼筋銹蝕狀況繼續(xù)惡化。由于鋼筋銹蝕深藏于混凝土保護(hù)層內(nèi)部，病害程度難以預(yù)見(jiàn)。一旦混凝土裂縫和表面銹跡可明顯觀測(cè)，橋梁鋼筋已接近失效邊緣。

2)拉索腐蝕斷裂

拉索腐蝕斷裂產(chǎn)生于拉索保護(hù)層的老化開(kāi)裂。與鋼筋銹蝕的機(jī)理相似，拉索內(nèi)部鋼絲、鋼絞線同樣存在腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。斷絲則是腐蝕的極致表現(xiàn)形式，隱藏于拉索保護(hù)層中難以觀測(cè)。另外，拉索承受交變荷載作用，應(yīng)力腐蝕、鋼材疲勞等因素亦會(huì)加劇拉索的腐蝕斷裂。

3)鋼筋應(yīng)力破壞

鋼筋應(yīng)力破壞產(chǎn)生于鋼筋內(nèi)在的復(fù)雜受力狀態(tài)。在應(yīng)力和環(huán)境的共同作用下，鋼筋極易出現(xiàn)低于材料強(qiáng)度極限的脆性斷裂現(xiàn)象。由于鋼筋深埋于橋梁內(nèi)部，因此鋼筋應(yīng)力破壞成為橋梁承載力降低、結(jié)構(gòu)失效的直接影響因素。

針對(duì)上述3類(lèi)橋梁內(nèi)部病害，現(xiàn)有方法主要利用鋼筋、鋼絞線等鋼材的多種物理特性，依靠磁場(chǎng)、聲波、熱像儀、射線、雷達(dá)等非接觸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在定性檢測(cè)方面取得了較大進(jìn)展，但定量檢測(cè)效果仍存在較大發(fā)展空間，無(wú)法對(duì)內(nèi)部病害程度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，極大地限制了橋梁內(nèi)部病害檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因橋梁內(nèi)部病害導(dǎo)致的危橋數(shù)量占總危橋數(shù)量的80% 以上，一旦內(nèi)部病害通過(guò)表觀病害或結(jié)構(gòu)破壞形式出現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)已瀕臨危險(xiǎn)失控的狀態(tài)。因此，對(duì)橋梁內(nèi)部病害進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)和精準(zhǔn)診斷，成為亟待解決的重大科學(xué)技術(shù)難題。

筆者團(tuán)隊(duì)基于自發(fā)漏磁檢測(cè)原理，揭示了磁場(chǎng)變異特性與鋼材損傷的相關(guān)性，并利用此共性特征，重點(diǎn)針對(duì)鋼筋銹蝕、拉索腐蝕斷絲和鋼筋應(yīng)力破壞3種橋梁內(nèi)部病害，開(kāi)展了檢測(cè)方法、裝置及其應(yīng)用研究。

1 自發(fā)漏磁檢測(cè)原理

當(dāng)鐵磁性材料(鋼筋、鋼絲、鋼絞線等)發(fā)生應(yīng)力集中或缺陷損傷時(shí)，在地磁場(chǎng)和載荷共同作用下，由于鐵磁性材料具有高磁導(dǎo)率，在損傷處出現(xiàn)磁導(dǎo)率躍變、材料磁化不均勻現(xiàn)象，影響了材料原磁化強(qiáng)度的均勻分布，損傷位置產(chǎn)生自發(fā)漏磁場(chǎng)，導(dǎo)致自發(fā)磁場(chǎng)局部發(fā)生變異，如圖1。圖1中：磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量Bx沿長(zhǎng)度方向的分布在腐蝕區(qū)域發(fā)生凸凹，離鋼筋(絲)越近凸凹越顯著，凸凹區(qū)段長(zhǎng)度與損傷區(qū)域有著明顯的一致性；未發(fā)生損傷時(shí)，Bx在垂直方向呈單調(diào)變化，損傷后呈非單調(diào)變化，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)極值點(diǎn)，其反轉(zhuǎn)極值點(diǎn)出現(xiàn)的位置與損傷程度具有良好的相關(guān)性。

圖1 自發(fā)漏磁檢測(cè)原理示意Fig. 1 Schematic diagram of self-magnetic flux leakage detection

因此，筆者利用自發(fā)漏磁檢測(cè)原理，剖析鐵磁性材料損傷前后的自發(fā)磁場(chǎng)變異特性，并研究變異特征與損傷之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)橋梁內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)病害(銹蝕、應(yīng)力集中)范圍及程度的精準(zhǔn)診斷。

2 橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

2.1 鋼筋銹蝕檢測(cè)方法研究

在鋼筋銹蝕檢測(cè)影響因素研究方面，筆者團(tuán)隊(duì)理清了提離高度、混凝土保護(hù)層厚度、箍筋、鋼筋初始磁場(chǎng)等因素對(duì)鋼筋銹蝕檢測(cè)的影響規(guī)律。楊茂等[1]、周建庭等[2]開(kāi)展了Φ20、Φ25螺紋鋼筋、鋼筋外包混凝土銹蝕檢測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)分析不同銹蝕狀態(tài)、不同空間位置的磁信號(hào)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土保護(hù)層覆蓋下的鋼筋銹蝕仍能被較好地識(shí)別，但由于提離高度越大，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)曲線特征越不明顯，故實(shí)際檢測(cè)中需保持較小的提離高度；由于混凝土的磁導(dǎo)率和空氣磁導(dǎo)率相同，故從理論層面，混凝土保護(hù)層并不會(huì)對(duì)鋼筋銹蝕檢測(cè)產(chǎn)生影響。張?jiān)鉡3]對(duì)帶箍筋的鋼筋混凝土矩形梁進(jìn)行了磁場(chǎng)測(cè)量，得到不同提離高度下的磁場(chǎng)切向分量掃描曲線，結(jié)果表明，箍筋的存在僅會(huì)讓曲線發(fā)生周期性的波動(dòng)，且波峰位置與箍筋相對(duì)應(yīng)，故在實(shí)際檢測(cè)工程中，可通過(guò)該檢測(cè)方式獲取箍筋位置，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化亦可相應(yīng)扣除。YANG Ding等[4]針對(duì)40根鋼筋進(jìn)行了固定區(qū)域、不同程度的銹蝕模擬，通過(guò)分析鋼筋周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度空間分布規(guī)律，提出了基于Bz-x曲線一階導(dǎo)數(shù)的銹蝕檢測(cè)磁分析參數(shù)G，結(jié)果表明，參數(shù)G與鋼筋銹蝕度存在較大的離散性，由此提出了排除鋼筋初始磁場(chǎng)影響的磁分析參數(shù)K，研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋的初始磁場(chǎng)對(duì)參數(shù)的影響較大，而在扣除初始磁場(chǎng)后的參數(shù)與銹蝕度之間離散性變小，線性關(guān)系增強(qiáng)。

在鋼筋銹蝕量化表征研究方面，重點(diǎn)研究了鋼筋銹蝕區(qū)域和銹蝕程度的判定問(wèn)題。張洪等[5-7]采用自主研制的三軸磁場(chǎng)掃描裝置對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行順筋掃描和豎向掃描，結(jié)果表明，銹蝕區(qū)域的切向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx均出現(xiàn)明顯的異變特征，其中，不同提離高度(H)的磁場(chǎng)豎向掃描曲線(Bx-x)出現(xiàn)“相交點(diǎn)”，且交點(diǎn)間距與鋼筋銹蝕寬度較為吻合(圖2)，由此提出了基于Bx-x曲線“相交點(diǎn)”的鋼筋銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度辨識(shí)方法；鋼筋銹蝕區(qū)域的順筋掃描曲線(Bx-z)出現(xiàn)“反轉(zhuǎn)點(diǎn)”，且反轉(zhuǎn)點(diǎn)橫坐標(biāo)z′與鋼筋銹蝕程度存在相關(guān)性(圖3)，由此提出了基于Bx-z曲線“反轉(zhuǎn)點(diǎn)”的鋼筋銹蝕程度表征方法。吉祥等[8]結(jié)合鋼筋混凝土試驗(yàn)梁的磁場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，揭示了漏磁信號(hào)切向分量的極值增量ΔBx與鋼筋銹蝕深度h之間的線性規(guī)律，提出了基于漏磁信號(hào)切向分量極值和梯度極值的鋼筋斷裂判別方法。邱俊澧等[9-10]探究了鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度隨銹蝕程度的變化趨勢(shì)，并將其與自發(fā)漏磁建立聯(lián)系，初步提出了鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度完全喪失的磁特征判據(jù)。

圖2 磁場(chǎng)順筋掃描曲線與鋼筋銹蝕寬度的相關(guān)性Fig. 2 Correlation between magnetic scanning curve along steel barand corrosion width of reinforcement

圖3 磁場(chǎng)豎向掃描曲線與鋼筋銹蝕程度的相關(guān)性Fig. 3 Correlation between magnetic scanning curve vertical tosteel bar and corrosion width of reinforcement

2.2 鋼筋銹蝕檢測(cè)裝置研發(fā)與應(yīng)用

為了便于工程應(yīng)用與實(shí)橋測(cè)試，筆者團(tuán)隊(duì)自主研制了橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕無(wú)損量化檢測(cè)裝置(圖4)，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。該裝置由磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器陣列與便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，同時(shí)記錄掃描路徑各處的位置信息和自發(fā)漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，可探測(cè)混凝土中埋深20 cm的鋼筋銹蝕狀況，攻克混凝土橋梁鋼筋銹蝕長(zhǎng)期以來(lái)只能定性不能定量檢測(cè)的難題。

圖4 鋼筋銹蝕檢測(cè)裝置應(yīng)用Fig. 4 Application of steel corrosion detection device

該裝置已成功應(yīng)用于廣西12座橋梁的內(nèi)部鋼筋銹蝕無(wú)損量化檢測(cè)。以石灣特大橋?yàn)槔瑴y(cè)試結(jié)果如圖5。結(jié)果表明，1#～4# 檢測(cè)路徑的磁信號(hào)大概每隔200 mm處有峰值交替出現(xiàn)，并且存在兩條磁信號(hào)交叉現(xiàn)象，可推斷該處箍筋綁扎不牢導(dǎo)致箍筋向下微弱偏移。由于所有檢測(cè)數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)判據(jù)所描述的現(xiàn)象，故不存在較大程度銹蝕情況，對(duì)橋梁安全狀態(tài)無(wú)影響。

圖5 石灣特大橋銹蝕狀況評(píng)估Fig. 5 Evaluation of corrosion condition of Shiwan Super-large Bridge

2.3 與其他檢測(cè)方法的比較分析

目前的鋼筋銹蝕檢測(cè)法[11]主要分為3類(lèi)：電化學(xué)法、分析法、物理法。電化學(xué)法主要研究鋼筋銹蝕過(guò)程中的電化學(xué)過(guò)程及變化特征，成為反映鋼筋銹蝕程度的常用手段，包括半電池電位法和混凝土電阻率法。分析法主要通過(guò)混凝土的碳化深度、氯離子侵蝕濃度、表面裂縫等參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)反向推測(cè)分析內(nèi)部鋼筋銹蝕情況，包括混凝土氯離子濃度分析法、混凝土開(kāi)裂后裂縫反推法、綜合經(jīng)驗(yàn)分析法。物理法主要通過(guò)測(cè)量由鋼筋銹蝕所引起的聲、光、電、磁、熱、波等物理特性的變化來(lái)反映鋼筋銹蝕情況。筆者團(tuán)隊(duì)研究了基于自發(fā)漏磁原理的鋼筋銹蝕檢測(cè)方法及裝置，與其他檢測(cè)方法的比較分析見(jiàn)表1。

表1 橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕檢測(cè)方法的比較分析Table 1 Comparative analysis of detection methods of reinforcement corrosion in bridges

3 拉索內(nèi)部腐蝕斷絲檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

3.1 拉索腐蝕斷絲檢測(cè)方法研究

在拉索腐蝕斷絲檢測(cè)影響因素研究方面，筆者團(tuán)隊(duì)明晰了地磁場(chǎng)、提離高度、試件長(zhǎng)度、傳感器間距等因素對(duì)拉索損傷檢測(cè)的影響規(guī)律。李志剛[11]率先開(kāi)展了鋼絞線腐蝕檢測(cè)與斷絲監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采用電化學(xué)法和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜力加載法，探究了鋼絞線的腐蝕斷絲形態(tài)、斷絲發(fā)展過(guò)程及瞬間的漏磁信號(hào)分布規(guī)律及定性特征，研究表明，鋼絞線腐蝕區(qū)域的磁信號(hào)切向分量梯度值出現(xiàn)波峰和波谷、法向分量梯度值出現(xiàn)波谷，而發(fā)生斷絲瞬間的磁信號(hào)各分量均出現(xiàn)跳躍式突變；屈英豪等[12]采用磁屏蔽和結(jié)構(gòu)退火的試驗(yàn)手段，并結(jié)合COMSOL軟件的磁場(chǎng)分析及仿真研究，剖析了地磁場(chǎng)和自身磁化強(qiáng)度對(duì)磁記憶檢測(cè)技術(shù)的影響機(jī)制，研究表明，穩(wěn)定地磁場(chǎng)不會(huì)改變漏磁信號(hào)的變化規(guī)律，而結(jié)構(gòu)自身磁化特性是產(chǎn)生自發(fā)磁場(chǎng)的主要原因；趙亞宇等[13]通過(guò)分析地磁場(chǎng)中鐵磁性材料完好或帶缺陷時(shí)的磁場(chǎng)分布組成，揭示了基于磁記憶的拉索腐蝕檢測(cè)機(jī)理；周建庭等[14]開(kāi)展了15根鍍鋅鋼絞線的靜力拉伸破壞系列試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)空間磁場(chǎng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，剖析了鋼絞線破壞全過(guò)程的自發(fā)漏磁信號(hào)變化規(guī)律，明晰了磁極方向、護(hù)套、傳感器間距等因素對(duì)拉索斷絲診斷技術(shù)的影響，研究表明，磁極方向、有無(wú)護(hù)套對(duì)磁場(chǎng)分布規(guī)律影響較小，而傳感器間距的影響較大，實(shí)際檢測(cè)中需要選取合理的檢測(cè)距離，從而保證拉索檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在拉索腐蝕斷絲檢測(cè)及表征研究方面，筆者團(tuán)隊(duì)利用相關(guān)理論模型，剖析了拉吊索腐蝕斷絲區(qū)域、損傷程度與自發(fā)漏磁分布特征值的相關(guān)性。趙亞宇等[13]獲取了磁信號(hào)切向分量歸一化峰值與腐蝕時(shí)間的Boltzmann分布規(guī)律，擬合度R2達(dá)到0.994；夏潤(rùn)川等[15-16]針對(duì)拉索表面出現(xiàn)矩形和梯形腐蝕缺陷的情形，建立了拉索檢測(cè)磁偶極子理論模型，并選取磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量Bx曲線“極值點(diǎn)”作為研究特征值，構(gòu)建了腐蝕自發(fā)漏磁切向分量極值的表征模型，通過(guò)引入Logistic增長(zhǎng)模型并結(jié)合鋼絞線腐蝕檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取了模型參數(shù)A隨腐蝕深度h的變化規(guī)律(圖6)，擬合度R2超過(guò)0.95，由此揭示了漏磁切向分量極值與腐蝕深度h的量化關(guān)系；屈英豪等[17]選取磁感應(yīng)強(qiáng)度切向分量Bx曲線“相交點(diǎn)”作為研究特征值，構(gòu)建了相交點(diǎn)間距Dx的表征模型，揭示了間距Dx與提離高度x的線性規(guī)律，研究表明：傳感器越靠近結(jié)構(gòu)表面(y→0)，間距Dx越靠近腐蝕寬度真實(shí)值，因此對(duì)Dx-x曲線1/4和3/4分位數(shù)進(jìn)行線性擬合分析(圖7)，提出了基于擬合公式“截距”的拉吊索腐蝕寬度診斷方法；夏潤(rùn)川等[18]結(jié)合工程應(yīng)用中拉索的實(shí)際檢測(cè)形態(tài)，獲取了7根鋼絞線索結(jié)構(gòu)自發(fā)磁場(chǎng)的軸向分布和環(huán)向分布規(guī)律，提出了基于軸向掃描曲線相交點(diǎn)、環(huán)向掃描曲線極值點(diǎn)的拉索腐蝕缺陷位置識(shí)別方法，剖析了環(huán)向掃描曲線磁信號(hào)歸一化極值與腐蝕程度的三次函數(shù)擬合規(guī)律。

圖6 極值特征參數(shù)與腐蝕深度的相關(guān)性Fig. 6 Correlation between extreme value characteristics parameterand corrosion depth

圖7 相交點(diǎn)間距與提離高度的相關(guān)性Fig. 7 Correlation between intersection point’s distance andlift-off height

3.2 拉索腐蝕斷絲檢測(cè)裝置研發(fā)與應(yīng)用

基于拉索出現(xiàn)腐蝕斷絲時(shí)的自發(fā)漏磁特性，筆者團(tuán)隊(duì)自主研制了拉吊索腐蝕斷絲無(wú)損量化檢測(cè)裝置(圖8)，該裝置為我國(guó)首個(gè)免勵(lì)磁拉吊索腐蝕斷絲無(wú)損量化檢測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)展現(xiàn)拉索結(jié)構(gòu)的保護(hù)層表觀圖像，對(duì)拉吊索腐蝕斷絲的狀況進(jìn)行立體化檢測(cè)與診斷。

圖8 拉索腐蝕斷絲檢測(cè)裝置應(yīng)用照片F(xiàn)ig. 8 Picture of the application of cable corrosion/broken wiredetection device

該裝置已成功應(yīng)用于貴州、重慶等地的4座斜拉橋，以貴州紅水河大橋?yàn)槔?，測(cè)試結(jié)果如圖9。結(jié)果表明，靠近拉索錨固端，Bx(切向)、By(環(huán)向)和Bz(法向)3個(gè)方向的磁信號(hào)分量變化幅值較大；遠(yuǎn)離錨固端，磁信號(hào)變化平穩(wěn)。采用無(wú)量綱化分析指標(biāo)λ值對(duì)Bx測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)λ值變化平穩(wěn)且均處于Ⅰ級(jí)區(qū)域，判斷拉索內(nèi)部無(wú)腐蝕斷絲狀況。

圖9 貴州紅水河大橋拉索狀況評(píng)估Fig. 9 Evaluation of cable condition of Guizhou Hongshui River Bridge

該裝置的成功應(yīng)用，為橋梁拉索腐蝕狀態(tài)的精準(zhǔn)診斷提供了豐富的研究數(shù)據(jù)，研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 與其他檢測(cè)方法的比較分析

早期，對(duì)拉吊索損傷的檢測(cè)主要采用人工目測(cè)法或機(jī)器觀察法，即通過(guò)檢測(cè)人員或攜帶攝像頭的拉吊索檢測(cè)機(jī)器人[19]，對(duì)拉吊索保護(hù)層的外觀狀況進(jìn)行仔細(xì)觀察，并根據(jù)破損情況初步判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕斷絲的可能性。由于該類(lèi)方法無(wú)法準(zhǔn)確、高效地診斷腐蝕斷絲損傷，因此，近年來(lái)，無(wú)損診斷方法逐漸嶄露頭角，成為難題攻關(guān)的主流研究方向，主要包括聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法[20]、磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)法[21]和漏磁檢測(cè)法[22]。無(wú)損診斷方法通過(guò)獲取各物理參數(shù)(聲信號(hào)、磁信號(hào))，對(duì)拉吊索內(nèi)部鋼索的腐蝕情況進(jìn)行表征。其中，漏磁檢測(cè)法在應(yīng)用中較為廣泛，其利用磁化器將拉索磁化到飽和狀態(tài)，通過(guò)對(duì)局部缺陷處漏磁信號(hào)的捕捉與分析，實(shí)現(xiàn)拉索內(nèi)部腐蝕、斷絲缺陷的無(wú)損診斷。筆者團(tuán)隊(duì)研究了基于自發(fā)漏磁原理的拉索腐蝕斷絲檢測(cè)方法及裝置，與漏磁檢測(cè)法的比較分析見(jiàn)表2。

表2 拉索內(nèi)部腐蝕斷絲檢測(cè)方法的比較分析Table 2 Comparative analysis of detection methods for cable corrosion/broken wire

4 橋梁內(nèi)部鋼筋應(yīng)力檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

4.1 鋼筋應(yīng)力檢測(cè)方法研究

筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)揭示了鋼筋靜力加載與自發(fā)磁場(chǎng)分布的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)鋼筋應(yīng)力檢測(cè)與定量化表征。馬惠香[23]首先模擬出不同損傷程度的裸鋼筋、外包混凝土鋼筋，然后通過(guò)施加靜力荷載，分析了各構(gòu)件在不同受力階段的磁場(chǎng)特征：在彈性階段的磁曲線變化光滑平坦，斜率趨近于零；在屈服階段的曲線幅值變大；在強(qiáng)化階段的曲線幅值進(jìn)一步增加，且均向背景磁場(chǎng)線靠攏；在鋼筋試件的應(yīng)力集中位置，“面”圖和“線”圖分別呈現(xiàn)封閉式漩渦和波峰突變。PANG Caoyuan等[24-25]開(kāi)展了裸鋼筋、外包混凝土鋼筋試件的靜力拉伸和磁場(chǎng)在線掃描試驗(yàn)(圖10)，分析了“軸向漏磁場(chǎng)波動(dòng)對(duì)數(shù)值”AT與鋼筋線彈性階段應(yīng)力的線性變化規(guī)律，由此構(gòu)建了基于指標(biāo)AT的鋼筋彈性階段應(yīng)力量化方法，然后剖析了“面積偏移比參數(shù)”SD與鋼筋強(qiáng)化階段應(yīng)力的線性變化規(guī)律，由此提出了基于指標(biāo)SD的鋼筋強(qiáng)化階段應(yīng)力量化方法。上述斜率均與鋼筋直徑、外包混凝土強(qiáng)度、傳感器提離高度存在較強(qiáng)相關(guān)性。QU Yinghao等[26]建立了基于能量最小化原理的鋼筋應(yīng)力磁表征量化模型，通過(guò)開(kāi)展鋼筋靜力拉伸試驗(yàn)，獲取了磁場(chǎng)分布隨應(yīng)力變化的規(guī)律(圖11)，探究了鋼筋彈性階段自發(fā)漏磁信號(hào)與鋼筋應(yīng)力的量化關(guān)系，并分析了提離高度、磁場(chǎng)初始狀態(tài)對(duì)該量化關(guān)系的影響，結(jié)果表明，彈性階段磁信號(hào)特征參數(shù)S與應(yīng)力呈線性增加規(guī)律；在塑性與彈性階段過(guò)渡區(qū)，曲線斜率變化顯著；塑性階段磁信號(hào)變化不明顯；提離值和初始值對(duì)該線性變化規(guī)律影響較小。

圖10 磁信號(hào)與靜力加載曲線的相關(guān)性Fig. 10 Correlation between magnetic signal and static loading curve

圖11 磁信號(hào)特征值與應(yīng)力的相關(guān)性Fig. 11 Correlation between magnetic signal characteristic value andstress

4.2 鋼筋應(yīng)力檢測(cè)裝置研發(fā)與應(yīng)用

筆者團(tuán)隊(duì)研制了橋梁鋼筋磁記憶破壞應(yīng)力非接觸式檢測(cè)裝置，如圖12。該裝置可對(duì)橋梁特定截面處應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行單次檢測(cè)，也可對(duì)橋梁特定截面處應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握橋梁的運(yùn)行狀態(tài)。該裝置已成功應(yīng)用于云南省武易高速公路和重慶市內(nèi)22座橋梁，以重慶大田壩大橋?yàn)槔?，測(cè)試結(jié)果如圖13。結(jié)果表明，經(jīng)歷加載-卸載后，測(cè)點(diǎn)處漏磁場(chǎng)相對(duì)偏離率Dr的3個(gè)分量均小于2%，且非常接近于零，說(shuō)明鋼筋處于彈性形變范圍，承載力良好，與應(yīng)變法測(cè)試結(jié)果一致。

圖12 鋼筋應(yīng)力檢測(cè)裝置Fig. 12 Steel bar stress detection device

圖13 重慶大田壩大橋應(yīng)力磁表征分析Fig. 13 Stress magnetic characterization analysis ofChongqing Datianba Bridge

該裝置的施工周期短、檢測(cè)靈敏，可幫助管理部門(mén)實(shí)時(shí)了解橋梁內(nèi)部應(yīng)力和表觀損傷狀態(tài)，提高了橋梁檢測(cè)效率和安全性，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的管養(yǎng)措施。

4.3 與其他檢測(cè)方法的比較分析

鋼筋應(yīng)力檢測(cè)方法可分為局部破損檢測(cè)法和應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)法。局部破損檢測(cè)法以應(yīng)力釋放法(貼片法、切片法)為主。貼片法是對(duì)鋼筋表面粘貼應(yīng)變片后再施加荷載，通過(guò)測(cè)得鋼筋的應(yīng)變?cè)隽縼?lái)實(shí)現(xiàn)鋼筋的應(yīng)力檢測(cè)；切片法則是切割鋼筋使鋼筋截面減小，通過(guò)測(cè)量鋼筋釋放的應(yīng)變來(lái)反推鋼筋的應(yīng)力。應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)法包括超聲檢測(cè)[27]、渦流檢測(cè)[28-29]和磁性檢測(cè)法[30]，其通過(guò)測(cè)試聲學(xué)參數(shù)(超聲波波速、頻率等)、電學(xué)參數(shù)(感生渦流信號(hào)、電導(dǎo)率等)和磁學(xué)參數(shù)(漏磁場(chǎng)信號(hào)、磁導(dǎo)率等)，建立參數(shù)與應(yīng)力的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)鋼筋應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)。其中，貼片法為目前鋼筋應(yīng)力檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的方法。筆者團(tuán)隊(duì)研究了基于自發(fā)漏磁原理的鋼筋應(yīng)力檢測(cè)方法及裝置，與貼片法的比較分析見(jiàn)表3。

表3 橋梁內(nèi)部鋼筋應(yīng)力檢測(cè)方法的比較分析Table 3 Comparative analysis of stress detection methods of steel bars in bridges

5 結(jié) 語(yǔ)

橋梁內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)具有隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，且此類(lèi)病害造成的結(jié)構(gòu)破壞具有突發(fā)性、難預(yù)見(jiàn)性，目前仍是橋梁管養(yǎng)中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者針對(duì)橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕、拉索腐蝕斷絲和鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)難題，利用鋼筋、鋼絞線等材料的鐵磁特性，提出了基于自發(fā)漏磁原理的橋梁內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)方法，研發(fā)了相應(yīng)的橋梁病害檢測(cè)裝置，并在多座橋梁上進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法和研究成果的大規(guī)模應(yīng)用與推廣奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在后續(xù)研究中，筆者團(tuán)隊(duì)將結(jié)合實(shí)橋運(yùn)營(yíng)環(huán)境，考慮環(huán)境溫度、汽車(chē)荷載、結(jié)構(gòu)形式等復(fù)雜因素的耦合影響，提高檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度和精度，建立實(shí)用的橋梁內(nèi)部病害檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系，并融合互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)理念，不斷優(yōu)化橋梁內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)裝置的運(yùn)行性能、操作界面以及實(shí)用功能。