智能檢測(cè)技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

陳思遠(yuǎn)

【摘 要】文章分析了智能檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)效率、精度、檢測(cè)覆蓋面和檢測(cè)費(fèi)用等方面的優(yōu)勢(shì)，介紹了智能檢測(cè)技術(shù)的工程應(yīng)用情況，討論了橋梁施工中智能檢測(cè)技術(shù)的常用方法，包括施工材料PD檢測(cè)、施工設(shè)備UL檢測(cè)、施工環(huán)境危險(xiǎn)點(diǎn)SA檢測(cè)。結(jié)合實(shí)際工程案例，研究了基于SVS的橋梁工藝質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、橋面平整度和裂縫、墩臺(tái)沉降、構(gòu)件剛度等相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】智能檢測(cè);橋梁;施工

【中圖分類號(hào)】U445.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0194-03

0 引言

橋梁工程領(lǐng)域施工技術(shù)迅速發(fā)展，使得施工質(zhì)量不斷提高，同時(shí)大量預(yù)制件、成品件等超前施工結(jié)構(gòu)體的批量生產(chǎn)，使得橋梁工程的施工工期逐漸縮短。當(dāng)今，整個(gè)橋梁施工行業(yè)無(wú)論是在質(zhì)量規(guī)范還是在施工監(jiān)測(cè)等方面都已形成較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)體系，不同地區(qū)、不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的橋梁工程類型都有具體的施工方案和質(zhì)量保證措施與之相對(duì)應(yīng)，換言之，規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的施工發(fā)展模式在某種程度上奠定了橋梁工程的質(zhì)量基礎(chǔ)，一系列結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐磨性能好、工程造價(jià)低的施工材料得以廣泛使用，使橋梁的使用年限不斷延長(zhǎng)。

合格的施工質(zhì)量是施工企業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展的根基。為不斷提高橋梁工程的施工質(zhì)量，業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者們對(duì)新技術(shù)、新設(shè)備及新施工理念的研究在逐步深入，特別是在橋梁施工的檢測(cè)領(lǐng)域，展開(kāi)了富有成效的理論研究和實(shí)際應(yīng)用工作。筆者通過(guò)粗略檢索有關(guān)橋梁施工方面的文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，有關(guān)橋梁施工檢測(cè)技術(shù)的文獻(xiàn)占比較大，可見(jiàn)橋梁施工檢測(cè)技術(shù)在近些年是熱點(diǎn)研究問(wèn)題，且呈現(xiàn)多學(xué)科、多專業(yè)技術(shù)相互滲透的趨勢(shì)。但有關(guān)橋梁施工中智能檢測(cè)方面的課題研究卻相對(duì)較少，或尚未實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣和應(yīng)用。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的迅速普及和光纖通信技術(shù)、傳感測(cè)量技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)的不斷優(yōu)化，橋梁工程施工中智能化檢測(cè)技術(shù)在逐漸興起，加速了橋梁施工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革，為多專業(yè)、多技術(shù)的進(jìn)一步融合提供了新的平臺(tái)[1]。

1 智能檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

相比傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，智能檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)全新的領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)、制造、施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都可實(shí)現(xiàn)良好的應(yīng)用，智能檢測(cè)技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

1.1 檢測(cè)效率、精度高

智能檢測(cè)技術(shù)集傳感技術(shù)、控制技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、微處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等于一體，具有高精度自反饋的測(cè)控單元，嵌入式芯片組可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分布式處理，有效篩除了對(duì)分析無(wú)用的干擾數(shù)據(jù)，將與橋梁施工有關(guān)的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行高效獲取、處理和反饋，能夠滿足所測(cè)即所得的一站式檢測(cè)需求，提高了檢測(cè)過(guò)程的效率和精度，這是常規(guī)人工檢測(cè)方法所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

1.2 檢測(cè)覆蓋面全

智能檢測(cè)技術(shù)不僅在檢測(cè)方式上突破了以往人工檢測(cè)技術(shù)的瓶頸，而且在檢測(cè)范圍方面也實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍。例如在進(jìn)行人工檢測(cè)過(guò)程中，很多施工區(qū)域（包括很多危險(xiǎn)位置）是檢測(cè)人員所無(wú)法到達(dá)的，運(yùn)用智能檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)人員不僅可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍的全覆蓋，對(duì)于易于出現(xiàn)遺漏的位置也可由智能檢測(cè)設(shè)備發(fā)出提示，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)范圍的多角度和全覆蓋。

1.3 檢測(cè)費(fèi)用低

智能檢測(cè)設(shè)備的核心部分為高精密組件，如芯片、控制器、放大器和智能測(cè)控模組等，使得智能化檢測(cè)設(shè)備本身的費(fèi)用比較昂貴。相比人工方式檢測(cè)，智能化檢測(cè)技術(shù)省去了人工成本且后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用很低，僅需較少的零部件更換或維修費(fèi)用，且多數(shù)的智能化檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)升級(jí)是終身免費(fèi)的，因此智能檢測(cè)技術(shù)的綜合費(fèi)用相對(duì)較低[2]。

智能檢測(cè)技術(shù)在當(dāng)前國(guó)內(nèi)各工程領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，如巖土道橋工程、隧道工程、電力工程、冶金工程及航空航天工程等，此外在快遞分揀、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中也有較多的應(yīng)用。智能檢測(cè)技術(shù)依托于當(dāng)前較為先進(jìn)的信息化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，充分利用并挖掘了存量資源，提高了各生產(chǎn)要素的再利用程度，可極大地提高各類工程的施工質(zhì)量和施工效率，節(jié)省大量的人力支出。以橋梁工程施工為例，智能檢測(cè)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、橋面平整度、墩臺(tái)沉降和構(gòu)件剛度等質(zhì)量檢測(cè)中均有廣泛使用，應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期。

2 智能檢測(cè)技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

智能檢測(cè)技術(shù)以其精確的檢測(cè)結(jié)果、較高的檢測(cè)效率和良好的系統(tǒng)兼容性在橋梁工程的施工中得到了充分應(yīng)用。例如，橋梁施工材料的檢測(cè)、施工設(shè)備的檢測(cè)、施工環(huán)境危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測(cè)等。

2.1 施工材料PD檢測(cè)

施工材料的質(zhì)量對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性和安全性具有決定作用，這個(gè)部分的質(zhì)量檢測(cè)也是工程施工的重點(diǎn)。施工材料智能電位差（Potential Difference，PD）檢測(cè)技術(shù)最早由英國(guó)建筑材料學(xué)家提出，該技術(shù)原理是通過(guò)多角度測(cè)量樣本材料的電位差（導(dǎo)電性能），與標(biāo)準(zhǔn)材料電位差進(jìn)行對(duì)比，判斷該施工材料是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。由于多數(shù)施工材料的絕緣性較高，即導(dǎo)電性能較差，因此該方法不是直接將電極加載到材料上進(jìn)行測(cè)量，而是將樣本材料碾碎置于電解液容器中，插入兩根電極。為達(dá)到同樣的試驗(yàn)效果且保證測(cè)試人員的安全，應(yīng)插入兩根電位差在36 V以下的電極，通常是36 V或24 V的直流電壓。注意在此過(guò)程施加電壓不能太小，否則由于水中電解質(zhì)的存在可能無(wú)法測(cè)出準(zhǔn)確的電位差，也不能施加過(guò)大的電壓，否則會(huì)造成測(cè)試人員觸電。

以施加24 V直流電壓為例，觀察材料樣本組成的電解質(zhì)顆粒在容器中的運(yùn)動(dòng)情況，當(dāng)電解質(zhì)顆粒靜置后觀察電極兩側(cè)的電流表讀數(shù)，記錄此數(shù)值為該施工材料的電位差數(shù)值，與標(biāo)準(zhǔn)材料表中的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，電位差在5%以內(nèi)可以判定該施工材料合格，否則應(yīng)更換新的施工材料。智能化檢測(cè)設(shè)備的不斷發(fā)展，使該方法在實(shí)際的工程應(yīng)用中不再依托于手動(dòng)的電極式檢測(cè)方式，而是將樣本材料直接放入檢測(cè)料斗中，便可實(shí)現(xiàn)振搗、碾碎、溶解、調(diào)配、加壓和數(shù)據(jù)獲取全流程功能，還可完成報(bào)告打印和數(shù)值分析等自動(dòng)功能。

2.2 施工設(shè)備UL檢測(cè)

施工設(shè)備如果存在損壞、停運(yùn)、銹蝕或精度不準(zhǔn)等情況，將給施工帶來(lái)很多不便，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及人身安全。因此，在橋梁施工前應(yīng)充分做好機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)工作。超聲波（Ultrasound，UL）檢測(cè)技術(shù)起初應(yīng)用于20世紀(jì)30年代美國(guó)海軍進(jìn)行的裝備探測(cè)和檢測(cè)試驗(yàn)中，其原理是根據(jù)不同設(shè)備材料的不同密度來(lái)獲取各層級(jí)的回聲，聲音在這些設(shè)備上的傳播速度不同，且在同一設(shè)備的不同位置傳播速度也不同，這其中可能是設(shè)備損壞引起的，還可能是設(shè)備體密度分布不均所致，將這些情況統(tǒng)歸為設(shè)備的異常狀態(tài)。UL檢測(cè)技術(shù)另一種應(yīng)用方式是基于智能化檢測(cè)設(shè)備中返回聲波長(zhǎng)短來(lái)判斷設(shè)備的工況是否正常。UL檢測(cè)技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用主要在施工機(jī)械和檢測(cè)設(shè)備上，通過(guò)UL檢測(cè)技術(shù)能夠初步判斷機(jī)械或設(shè)備是否存在故障等問(wèn)題，為下一階段進(jìn)行深入的問(wèn)題處理指明方向[3]。

2.3 施工環(huán)境危險(xiǎn)點(diǎn)SA檢測(cè)

為確保施工環(huán)境的安全，減少施工意外事故的發(fā)生，應(yīng)在施工前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)、排查，包括施工過(guò)程中隨時(shí)可能發(fā)生的各類危險(xiǎn)情況。人工的環(huán)境危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)方式僅能在宏觀上粗略判斷危險(xiǎn)的位置及嚴(yán)重情況，如橋體結(jié)構(gòu)傾斜、橋面不平整、裂縫、墩臺(tái)沉降和構(gòu)件剛度問(wèn)題等，但橋梁微觀結(jié)構(gòu)中的各類安全隱患卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和及時(shí)的判斷，例如箱梁底板、腹板及頂板強(qiáng)度的細(xì)微形變，支座和墩臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性等。這些位置的危險(xiǎn)點(diǎn)需輔以智能檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行排查。

信號(hào)放大（Signal Amplification，SA）檢測(cè)技術(shù)是基于自動(dòng)化領(lǐng)域的反饋放大原理而實(shí)現(xiàn)的，搭載SA模塊的危險(xiǎn)點(diǎn)智能識(shí)別裝置通過(guò)自動(dòng)小車行進(jìn)，SA模塊設(shè)有雙頻信號(hào)發(fā)生器，能夠通過(guò)裝置探頭連續(xù)發(fā)射高頻率檢測(cè)信號(hào)，這些高頻率檢測(cè)信號(hào)穿過(guò)橋梁構(gòu)件等受檢體再返回到裝置信號(hào)搜集板中，信號(hào)搜集板晶體放大器將反饋信號(hào)進(jìn)行放大后傳輸?shù)街醒胛⑻幚砥鬟M(jìn)行分析和處理，在此之前還需要將信號(hào)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，從橋梁構(gòu)件受檢體傳回的是一些模擬信號(hào)，表示橋梁實(shí)際的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和危險(xiǎn)系數(shù)，需經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（模擬信號(hào)—數(shù)字信號(hào)）后才能由處理器進(jìn)行處理，之后將部分異常信號(hào)進(jìn)行篩選、匯總及上報(bào)，而對(duì)于發(fā)出這些異常信號(hào)的橋體部位，其結(jié)構(gòu)中極有可能已發(fā)生各類問(wèn)題和安全隱患，可視為橋梁施工過(guò)程中的危險(xiǎn)點(diǎn)，需加以預(yù)防并及時(shí)處理。

3 SVS智能檢測(cè)技術(shù)在橋梁工藝質(zhì)量中的應(yīng)用

3.1 工程總體情況

廣西梧州潯江2#大橋由于使用年限已久需要進(jìn)行局部加固處理，計(jì)劃施工期為90 d，在完成加固處理后需要對(duì)該橋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括混凝土強(qiáng)度、路面平整度、裂縫、墩臺(tái)沉降值及構(gòu)件剛度指標(biāo)等方面，考慮到工程實(shí)際情況、施工材料參數(shù)和質(zhì)量檢測(cè)工藝的可行性等，計(jì)劃將SVS智能化技術(shù)應(yīng)用到該橋梁的工藝質(zhì)量檢測(cè)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該橋梁加固后的全面質(zhì)量檢測(cè)，完成全部質(zhì)量檢測(cè)內(nèi)容的工期控制在10 d左右。

3.2 SVS智能檢測(cè)理論分析

結(jié)構(gòu)虛擬仿真（Structural Virtual Simulation，SVS）技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)專用于工程結(jié)構(gòu)模擬與研究的新型技術(shù)。該技術(shù)以圖像識(shí)別核心算法為基礎(chǔ)，以工程施工數(shù)據(jù)分布式處理模式為框架，有效集成了虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真建模的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)各類施工場(chǎng)景進(jìn)行三維建模。本工程實(shí)例中模型范圍是橋梁施工部分，可從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中直接進(jìn)行模型調(diào)用，由工程設(shè)計(jì)方案中有關(guān)橋梁的實(shí)際參數(shù)來(lái)修改各橋梁結(jié)構(gòu)體模型組件的長(zhǎng)度、寬度及厚度等屬性，最終將建好的橋梁實(shí)例三維模型在控制面板集中展示。當(dāng)SVS智能檢測(cè)設(shè)備在控制軌道上行進(jìn)到橋梁相應(yīng)的部位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別出形狀并將模型進(jìn)行展示，檢測(cè)人員點(diǎn)擊“確認(rèn)”后畫(huà)面會(huì)自動(dòng)彈出橋梁結(jié)構(gòu)中質(zhì)量合格與不合格的位置，供現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員參考。

3.3 SVS技術(shù)在橋梁工藝質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

3.3.1 混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)

在完成橋體局部加固施工且混凝土強(qiáng)度達(dá)到施工養(yǎng)護(hù)的天數(shù)（28 d）要求后，可進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的檢測(cè)工作。將混凝土取樣（10份）分次放入SVS智能檢測(cè)裝置料斗中，大約3 min能完成1次檢測(cè)，重復(fù)進(jìn)行10組樣本試驗(yàn)，確認(rèn)全部完成后在裝置的控制面板中點(diǎn)“結(jié)束試驗(yàn)”按鈕，系統(tǒng)會(huì)將這10組數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，通過(guò)內(nèi)核組件預(yù)設(shè)的加權(quán)均值算法最終得出混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)級(jí)別。

3.3.2 橋面平整度、裂縫檢測(cè)

橋平整度和裂縫部分的檢測(cè)無(wú)須進(jìn)行樣本取樣工作，使SVS試驗(yàn)小車在橋面上以勻速（5 km/h）的方式行進(jìn)即可，橋面試驗(yàn)路段約為100 m，完成一次試驗(yàn)過(guò)程的時(shí)間控制在2 min以內(nèi)，當(dāng)試驗(yàn)小車行進(jìn)至平整度較差或裂縫較多的區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光警報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)做好位置標(biāo)記，如此往復(fù)進(jìn)行5組試驗(yàn)，SVS智能檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)分別對(duì)這5組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出試驗(yàn)結(jié)果，技術(shù)人員可根據(jù)之前記錄的位置標(biāo)記、試驗(yàn)最終結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地復(fù)核情況，完成橋面平整度和裂縫檢測(cè)的確認(rèn)工作。

3.3.3 墩臺(tái)沉降值檢測(cè)

在橋梁加固施工后的墩臺(tái)沉降部分檢測(cè)中，常規(guī)的做法是預(yù)先埋設(shè)好位置標(biāo)記，完工后進(jìn)行復(fù)測(cè)以量取墩臺(tái)實(shí)際的沉降值，但這種人工的檢測(cè)方式會(huì)存在很多問(wèn)題，如檢測(cè)不及時(shí)（受施工環(huán)境影響）、檢測(cè)誤差等。SVS智能檢測(cè)技術(shù)很好地避免了這些情況的發(fā)生，并且對(duì)墩臺(tái)沉降程度具有較高的檢測(cè)精度和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。SVS進(jìn)行橋梁墩臺(tái)沉降檢測(cè)主要依托SVS上固有的幾何構(gòu)造模組，結(jié)合高程射線變化理論來(lái)實(shí)現(xiàn)墩臺(tái)沉降的智能化檢測(cè)，其檢測(cè)精度和效率是常規(guī)預(yù)埋標(biāo)記法所無(wú)法相比的。

3.3.4 構(gòu)件剛度指標(biāo)檢測(cè)

為保證工程質(zhì)量，橋梁施工構(gòu)件的質(zhì)量在施工前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)檢查，在本工程實(shí)例的結(jié)構(gòu)加固中，有可能破壞構(gòu)件原有的剛度，為確認(rèn)構(gòu)件的質(zhì)量特別是剛度仍然符合工程標(biāo)準(zhǔn)，且在交付使用后能夠承擔(dān)長(zhǎng)期交通荷載和自載的作用，應(yīng)再次進(jìn)行構(gòu)件剛度的指標(biāo)檢測(cè)，此過(guò)程調(diào)用了SVS系統(tǒng)中應(yīng)力變化感應(yīng)語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)了對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)剛度數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與分析功能[4]。

4 SVS工藝質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)評(píng)價(jià)

為評(píng)估SVS智能檢測(cè)技術(shù)在本工程實(shí)例中的應(yīng)用情況，為后續(xù)工程施工和理論研究積累經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)進(jìn)行SVS工藝質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)工作，仍以本工程加固后4個(gè)維度的檢測(cè)指標(biāo)為基本依據(jù)，即混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、橋面平整度和裂縫、墩臺(tái)沉降值、構(gòu)件剛度，以國(guó)內(nèi)同類工程項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)為支持，對(duì)比SVS智能檢測(cè)技術(shù)與人工檢測(cè)方式在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面的差異，綜合得出結(jié)論：SVS智能檢測(cè)技術(shù)在橋梁工藝質(zhì)量的檢測(cè)方面優(yōu)于人工檢測(cè)，其檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果更接近于工程設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能檢測(cè)技術(shù)因其強(qiáng)大的檢測(cè)功能、較高的檢測(cè)效率和精度、全面的檢測(cè)范圍、良好的平臺(tái)適用性及較低的檢測(cè)成本，在當(dāng)前各類工程施工中得到廣泛使用，本文將該技術(shù)應(yīng)用到橋梁工程的施工檢測(cè)中，很好地解決了人工檢測(cè)方式所面臨的問(wèn)題，突破了檢測(cè)效率和檢測(cè)范圍等技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了智能化檢測(cè)技術(shù)在橋梁施工中的空白，具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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