近20年來國內(nèi)無損道橋檢測技術(shù)的發(fā)展

近20年來國內(nèi)無損道橋檢測技術(shù)的發(fā)展

近20年來，中國的道橋建設(shè)取得了快速發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)、新的材料和新的工藝呈現(xiàn)出。然而，隨著對土地的高度發(fā)展和建設(shè)，現(xiàn)有道橋結(jié)構(gòu)的使用負(fù)荷越來越大，大量既有道路和橋梁相繼進(jìn)入老化時(shí)代。為此,為了確保道橋結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營,對道橋檢測工作提出了更高的要求,道橋檢測工作亦由此愈發(fā)顯得重要。另外,隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用,測試技術(shù)、分析手段也取得了長足的進(jìn)展?；诖?國內(nèi)外在道橋檢測方面相繼出現(xiàn)了許多現(xiàn)代檢測技術(shù)與檢測方法,其中比較具代表性的,國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注最多的是橋梁的健康診斷無損檢測。從某種意義上講,橋梁檢測技術(shù),特別是借助于現(xiàn)代檢測手段的無損檢測技術(shù),代表了橋梁檢測技術(shù)的最新發(fā)展方向,也是橋梁健康監(jiān)測這一大型綜合智能型決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。要合理評價(jià)橋梁的健康狀況,首先必須正確認(rèn)識橋梁在不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)特性及對結(jié)構(gòu)中既有損傷的識別與定位。較為準(zhǔn)確而定量的橋梁狀況數(shù)據(jù),必將導(dǎo)致較好的決策和資源的更合理配置,無損檢測技術(shù)正是順應(yīng)這一要求而發(fā)展起來的。特別是近年來,隨著世界范圍內(nèi)道橋結(jié)構(gòu)損傷、老化及病害事故的增多,使無損檢測技術(shù)的研究顯得更加迫切。早在20世紀(jì)30年代初,人們就已開始探索和研究混凝土無損檢測方法,并獲得迅速發(fā)展。1930年首先出現(xiàn)了表面壓痕法;1935年格里姆(G.Grimet)、艾德(J.M.Ide)用共振法測量混凝土的彈性模量;1949年加拿大的萊斯利(Leslie)和奇斯曼(Cheesman)、英國的瓊斯(R.Jones)等運(yùn)用超聲脈沖法獲得成功,這些研究為混凝土無損檢測技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。隨后,許多國家也相繼開展了這方面的研究,并取得了豐碩的研究成果,從而形成了一個(gè)較為完整的混凝土無損檢測體系。道橋無損檢測技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的,并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了快速發(fā)展。目前較為先進(jìn)的無損道橋檢測技術(shù)主要有以下幾項(xiàng):(1)光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用,并開始研究制造適合于橋梁檢測的傳感器;(2)用超聲波檢測灌漿管道中的空隙位置;(3)探地雷達(dá)在道橋中的應(yīng)用、瞬態(tài)振動(dòng)法無損檢測橋梁樁基以及利用紅外圖像無損檢測等。本文扼要地介紹了其中的幾種無損檢測技術(shù)在道橋檢測中的應(yīng)用,分析了以上無損檢測技術(shù)所存在的困難與問題,從中提出一些解決的方法、對策思路以及無損檢測的發(fā)展趨勢。1檢測技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)或構(gòu)件檢測方法無損檢測技術(shù)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下,通過測定某些適當(dāng)?shù)奈锢砹縼砼袛嘟Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些性能的檢測方法。無損檢測技術(shù)是多學(xué)科緊密結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)物,現(xiàn)代材料學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展為無損檢測技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ),而現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展又為無損檢測技術(shù)提供了現(xiàn)代化的測試工具。1.2在橋梁上應(yīng)用和存在的破壞檢測技術(shù)的主要問題1.2.1光纖智能橋梁檢測光纖傳感技術(shù)是利用光纖對某些特定的物理量敏感的特性,將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號的技術(shù)。從70年代中期至今,光纖傳感技術(shù)經(jīng)過20多年時(shí)間的飛速發(fā)展,已經(jīng)有了很大的進(jìn)步,已成功研制百余種光纖傳感器。它已涉及到國防軍事、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、生物醫(yī)藥、計(jì)量測試、自動(dòng)控制和家用電器等各種領(lǐng)域。將光纖傳感器應(yīng)用于橋梁測量中,可實(shí)現(xiàn)對橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測量和監(jiān)測,構(gòu)成所謂的光纖智能橋梁。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比主要差別在于:傳統(tǒng)的傳感器是以應(yīng)變-電量為基礎(chǔ),以電信號為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體,用導(dǎo)線傳輸電信號,因而使用時(shí)受到環(huán)境的限制,如環(huán)境濕度太大可能引起短路,特別是高溫和易燃、易爆環(huán)境中易引起火災(zāi)等。光纖應(yīng)變傳感器是以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體,利用光纖傳輸信號,它的優(yōu)點(diǎn)是:光纖是由石英玻璃制成的,是一種介質(zhì)、絕緣體,且耐高壓、耐腐蝕,能在易燃易爆的環(huán)境下可靠運(yùn)行;光纖為無源器件,對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖體積小,重量輕,可做成任意形狀的傳感器陣列;光纖傳感器的載體是光。我國從90年代就開始了對光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究。同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等院校已對光纖傳感器應(yīng)用于橋梁檢測進(jìn)行了理論研究,并已應(yīng)用于橋梁檢測中,取得了較好的效果。其中重慶大學(xué)已把其在光纖傳感技術(shù)方面的研究成果應(yīng)用在重慶槽坊立交橋的長期在線動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程健康監(jiān)測中,證明了原理的可行性。從而把光纖傳感技術(shù)運(yùn)用到橋梁檢測中,給橋梁健康監(jiān)測和安全評價(jià)注入了新的活力。光纖無損檢測技術(shù)雖然有其獨(dú)特的優(yōu)越性能,能對橋梁進(jìn)行健康診斷,在橋梁檢測中的應(yīng)用形勢比較樂觀。然而針對我國的國情目前還難以推廣,原因是其價(jià)格高昂。1.2.2鋼管混凝土檢測工藝超聲波檢測梁中的空隙位置是利用瞬間應(yīng)力波的原理,用一種短促的機(jī)械撞擊(由小鋼球敲擊混凝土表面而產(chǎn)生)產(chǎn)生低頻應(yīng)力波,傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)內(nèi)部,再由斷裂面或外面發(fā)射回來。來自沖擊面、斷裂面以及其它面間的多種波會(huì)產(chǎn)生瞬間共振,可以用來測定結(jié)構(gòu)的完整性或裂隙的位置,記錄下來的信號(時(shí)間-頻率曲線)可以進(jìn)一步提供有關(guān)空隙位置的信息。如利用超聲波檢測鋼管混凝土中鋼管與混凝土以及混凝土內(nèi)部之間的脫空情況等,其原理可以歸納如下:當(dāng)超聲波換能器布置為直接對穿法檢測時(shí),超聲波在鋼管混凝土中徑向傳播的時(shí)間tc與繞鋼管壁半周長傳播時(shí)間tsp的關(guān)系為:tsp=π·vc·tc/2vsp(1)式中Vc——超聲波在鋼管混凝土中的傳播速度;Vsp——超聲波繞鋼管壁的傳播速度。該工程鋼管混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50,采用525#普通硅酸鹽水泥、中砂、5~25mm碎石,摻Ⅱ級低鈣灰、高濃高效泵送劑以及U型膨脹劑。鋼管混凝土實(shí)測超聲聲速Vc約為4.5km/s,鋼管的聲速Vsp約為5.4km/s,即:tsp=1.3tc(2)由上式可以看出,只要鋼管混凝土內(nèi)部是密實(shí)的,且混凝土與鋼管內(nèi)壁膠結(jié)良好,則用對穿法檢測時(shí),接收信號的首波是沿鋼管混凝土徑向傳播的超聲縱波,而繞鋼管壁半周長傳播的時(shí)間較長,其初至波疊加于首波之后。故應(yīng)用超聲波檢測鋼管混凝土的質(zhì)量情況。確實(shí)超聲波可以應(yīng)用于橋梁的綜合檢測和維修,可以對橋的梁、板以及樁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,以確定管道中是否存在空隙,進(jìn)而可以及時(shí)進(jìn)行灌漿修補(bǔ)。然該項(xiàng)檢測技術(shù)也有許多有待改進(jìn)和完善的地方:管道相交或相鄰時(shí)對檢測的影響;管道中有蜂窩體、水或部分空氣時(shí)對結(jié)果的影響;采用別的材料的管道對檢測的影響;該項(xiàng)檢測技術(shù)在檢測道路路基密實(shí)性等問題還有待進(jìn)一步的研究。1.2.3探地雷達(dá)t探地雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波(10~1000MHz或更高)以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線送入地下,該雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中,遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí),部分雷達(dá)波的能量被反射回地面,被接收天線接收。探地雷達(dá)探測的是來自地下介質(zhì)交界面的反射波,每一記錄到的雷達(dá)數(shù)據(jù)n(t)可看成是雷達(dá)脈沖子波b(t)與反射波系數(shù)序列R(t)的乘積:n(t)=∫∞∞b(τ)R(t?τ)dτ=b(t)×R(t)(3)n(t)=∫∞∞b(τ)R(t-τ)dτ=b(t)×R(t)(3)式中,子波b(t)取決于所使用的雷達(dá)系統(tǒng),而R(t)則包含了地下介質(zhì)的信息。通過探地雷達(dá)記錄反射波到達(dá)地面的時(shí)間t和反射波的波幅來研究地下介質(zhì)的分布,以其特有的高分辨率在淺層或超淺層探測中有著極其廣闊的應(yīng)用。探地雷達(dá)特點(diǎn)為:能精確測定缺陷區(qū)的形狀、大小和深度;勞力省、操作方便、高速;能在大范圍內(nèi)進(jìn)行檢測;不受周圍環(huán)境影響。探地雷達(dá)在道路具體的應(yīng)用中主要是對道路面層厚度檢測、道路基層空洞及高含水的檢測、基層厚度以及擋土墻病害檢測等。另外根據(jù)探地雷達(dá)的特性,還可以將其運(yùn)用于道路的材質(zhì)、裂縫、濕度檢測,以及橋梁的結(jié)構(gòu)檢測等。這對于雷達(dá)的性能以及分析人員有著較高的要求,必須有大量的實(shí)測數(shù)據(jù)及工程實(shí)踐為基礎(chǔ)。探地雷達(dá)在道路以及橋梁結(jié)構(gòu)的檢測方面的確具有廣闊前景,然其價(jià)格也比較貴,如意大利某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,價(jià)格較低的1臺(tái)也需要20多萬人民幣,還有待自產(chǎn)開發(fā)研制才能得以推廣應(yīng)用。通過對以上幾種無損檢測技術(shù)在道橋工程中的應(yīng)用情況分析,可以看出無損檢測技術(shù)在我國道橋檢測行業(yè)中的應(yīng)用已不同程度地得到了快速的發(fā)展,無論在無損檢測技術(shù)的研究或產(chǎn)品的開發(fā)方面,還是在道橋工程的各個(gè)領(lǐng)域均取得了前所未有的成績。但是,必須承認(rèn)無損檢測技術(shù)在道橋或其它行業(yè)的應(yīng)用中仍然存在不足和差距。比如,對某一技術(shù)的研究總是不如別人早,即使有的技術(shù)比別人早,但產(chǎn)品的開發(fā)又比人家慢,時(shí)常在利用該技術(shù)時(shí)卻要花很大的代價(jià),從而使一些已比較成熟的檢測技術(shù)遲遲得不到推廣發(fā)展,這也是筆者寫此文章的一個(gè)原因所在。據(jù)此想引起同行的注意,使無損檢測技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展和推廣,能做到健康診斷,真正為道橋工程服務(wù)。2通過推動(dòng)和改善橋梁損壞檢測的概念和方法2.1技術(shù)的運(yùn)用難度比較大通過對以上3種較先進(jìn)的無損道橋檢測技術(shù)的分析,從中不難發(fā)現(xiàn)其有一個(gè)共同的特點(diǎn):這些技術(shù)大多首先是從國外引進(jìn),因此其價(jià)格都比較貴,在我國進(jìn)行大范圍的運(yùn)用推廣存在一定的難度。針對該情況,為使該技術(shù)能在我國得到廣泛應(yīng)用,除了必須掌握該類檢測技術(shù)外,還應(yīng)盡可能根據(jù)我國國情進(jìn)行自主技術(shù)創(chuàng)新,使我國的道橋檢測技術(shù)在國際上有所突破。2.2缺少適合我國國情的產(chǎn)品雖然我國檢測技術(shù)也在不斷進(jìn)行研究,在有些領(lǐng)域也取得了一些成績,但多數(shù)檢測技術(shù)研究均是跟在人家的后面,很多是依賴別人,就很難開發(fā)出適合我國國情的產(chǎn)品。因此,在今后的研究中,研究人員不僅需要從原理上掌握檢測技術(shù),而且要從制作工藝、產(chǎn)品開發(fā)等方面著手研制高性能、低價(jià)格的檢測技術(shù)產(chǎn)品以滿足國內(nèi)的市場需求,從而使這些現(xiàn)代的檢測技術(shù)在我國得到廣泛應(yīng)用。2.3其他項(xiàng)目檢測技術(shù)道路工程是由點(diǎn)、線、面所組成呈帶狀分布的系統(tǒng)工程,它涉及的內(nèi)容比較多、范圍比較廣,通常有路基、路面、橋涵、隧道等多種結(jié)構(gòu)物。以上提到的檢測技術(shù)僅僅是在道橋工程的一小范圍內(nèi)得以運(yùn)用,還有許多新的項(xiàng)目檢測技術(shù)有待于研究開發(fā),使其可以運(yùn)用在道橋工程領(lǐng)域的不同方面。如利用檢測設(shè)備對橋梁的橋面結(jié)構(gòu)、混凝土橋梁結(jié)構(gòu)、鋼橋結(jié)構(gòu)、橋梁的下部結(jié)構(gòu)、道路路基路面結(jié)構(gòu)密實(shí)度、擋土墻病害檢測以及對橋梁地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等多方面地進(jìn)行全方位的檢測。從而不僅使行業(yè)的檢測技術(shù)領(lǐng)域得到發(fā)展,而且使被檢測的內(nèi)容也得以完善與補(bǔ)充。2.4專業(yè)技術(shù)素質(zhì)與行業(yè)檢測能力道橋檢測是對道橋原型結(jié)構(gòu)或橋梁模型結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行的科學(xué)檢測工作,包括檢測準(zhǔn)備、現(xiàn)場檢測、分析整理等內(nèi)容的一系列工作,它對行業(yè)隊(duì)伍的專業(yè)技術(shù)素質(zhì)要求比較高。另外,我國前段時(shí)間一直注重建設(shè),而對于行業(yè)檢測與加固技術(shù)等方面顯得比較遲緩。因此為促進(jìn)我國行業(yè)檢測技術(shù)水平的提高,很有必要加強(qiáng)行業(yè)檢測隊(duì)伍的建設(shè),如高校設(shè)置行業(yè)檢測專業(yè)、對從事行業(yè)檢測的技術(shù)人員要時(shí)常舉行專業(yè)技術(shù)的培訓(xùn),相應(yīng)地建立行業(yè)檢測技術(shù)規(guī)范以及檢測技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)等,使我國的行業(yè)檢測隊(duì)伍不斷地走向規(guī)范化。3無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢無損檢測技術(shù)在道橋工程中的應(yīng)用,經(jīng)歷了相當(dāng)長的一段時(shí)期,就像通常的一門技術(shù)一樣經(jīng)歷研究、開發(fā)、應(yīng)用等不同階段。但若想使某行業(yè)得到及時(shí)快速的發(fā)展則必須不斷地對該行業(yè)的內(nèi)在發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展趨勢進(jìn)行分析與預(yù)測,對行業(yè)一些需急于解決的技術(shù)問題應(yīng)做出發(fā)展設(shè)想與研究以求得到較好的經(jīng)濟(jì)效益,如像道路橫段面設(shè)計(jì)中土石方的比例確定是否可用無損技術(shù)測量或別的檢驗(yàn)方法等。道橋無損檢測行業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢:(1)路線橫段面設(shè)計(jì)中土石方比例以及擋土墻埋至深度的確定其檢測技術(shù)的研究與開發(fā);(2)探地雷達(dá)在路線勘測設(shè)計(jì)以及擋土墻埋至深度檢測確定中的應(yīng)用研究;(3)利用遠(yuǎn)紅外熱成像檢測道橋結(jié)構(gòu)的損傷識別;(4)運(yùn)用全球定位系統(tǒng)(GPS)測量橋梁變形,運(yùn)用TRIP鋼傳感器對橋梁超載進(jìn)行測量和監(jiān)測等;(5)用強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)法定量評估橋梁下部結(jié)構(gòu),用激光振動(dòng)計(jì)測量斜拉索索力以及量化的無損檢測;(6)用微波技術(shù)對疲勞裂紋進(jìn)行探測和定量分析等;(7)利用超聲波檢測路面路基密實(shí)度以及平整度等;(8)將無損檢測納入新橋設(shè)計(jì)的一部分。無損檢測技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶。無損檢測技術(shù)促進(jìn)了工業(yè)以致整個(gè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,從某種意義上講,無損檢測技術(shù)水平可以作為衡量一個(gè)國家工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度,以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平高低的標(biāo)志之一。同時(shí),無損檢測技術(shù)是多學(xué)科綜合的一門應(yīng)用技術(shù),是建立在基礎(chǔ)學(xué)科的基礎(chǔ)之上的,只有從基礎(chǔ)理論中不斷吸收養(yǎng)分,才能不斷完善和發(fā)展。無損檢測技術(shù)的研究,應(yīng)善于把基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐結(jié)合起來,建立起理論研究與工程應(yīng)用聯(lián)系的橋梁,完善現(xiàn)有的方法和開辟新的途徑。4無損檢測技術(shù)應(yīng)用狀況在我國大規(guī)模進(jìn)行交通建設(shè)的