桥梁检测技术发展初步探讨
2015-06-24
桥梁在长期的营运过程中不免会发生各种损伤，有外观损伤及结构损伤，在此仅探讨结构损伤。损伤的原因有人为因素，也可能是自然灾害。此外随着我国交通建设的迅速发展，交通运输量大幅度增加，行车密度及车辆载重越来越大，这也可能因为超载而造成桥梁结构的损伤继而加剧其自然老化。这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低，甚至影响到运营的安全，由此而引起的一系列问题都需要相应的维修、改造和加固来解决，笔者通过多年的检测工作，对桥梁结构系统的检测技术作初步的探讨。
１．桥梁表观检查分析与评价
表观检查包括桥梁整体与局部构造几何尺寸的量测、结构病害的检查与量测等，表观检查的项目和要求对不同的桥型有不同的侧重点。表观检查要达到可以定量反映桥梁结构状况，依据相关规范评定桥梁技术等级的要求。结构资料的调查包括了解桥梁的原结构设计、施工工艺及过程以及桥梁的结构维修养护历史等。
材料检测主要是指桥梁结构材料的无损或微损检测。对于钢筋混凝土桥梁来讲，主要是混凝土与钢筋的相关检测，包括混凝土的强度等级、碳化深度、与耐久性有关的含碱量和氯离子含量，以及钢筋的锈蚀状况、保护层厚度测试等。表观检查和材料检测技术及相关测试仪器设备发展很快，是桥梁无损检测的重点研究领域。测试仪器设备及相关技术研究在国外桥梁无损检测研究方面占有很大的比重，相继研制成功或正在研制融合电、磁、雷达、数字信号处理等相关学科的高技术成套测试仪器和设备。如用于桥面板检测的双频带红外线自动温度成像系统；用于桥面板检测的探地雷达成像系统；整桥测量的激光雷达；整桥测量的无线电脉冲转发器等。
2.桥梁承载力的荷载检测法
2.1静载试验检测方法
静载试验检测法通过对桥梁进行静载试验，量测与桥梁结构性能相关的参数，与桥梁工作性能相关的主要参数有变形、挠度、应变、裂缝等。通过静载试验，可测出这些参数，从而分析得出结构的强度、刚度及抗裂性能，据此判断桥梁的承载能力。混凝土桥梁的静载试验，一般需进行以下测试内容：
（1）结构的竖向挠度、侧向挠度和扭转变形。每个跨度内至少有3个测点，并取得最大的挠度及变形值，同时观测支座下沉值。有时测试也为了验证所采用的计算理论，要实测控制截面的内力、挠度纵向和横向影响线。
（2）记录控制截面的应力分布，并取得最大值和偏载特性。沿截面高度不少于5个测点，包括上、下缘和截面突变处。有些结构需测试支点及附近、横隔板附近剪应力和主拉应力，此时需将应变计布成应变花。
（3）支座的伸缩、转角，支座的沉降；墩顶位移及转角。
（4）仔细观察是否已出现裂缝，出现初始裂缝时所加的荷载，仔细表明裂缝出现的位置、方向、长度、宽度及卸载后闭合情况。如果结构的控制截面变形、应力或裂缝扩展，在尚未加到预计最大试验荷载前，已提前达到或超过设计标准的允许值，应立即停止加载，同时注意观察裂缝扩展情况，撤离仪器和人员。
（5）细观察卸载后的残余变形。对于特殊结构而言，如悬索桥和斜拉桥，尚需观察索力和塔的变位并进行支座的测定。
2.2动载试验检测方法
动力荷载试验的目的在于研究桥梁结构的动力性能，该性能是判断桥梁运营状况和承载能力的重要标志之一。比如，动力系数是确定车辆荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，直接影响到桥梁设计的安全与经济性能；桥梁过大的振动可引起乘客和行人的不舒适；桥梁自振频率处于某些范围时，可由外荷载引起共振的危险。这是以前动力检测的主要目的。但是最近10年以来，研究者试图扩大动力检测方法的范围和功能，原理主要如下：结构损失的发生必然导致结构参数（刚度、阻尼和内部荷载）的改变。如果恰当地估计这些变化，就能给结构损伤状态的评估提供一个量化的方法。利用振动方法对桥梁进行损伤检测的基础是从桥梁振动模态的变化中能够估计出桥梁结构参数的变化。桥梁振动模态通常可用常规的试验模态分析测试方法得到。在桥梁的不同位置布置测点，通过结构损伤前后由这些测点记录的信息可提取出的桥梁振动模态特性参数的变化，以此来确定结构损伤发生的位置、大小及结构损伤的类型。
桥梁的动力试验，主要是围绕冲击系数做文章，实际的动力试验包括以下内容：
（1）测定桥跨结构在车辆荷载下的强迫振动特性，如冲击系数、强迫振动频率、动位移和动应力等。
（2）测定桥跨结构的自振特性，如自振频率、振型和阻尼特性等。
3.桥梁检测技术的发展趋势
3.1桥梁无损伤检测技术
传统的桥梁检测方法主要依赖于动静载试验和检测人员的现场目测，辅以混凝土硬度实验、超声波探测、腐蚀作用实验等多种检测手段。进入20世纪90年代，随着现代传感与通信技术的发展，无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态，先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段，使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展。
近年来，致力于桥梁检测的研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破坏性评估。一些新的方法被广泛应用于桥梁检测，如利用相干激光雷达测试桥梁下部结构的挠度，利用全息干涉仪和激光斑纹测量桥体表面的变形状态，利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土层的损伤，利用磁漏摄动检测钢索、钢梁和混凝土内部的钢筋等。随着振动实验模态分析技术的发展，运用振动测试数据进行结构动力模型修正理论得到了充分的发展，为桥梁结构的安全检测开辟了新的途径。基于振动模态分析技术，人们研究发现结构的动力响应是整体状态的一种度量，当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时，选用结构振动模态作为权数，对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理，从而实现对单元损伤的识别和有效定位。
3.2桥梁结构损伤识别技术
（1）小波分析损伤识别法。由于小波分析适合分析非平稳信号，因此可作为损伤识别中信号处理的较理想的工具，用它来构造损伤识别中所需要的特征因子，或直接提取对损伤有用的信息。小波分析在损伤识别中的应用是多方面的，如：奇异信号检测、信噪分离、频带分析等。
（2）神经网络损伤识别法。神经网络在损伤识别中的基本思路是：首先，用无损伤系统的振动测量数据来构造网络，用适当的学习方法确定网络的参数；然后，将系统的输入数据送入网络，网络就有对应的输出，如果输入过程是成功的，当系统特性无变化时，系统的输出和网络的输出应该吻合；相反，当系统有损伤时，系统的输出和网络的输出就有一个差异，这个差异就是损伤的一种测度。
4.结语
通过对桥梁进行检测可以得知桥梁的运营状态，以确保其安全使用。传统检测方法在精度和简便性等方面有所不足，随着计算机和科学技术的快速发展，人工智能将广泛地运用在各类桥梁结构的检测试验和分析上。同时，学科交叉现象日益普遍，一些高新技术的最新研究成果应用于桥梁无损检测技术的研究，必将推动桥梁检测技术的飞速发展。
