美国既有桥梁的高科技检测
2010-04-29
引 言
美国土木工程师协会于2001 年3 月发表了“2001 年美国基础设施调查报告”。通过对美国桥梁状况的评估，报告将此类工程的等级定为C 级，在全部11 个类别中排在第二位。美国联邦公路管理局(FHWA) 的报告显示，1998 年29 %的美国桥梁出现了结构缺陷或功能失效。桥梁工程的等级主要是根据这一事实确定的。FHWA 收集了全美国桥梁管理部门的报告，并将数据输入其“国家桥梁清单”(NBI) 数据库。美国公路桥梁的结构和功能状况的评估就是基于这些数据。虽然这个等级比全美基础设施的平均等级高，但仍不能使人满意。
1967 年，西弗吉尼亚州的锡尔弗( Silver) 桥垮塌，并造成46 人死亡。随后，FHWA 建立了“全国桥梁检查计划”。从1972 年开始，桥梁管理者将检查数据上报给FHWA。这个计划要求技术人员至少每2 年检查1 次，并将他们的发现上报FHWA。每2 年1 次上报给国会的全国桥梁状况报告要引用这些数据，制定“全国桥梁更换和修复计划”时，也要参考这些数据。2000年“全国桥梁更换和修复计划”提供了30 多亿美元用于更换和修复有病害的桥梁。
“全国桥梁调查计划”收集的数据用于管理和制定针对有病害桥梁的全国性计划是足够的，但对另一些方面的需要就显得不够。例如，数据用于桥梁维修项目时就显得不够详细。譬如NBI 中没有防锈漆体系或节点状况的详细记录，也没有提供局部损伤或退化的资料。数据用于制定计划及估计维修或恢复工程量时就显得太笼统、主观和定性。例如，NBI 对每座桥梁上部结构状况的评定用一个主观的9～0 表示从完好到失效，这种简单的划分不能描述上部结构中每个构件的状况。
针对这种局限，美国许多州建议NBI 收集更多的资料，或者他们采用另外更好的办法收集并记录桥梁数据。新办法将一座桥梁视为梁、墩等构件的集合，并记录每个构件的定量的状况数据。定义了公路桥梁标准化的构件后，可根据FHWA 的要求，将有关构件的数据自动地转化为NBI 数据。
虽然基于构件层面的检查为系统层面的桥梁管理(尤其是对于各州及当地政府层面) 提供了大量详细而有用的资料，但收集到的数据在某些方面仍然有局限，最明显的是数据的收集都是靠肉眼查看，附以锤击或凿挖等机械方法。
这些方法的问题在于肉眼查看的结果波动性太大。FHWA 的“无损评估鉴定中心”最近对肉眼查看的可靠性及NBI 的等级划分系统进行了首次深入、定量的研究。结果表明，对同一座桥梁，根据不同检查人员上报的结果，会得出3～4 个不同的等级。况且对于内部的退化、损伤或缺陷，肉眼查看无能为力。
为确定一座桥梁是否安全或是否需要维修，应该探明并测定许多类型的损伤及退化。除非损伤或退化很严重，否则其难以用肉眼察觉到。例如，光凭肉眼是不会知道是否负载超限，或是否已趋稳定，除非损伤得太严重，以致桥梁的线形发生了变化。在没有任何肉眼可察觉到的预兆下，会发生支座失效、腐蚀和疲劳破坏。而且，桥梁检查人员的日常查看不会收集到桥梁使用性能的资料，如交通堵塞的程度，事故的历史记录以及结构构件的疲劳。
资料的缺乏阻碍了按桥梁所有者要求应实施的质量改善项目，以及对真正的工程及结构分析的评价管理。现在只能估计日平均车流量，但不知道桥梁承受的车子的大小、数量及货车的吨位，也不知道桥梁实际发生的应力、应变、变形及位移。明显需要对公路桥梁的使用特性进行精确的定量。应在拥挤、事故及正常使用状况下，直接对过桥人员有影响的特性进行测定。这些特性测定可以从使用者的支出和收益角度来评定桥梁的价值。现代管理理论和实践的一个基本原则是，如果不能测定它，就不会管理它。
在执行真正的生命周期投资分析及基于特性的规范时，同样需要这些资料。和联邦的其它部门一样，FHWA 按行政命令考虑重大项目的生命周期投资。然而，桥梁的生命周期还没有确切的判定，处于不同荷载和气候环境中的不同材料及结构体系的退化速度还没有测定。迫切需要在公路基础设施管理体系中，综合考虑所有这些多层面的定量的特性测定。这些测定和探查需在多层面进行，可用于不同的目的。
FHWA 同其它部门和组织，已经完成了为满足以上需求的研究，并研制了新设备。
1 新的检测方法
为检测桥梁的健康状况，世界上许多地方的大型结构安置了大量的监测系统。穿越特拉华州连接宾夕法尼亚州和新泽西州的康芒德•巴里(Com-modere Barry) 桥就安装并运行着一个这样的系统。虽然前景看好，但这种技术的全部潜能还没有被认识和确定，还有一些很有意义的方面留待研究。信息系统的组成是其中的一个方面，这涉及到利用计算机科学地收集、存储、分析、检索及综合这些由传感器得到的海量的数据。虽然有这些局限，这些系统提供的资料已被证实对桥梁管理者很有用。例如，这些系统测量并发现，受太阳幅射的差异，受拉构件产生了出乎意料的弯矩。
1.1 激光测量装置
目前很需要旧桥承载力的非干扰测定方法。在美国，承载力不足是把一座桥梁定为结构性缺陷的最常见的理由。FHWA 对此采用的一种方法是利用激光测量桥梁受到的荷载。这种装置利用计算机控制一镜片，用一紫外线激光（不会伤害人眼）瞄准桥梁上的一点。激光测定到桥上点的量程，并计算相对于系统设定基准点的三维球坐标。该设备能在几分钟内重复测定桥上这些点几百次。这并不需要特定的靶点，对一般的钢材、混凝土和木材表面的测量效果都很好。利用这种设备，就可能快速测定重型卡车作用下桥梁的三维变形，还可以快速确定桥上的任何部分与上次测定结果相比位置的变动（精确到毫米级）。这种装置还可尽早发现桥面下挠及预应力损失。
1.2 疲劳探测仪
需要对全美成千上万座钢桥的疲劳和断裂的可能性进行探查和测定。脆性断裂除了引起锡尔弗桥垮塌外，2000 年12 月，1 片焊接板梁的脆断引起了密尔沃基一座桥梁的破坏，这表明钢桥脆性断裂依然存在。该桥在垮塌前几星期刚进行了肉眼检查，没有即将发生断裂的外部迹象。随后的鉴定分析确认焊接及细部构造产生的高残余应力和三轴向约束使桥梁存在突然脆断的可能性。仅肉眼检查不会发现这些状况，更不用说去测定了。
虽然位于密尔沃基的桥的脆断并不是主要由疲劳引起的，但疲劳仍是旧钢桥的一个主要问题。首先应测定并描述桥梁受到的随机的、变幅的循环应力。技术上已经有了掌握疲劳状况的措施， FHWA开发了一种无线桥梁检测设备及评价系统。该设备是手提式的，由电池驱动的数据采集系统(很像一个局域的数字电话网) ，利用无线电遥测技术采集数据并将数据传送到笔记本电脑。该无线电网络有很好的抗干扰力。除了采集数据，每个元件就像局域网中的一个节点。因一些钢桥有1～2 km 长，这一点对钢桥就显得很重要，因桥长后会出现电磁干扰和多路反射。利用这种技术，就有可能快速地测定一座桥疲劳的可能性及危险的细部构造、测量在车辆及风荷载作用下的响应。
无线电技术可以定量地测定疲劳荷载的状态，详细到影响疲劳破坏的细节。但它本身不会判定在此荷载作用下疲劳裂纹是否会扩展。就像反复弯折可以折断钢丝一样，与疲劳相关的应力循环会在钢桥内形成裂纹。这些裂纹并非不停地扩展，而是以微观的相当小的步幅延伸。裂纹尖端的开展伴随有能量的释放，从而产生超声应力波，与地震时的能量释放类似，是微观的。用特制的传感器可检测到应力波。这种方法称为声音辐射（AE），多年前已开始在能源及加工业得到应用。过去的AE 设备不适用于公路桥梁疲劳裂纹的长期观测。因许多桥梁上缺电，人员到达桥梁的某些部位有困难，且存在很高的环境噪声，更重要的是有使裂纹快速扩展的偶然荷载，这些都不利于AE 设备的工作。最近，FHWA 的“无损评估鉴定中心”为桥梁检测研制了电池驱动的8 通道AE 设备，已进入测试、评定阶段。该系统可通过调制解调器及无线电连接传送资料。
以上两种系统虽然很有用，但太昂贵，需要数万美元，电池驱动限制它们只能用于短期监测。为满足长期疲劳监测需要，已经开发了一种完全被动、廉价的传感器。这种传感器安装在桥上，并随同桥梁一起产生应变。它基于一种特殊的被动应变放大设计，利用2 个带模拟应变片的预先开裂试样来测量裂纹长度。试样用具有不同裂纹开展特性的材料造成。预制的疲劳裂纹在桥梁的随机变幅应变作用下开展。利用专用测量仪定期测量2 个试样上的裂缝长度，可以定出预先设定应力范围内的有效循环次数。可把这种传感器称为疲劳探测仪。利用该技术就可能记录下公路桥梁的疲劳过程。
1.3 智能支座
另外一种用于收集基本特性资料的新技术是“智能”桥梁支座。支座失效及因此产生的危险应力是桥梁破坏的常见原因，它们也是要求的一项维护检查内容。智能桥梁支座可监测和诊断通过桥梁结构系统传递到支座的活载及恒载。若结构构件的刚度由于断裂、冲击或其它原因而出现明显的变化，很可能分配到支座上的荷载就会变化。智能支座可以检测到桥梁的损伤。这种技术很复杂，但原理很简单，关键是这种支座采用了可以测量竖向应变及剪应变的多向光纤应变传感器(传感器集成在复合板内) 。通过层叠在公路桥梁中常用的聚氯丁橡胶垫内，复合板又可集成支座，从而测量来自桥梁及作用于桥梁的竖向力和侧向力。
1.4 特殊元件
探测及测量技术在公路桥梁中的潜在应用还有很多。但要求技术设备不要太昂贵、太复杂。另一个例子是一座位于华盛顿特区的立交桥的一个翼墙。该墙由于过大的液压而在移动。采取补救措施后，业主希望长期监测翼墙相对墩的位移。鉴于环境的不利因素，需要一种廉价的传感器。”无损评估鉴定中心”在几星期内构思、设计、制造并安装了1个廉价的位移传感器。传感器由粘在混凝土上的铝板和离板一小段距离的1 块带电线圈组成。线圈和板组成1 个感应振荡器。振荡频率随板和线圈之间的距离而变化。测量移动量的精度达到百分之几英寸。这种传感器采用了温度补偿技术，从2000 年夏天开始的监测证明，该墙的补救措施是有效的。
过去几年里，FHWA 已发展了通用的标准仪器，以推动快速调试和专用的传感器。该仪器可发展成为快速调试及用于检测特殊场合的重要专用部件。一个有关通用性的例子是在吊索上的应用。吊索破坏会影响结构的整体性。采用与监测翼墙相同的系统监测吊索。传感器采用焊接的金属箔片应变片。在温度变化时，吊索端部的连接套筒随桥面的变形自由转动。吊索因传递竖向荷载而设计为受拉构件。若销栓和吊索的接触面受到腐蚀（很常见的现象），二者之间的摩擦会引起吊索明显的弯曲。而且，二者的突然相对滑动会引起危险的动应力。这种现象引起的疲劳和可能断裂的后果，在细部设计时是没有考虑的。在荷载试验时，测量了吊索的响应。除了预料到的方向的弯曲外，还出乎意料地测量到吊索的横向弯曲。在监测中发现并测定这种结构行为是很有益的。
并非只有钢桥才易受到突然破坏和垮塌。2000年夏天，北卡罗来纳州一座只使用了7 年的预应力混凝土人行桥垮塌，是因高强钢筋受到腐蚀并发生破坏引起的。高强钢筋的局部腐蚀源于氯化钙出乎意料地进入了填充预制梁孔道的水泥浆。氯化钙的来源现在仍不清楚，但没有检测到的预应力筋腐蚀已引起许多桥梁破坏。
预应力筋断裂时会突然释放显著的能量。断裂产生的应力波通过结构向外传播，可以用加速度计之类的传感器探测到。通过分析信号的到达时间，不但可能探测到它的发生，也可能探测到断裂的部位。这同地震监测网确定震源及震级大小的方法类似。这种装置已有出售，并开始安装到桥梁上。
监测到钢丝的断裂自然很有用，但更有前途的技术是在破坏前定量的检测到腐蚀状况。在冬季大雪后，为保证公路桥梁开通，常在道路上洒盐，这是引起公路桥梁腐蚀的主要原因。结构中钢的腐蚀一般都看得见。除非出现明显的破坏，混凝土结构中的预应力钢筋的腐蚀是看不见的。在FHWA 的协助下，开发了一种预埋式腐蚀传感器。这种传感器预埋在混凝土结构内，可以测量腐蚀的速度、混凝土的导电性、氯离子的聚集。这种传感器体积很小，甚至最终会自带能量，并通过射频方法被“询问”。已经用一些单个的元件组装了样品，可以采用集成电路技术使该装置微型化。可将成千上万廉价的这种传感器预埋在一座桥内，从而在严重的破坏到来前，完全独立于桥梁之外，如果没有考虑具体的或未记载的因素，从大量桥梁得到的总体数据来确定桥梁构件的退化率将带来错误的结果。提供关于腐蚀程度的定量资料。
2 智能化桥梁展望
建造更加智能化桥梁的技术已经成熟，这种技术通过提供定量的、客观的资料，可以使人们放弃主观的桥梁管理体系。这就需要研制出一种更加定量化的管理方法。美国的科研和工程界已加强了这方面的工作。
科研界已举行了几个专题研讨会，汇总了来自公众的、私人的及学术团体的看法，确定了迫切需要对老龄化公路基础设施展开的研究。结论形成了“国家基础设施修复研究日程”报告。报告认为可靠而及时的数据对全美公路的高效管理非常关键。报告还高度关注对改进的决策支持系统的需要，以及在基础设施的管理中引入基于概率的生命周期分析的重要性。报告强调需要对基础设施进行评估，并量化系统的效益。还强调了量化的、相关的、有价值的特性的测定。智能桥梁对这几方面都有帮助。
通过监测和测量极端条件下公路结构的荷载及结构响应，会极大地提高公路结构在极端条件下的安全性。采用使结构更加智能化的技术得到的定量的测量数据，可以满足评估和管理桥梁及其它结构的需要。不通过对结构行为和老化的长期观察和定量测量，就不可能改进规范。最终，支持桥梁维护自动化的基础资料（是一个国家基础设施研究和发展应首先考虑的），必须通过监测和测量技术得到。
智能桥梁可为系统和桥梁层面的管理提供大量的数据。智能桥梁提供的数据可以更可靠、有用地推动资产管理。通过测量和监测危险的桥梁构件，可使桥梁的安全性，特别是在极端条件下的安全性，向前迈进一步。发觉事故和评定结构状态的桥梁技术，可以增强安全性、可靠性及养护高效性。桥梁的整体健康状况，和基于资产管理及改进的规范的性能评估，应该也必然只有通过采用定量的测量方法来实现。主观的评价完全不足以满足这些要求。只有通过建立智能桥梁，才能提高桥梁结构的等级水平。
参 考 文 献：
[1 ] Lauridsen J et al. Creating a Bridge Management System[J] .Structural Engineering International ,1998 ,8(3) :216 – 220.
[2 ] Das P. Recent Advances in Bridge Engineering International Proceedings[C] . CIMNE Barcelona , 1996。
[3 ] Yanev B,Bridge Management for New York City[J ] .Structural Engineering International ,1998 ,8(3) :211 – 215.
[4 ] Steven B Chase. High2tech Inspection [J ]. Civil Engineering , 2001 , (9) :62 - 65。
