基于無損檢測技術(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

王晨

摘要 文章研究基于無損檢測技術(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，利用超聲波發(fā)生器，向橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射超聲波，通過超聲波接收器采集超聲波數(shù)據(jù)，對比分析采集的超聲波數(shù)據(jù)與健康橋梁結(jié)構(gòu)時的超聲波數(shù)據(jù)，如果兩個數(shù)據(jù)相同，說明橋梁結(jié)構(gòu)無損傷，如果兩個數(shù)據(jù)不同，說明橋梁結(jié)構(gòu)有損傷，并根據(jù)兩個數(shù)據(jù)的差距，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，確定損傷位置，實現(xiàn)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；通過ABAQUS軟件模擬分析該方法的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測效果。研究結(jié)果表明，對于較小損傷與較大損傷，該方法均可精準(zhǔn)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，并確定損傷位置，具備較高的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測精度。

關(guān)鍵詞 無損檢測技術(shù)；高速公路；橋梁結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測；超聲波

中圖分類號 U446.3文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0001-03

0 引言

當(dāng)公路橋梁出現(xiàn)安全事故時，不僅會影響人們的生命安全，還會給社會造成經(jīng)濟損失。運用科學(xué)、合理的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法可及時發(fā)現(xiàn)公路橋梁存在的安全隱患，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故[1]。無損檢測技術(shù)不僅不會損傷橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能夠有效檢測橋梁結(jié)構(gòu)的微小損傷，確定損傷程度與位置。為此，研究基于無損檢測技術(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，精準(zhǔn)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況具有一定的現(xiàn)實意義。

1 高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

1.1 超聲波技術(shù)的工作原理

超聲波技術(shù)屬于一種無損檢測技術(shù)，該技術(shù)可有效地檢測橋梁結(jié)構(gòu)的缺陷。受車輛荷載與環(huán)境等因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷情況，利用超聲波技術(shù)，可有效得到橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息，并和原始結(jié)構(gòu)信息展開對比，確定橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷，以及損傷程度[2]。

超聲波技術(shù)的工作原理：向高速公路橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)射超聲波，采集超聲波數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析，得到高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況，及時做好防御工作，避免出現(xiàn)橋梁安全事故。

1.2 工程概況

以某市的高速公路斜拉橋為研究對象，該座橋梁共包含4期，其具體信息如表1所示。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工作流程

在高速公路橋梁上安裝超聲波發(fā)生器與接收器，利用超聲波發(fā)生器將超聲波作用在橋梁結(jié)構(gòu)中，由接收器接收作用在橋梁結(jié)構(gòu)中的超聲波[3]?；诔暡夹g(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測流程如圖1所示。

具體步驟如下：

步驟1：在橋梁溝槽內(nèi)，安裝超聲波發(fā)生器，令其向橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射超聲波。

步驟2：通過超聲波接收器采集超聲波數(shù)據(jù)。

步驟3：通過中央處理器，存儲采集的數(shù)據(jù)，并對其進行處理[4]。

步驟4：對比分析處理后的數(shù)據(jù)與健康橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如果兩個數(shù)據(jù)完全相同，說明此時橋梁結(jié)構(gòu)無損傷，如果兩個數(shù)據(jù)不同，說明此時橋梁結(jié)構(gòu)有損傷，并根據(jù)兩個數(shù)據(jù)的差距，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，確定損傷位置，實現(xiàn)對高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。

1.4 數(shù)值模擬

為分析超聲波技術(shù)對高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的作用，利用ABAQUS軟件，設(shè)置不同橋梁工況，模擬分析超聲波技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測效果。ABAQUS軟件模擬分析的具體步驟如下：

步驟1：依據(jù)斜拉索橋梁的實際情況，建立橋梁結(jié)構(gòu)三維模型[5]，并設(shè)置參數(shù)，包含模型形狀與材料性質(zhì)等。選擇彈性本構(gòu)關(guān)系類型，結(jié)合直接建模方法，構(gòu)建健康與存在缺陷的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)三維模型，并將缺陷尺寸與有關(guān)參數(shù)直接導(dǎo)入三維模型內(nèi)。

步驟2：設(shè)置分析類型，制定分析步驟與輸出方式。利用瞬態(tài)動力學(xué)分析法，分析荷載作用下，超聲波在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的運動傳播過程，分析過程中需確保接收到的回波信號無缺失。

步驟3：對三維模型進行網(wǎng)格劃分，確定需要劃分的單元類型與長度。網(wǎng)格單元尺寸Δq與時間步長Δt，均會影響有限元分析精度。網(wǎng)格單元尺寸與其包含的模型信息具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有限元分析結(jié)果精度也具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但Δq越小，計算時間越長。Δt的大小與有限元分析結(jié)果精度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但Δt越小，計算時間越長。為此，需要合理選擇Δq與Δt。Δq的計算公式如下：

式中，λ——超聲波波長。

Δt的計算公式如下：

式中，cg——超聲波傳播速度。

以實體單元類型，為橋梁結(jié)構(gòu)三維模型的網(wǎng)格劃分單元類型，可提升有限元分析精度，該單元類型可近似實際橋梁結(jié)構(gòu)，誤差較小。

步驟4：在橋梁結(jié)構(gòu)模型上施加荷載，并設(shè)置不同溫度條件，同時設(shè)計約束與邊界條件。確定橋梁結(jié)構(gòu)三維模型后，需要確定荷載激勵方式，在實驗中采用縱向軸對稱模式發(fā)射超聲波，僅能獲取橋梁結(jié)構(gòu)水平方向的變形量和垂直方向高程變化量。為此，在橋梁結(jié)構(gòu)三維模型中施加荷載，可模擬分析實際情況下的超聲波記錄，并依據(jù)信號傳播過程，獲取加速度的變化情況。以真空條件作為橋梁結(jié)構(gòu)三維模型的邊界條件，在橋梁結(jié)構(gòu)末端施加固定約束。在橋梁結(jié)構(gòu)三維模型中，均勻設(shè)置10個監(jiān)測點，記作監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點3、監(jiān)測點4、監(jiān)測點5、監(jiān)測點6、監(jiān)測點7、監(jiān)測點8、監(jiān)測點9、監(jiān)測點10。

步驟5：對不同工況下的數(shù)值模型進行數(shù)值計算。

步驟6：以二進制文件格式存儲數(shù)值計算結(jié)果，并進行后處理。

步驟7：以表格與曲線圖等方式呈現(xiàn)超聲波技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果。

2 實驗分析

利用ABAQUS軟件，模擬分析該文方法在高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用效果。分析高速公路橋梁結(jié)構(gòu)損傷不同位置時，該文方法所測得的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測效果的分析結(jié)果如圖2所示：橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置分別設(shè)置在監(jiān)測點2與監(jiān)測點3之間，以及監(jiān)測點7與監(jiān)測點8之間，其中監(jiān)測點2至監(jiān)測點3之間的損傷程度較小，監(jiān)測點7至監(jiān)測點8之間的損傷程度較大。

對比分析圖2（a）與圖2（b）可知，超聲波加速度波形圖在監(jiān)測點2至監(jiān)測3之間存在小幅度的波動情況，說明監(jiān)測點2與監(jiān)測點3之間存在損傷，且損傷程度較小，與實際情況相符，說明該文方法可精準(zhǔn)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的輕微損傷情況，并精準(zhǔn)地確定橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置與損傷程度。對比分析圖2（a）與圖2（c）可知，超聲波加速度波形圖在監(jiān)測點7至監(jiān)測8之間存在大幅度的波動情況，說明監(jiān)測點7與監(jiān)測點8之間存在損傷，且損傷程度較大，與實際情況相符，說明該文方法可精準(zhǔn)地監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷情況，并精準(zhǔn)地確定橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置與損傷程度。綜合分析可知，無論是較小程度的損傷，還是較大程度的損傷，該文方法均可精準(zhǔn)地監(jiān)測到損傷位置，并確定損傷程度，即該文方法具備較高的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測精度。

分析不同溫度工況下，該文方法的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測效果，溫度工況分別為主梁溫度梯度是15 ℃、索塔溫度梯度是15 ℃、索梁溫差是15 ℃。分析結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可知，在三種不同溫度工況下，該文方法均可有效監(jiān)測到該高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的主梁豎向變形情況；三種溫度工況下，該高速公路橋梁均存在不同程度的主梁豎向變形情況，其中，索梁溫度15 ℃時，高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的主梁豎向變形量最大，最高變形量是35.94 mm；其余兩種溫度工況下，主梁豎向變形量相差較小，主梁溫度梯度15 ℃時的最大主梁豎向變形量是

3.54 mm，索塔溫度梯度15 ℃時的最大主梁豎向變形量是3.99 mm。綜合分析可知，在日常維護該高速公路橋梁結(jié)構(gòu)時，需重點考慮索梁溫差情況，避免出現(xiàn)橋梁事故，提升高速公路橋梁使用的安全性。

3 結(jié)語

高速公路橋梁為人們的生活提供了很多便利，但受車輛荷載與天氣等因素的影響，導(dǎo)致其使用性能迅速下降，加大了橋梁安全事故發(fā)生的概率。為此，研究基于無損檢測技術(shù)的高速公路橋梁健康監(jiān)測方法，在不損傷橋梁結(jié)構(gòu)的同時，可及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的損傷問題，并制定合理的維護方案，提升橋梁使用的安全性能。

參考文獻

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