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现代桥梁检测技术发展追踪
2011-10-13 14:57:41   点击:

  王毅娟 王健

  (北京建筑工程学院 北京市,100044)

  摘要:为了确保已建的桥梁具有良好运营状态和正常使用功能,应利用桥梁检测与监测技术及时发现和控制早期病害。本文扼要说明了一般桥梁检测的方法与内容,并着重介绍了近年来检测与监测技术的开发与应用。

  关键词:桥梁 结构 检测 监测 技术

  引言

  对已建桥梁进行检测的技术主要包括两个内容,即桥梁检查和荷载试验评定。

  桥梁检查是进行桥梁养护、维修与加固的前期工作,是决定维修与加固方案可行和正确与否的可靠基础。其目的在于:通过对桥梁的技术状况、缺陷和损伤进行全面、细致、深入地现场检查,查明缺陷或潜在缺陷和损伤的性质、所在部位、严重程度及发展趋势,分析产生缺陷、发生损伤的原因,以便正确评价缺陷和损伤对桥梁质量及承载能力产生的影响,并为桥梁加固和改造技术提供具体技术资料。与此同时,还能随时掌握结构的技术状况和安全状态,总结设计、施工、使用和维修的经验和教训,指导对桥梁的正确使用、管理和维修。

  桥梁检查一般根据方法的不同可分为直接接触式检查和不接触的检查两种。前者就是对结构损坏部位进行接触量测、标记、安设检测仪器的检查。后者则是在视野所及的范围内凭目力(或望远镜)眺望扫视。

  根据检查重要程度的不同以及时间间隔的长短,桥梁检查工作又可分为和定期检查。一般检查也叫经常性的检查,可每个月或几个月一次,属于一般性的巡视检查,在我国通常由养护道班来完成。定期检查也叫详细检查,可几年一次(一至三年),或周期更长一些(五至七年)一次。定期检查要较为详细地检查桥梁结构各个部位的使用状况,必须采取接触检查,且需要动用特殊的机械设备与测量仪器。还有一种特殊检查是指在特殊情况,如:暴雨、洪水、地震等灾害发生之后对桥梁结构进行的检查。

  对于桥梁的管理、评估或修复计划来说,“一般检查”所收集的信息太概括、太主观、太定性,因它多是通过表观检查,以及一些有限的机械方法如听锤敲的声音所得到的,而且它难以发现不可见的老化、损坏和危险情况。但要频繁实施详细的“定期检查”也是不现实的。另外,通过检查发现损伤后,要进一步判断是否需要修补,还应进一步观察损伤的进展状况;而且进行补修后,为确认其补修效果,也必须对桥梁结构继续监测。因此,对桥梁结构进行“长期跟踪监测”, 以便获取综合的、定量的检测信息,已成为桥梁工程界提高通行质量、进行资产管理、对实际桥梁寿命周期的分析或制定桥梁性能方面的规范等方面的迫切需要。

  1.雷达与红外热象仪检测技术

  用于预测桥面病害的一般方法是:测量氯化物含量和电势,并进行肉眼观测,这样既费时又妨碍交通。更糟的是它不能就沥青桥面铺装的整个病害情况提供准确数据。因只把注意力集中在由于腐蚀而导致的顶面钢筋保护层的层裂上,而忽视了由于冻/融循环造成的沥青铺装层下的混凝土裂崩的检测。

  使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面。

  “红外热象仪”是利用一台红外摄像机来产生一幅桥面温度图的。这种温度图象揭示了在阳光照射下混凝土裂层之上哪个的桥面“热点”.这种温度较高的“热点”是由于薄的充满空气的裂层就象绝热体一样,使得其上的混凝土的温度上升得更快些而形成的。“雷达”的工作原理是发射短促的电磁脉冲,然后由这些电磁脉冲形成的电磁波可被混凝土中的各种异质界面反射回来而产生回波。雷达回波的交替变化之波形和混凝土发生病害及出现层裂后状况有密切的对应关系(但解释判读困难)。将雷达检测混凝土的冻/融裂崩和高含水量以及红外热象仪在干燥情况下检测混凝土层裂这两种方法结合起来就可以创造一种有效地检测大多数病害类型的检测方法。

  2.光纤传感器监测技术

  一般用于结构监测的传统传感器,其测量能力只局限于逐点检测,当临界断面检测得不准确时,其结果就会很不理想。当需要对大型结构如桥梁的状况进行评估时,传感器具有的大面积检测的能力就显得最为重要。任何监测系统都必须具备在较长时期内提供可靠、精确和长期的检测结果,这样才能保证结构处于高度的安全状态。 安装了这种监测系统后,任何结构存在的问题都可以较早地被发现,以便采取必要的修复措施,从而保证结构使用的连续安全性,使结构的性能得到最佳管理,并减少使用费用。

  光纤传感器是运用了光纤的两个特性来实现动态测量的。

  2.1 股绞光纤传感器

  运用光纤的 第一个特性:光损矢量的测量,这是因为纤维某些局部产生微上弯曲后所造成的。通过比较传感器在拉紧和放松状态下其出射光的密度,就可确定入射光在整个传感器中所发生的变化。这种传感器被称为“股绞光纤传感器”.

  光损法(LAM)可以测量出整个传感器上任何位置的动态状况,其精度为±0.02mm,长达30m的单个传感器都可达这一精度。但却无法提供传感器内部的应变分布情况,即哪些部位正产生变形。而使用光时反射计设备(OTDR)就可达到要求,该设备将光脉冲(毫微秒长)传入传感器,然后测出光从变细(形)位置处反射后的传输时间,光脉冲发生器所产生的这些反射使变形位置得以确定。其误差为±0.75m,从而提供了整个传感器长度内的主要变形情况。

  2.2 改型股绞光纤传感器的应用

  股绞光纤传感器(SOFS)可以较容易地改型,使能适于监测结构的长期性能。

  该SOFS以节点式附在结构上,让它来确定传感器中变形分布情况。可直接用环氧树脂将节点附着混凝土表面,或被固定在拧紧和粘结在结构物的薄板上。节点可设计成移动式的,以便在最后调试阶段根据需要可以重新校准传感器。在每个传感器的末端可直接用一个盒子连接并固定或粘结在结构物薄板上,这种盒子用于传感器之间的连接(这种传感器具有3根纤维)。延长的光纤可传输光往返于数据记录仪,这些传感器本身也被装入一根起保护作用的硅管中,这样,整个传感器系统被固定在管道中,然后再将该管附着在结构物的表面,或固定在在结构物表面上的线道或镶铸的槽中,再用适当的修理灰浆进行覆盖。

  股绞光纤传感器具有很低的热胀率,与不胀钢类似。通过监测相关的温度断面即可得知混凝土中高温运动的情况并给予调整。因而掌握了结构性能的最新需求情况,监测结果提供了与非高温下结构的反应及荷载条件相关方面的信息。

  2.3 多层反射传感器(MRS)

  运用光纤的第二个特性就是利用光沿传感器到达部分反射竟,再反射回光源处的传输时间。OTDR设备也可用于测量,但是,MRS可获得更理想的精度。沿传感器长度方向安置了许多反射镜,每个反射镜的位置都可以确定。这些反射镜位置的测量精度在±0.15mm内,无论是长期测量或是短期测量,这一精度是不变的。通过用这些传感器来替换由7根钢索组成的预应力股绞的中心钢索可以监测到股绞中的应变分布:这种股绞被称作“智能股绞”.结构受力部位由于其本身已安置有测量设备,因而使得钢筋束(股绞是其中一个重要组成部分)能在整个使用期内和其整个长度上得到监测。对于多层反射传感器的长度是没有限制的,这种传感器唯一受限制是反射镜的数目,最多为30个。

  利用光损法(LAM)和光传输时间的原理可以制成许多传感器--如裂缝宽度传感器和光能转换器。

  3.无线电检测与评估系统

  对于年代较早的钢桥(旧钢桥)来说,“疲劳破坏”是一个大问题。因此,随时监测(测量)并描述桥梁所承受(发生)的随机振幅变化、周期性压力变化是(非常必须的)必不可少的。目前的检测技术已经发展到可以有助于控制钢桥疲劳破坏的阶段。例如,美国联邦公路局开发的无线电桥梁检测和评估系统,是一个便携的、电池供电、使用无线电遥控技术的数据收集系统。它非常像一个数字式多分支的电话网络,用以收集数据并传递到一个笔记本电脑上。这种特殊的无线电网络对静电和障碍物是“免疫”的(静电和障碍物对这种特殊的无线电网络没有影响)。除了收集数据之外,每个模块充当了地区无线电网络中无线电波上的一个结点。这对于钢桥是十分重要的,钢桥在长度上往往大于1.6公里,而较长的桥上往往有大量的电磁干扰和复合反射,用这种技术可以迅速地测量出一座钢桥上每个有疲劳倾向的部位、破损(危险)的部位,或者探测出桥梁在车载和风载作用下的工作状况。

  无线电网络技术可以定量的确定有疲劳倾向部位的疲劳荷载方式,但是它不能确定疲劳裂缝是否在此荷载作用下的生长。就象反复弯曲一根金属丝可以让它断开一样,反复的周期性的疲劳荷载可以导致钢桥结构(构件)出现裂缝。这些裂缝不会连续“生长”,而是以很细微的程度在扩大。裂缝的扩大在(结构)构件表面(层)会伴随着能量的释放,产生出应力波。利用专门根据上述原理改造的感测器,就可以发现应力波。

  声发射检测(AE)方法已经在能源和加工工业中使用了很久。尽管如此,AE仪器,在过去还是不适于长期监测公路桥梁的疲劳裂缝。大多数桥梁上缺少电源,仪器接近桥梁的每个地方也有困难,非常大的路面噪音以及最重要的原因--桥上的任意荷载中的极大荷载会使裂缝伸长,都会影响AE在桥上的工作。但是,最近一种由电池供电、有8个频道、用于检测桥梁的AE已经开发出来,并且正在美国联邦公路局的非破坏评估论证中心进行测试和评估。这个系统可以经由网络调制解调器和无线电网络传送信息。

  虽然上述两个系统非常的好用,但它们造价十分昂贵,而且由于是电池供电使它们只能进行短期监测。为此,一种全无(电)源的、便宜的感应器开发出来,满足了测量桥梁疲劳的长期需要。这种感应器贴在桥上并且与桥梁一起承受应变。它由一个特殊的应变增幅装置和两个预先裂开的样片合成一个整体去测量裂缝长度。样片由两个开裂增长长度不同的材料组成。这些“人造疲劳裂缝”随桥上因随机振幅而改变的应变而产生变化(反应)。通过一个特殊的雷达测量两个样片的裂缝长度,可以得到预先确定的应力范围内的有效周期值。这个感应器就像一个疲劳程度的里程表。

  4.感应检测技术

  公路桥梁的感应检测技术的应用是广泛的。在华盛顿特区,Whitehurst高速公路上的一座立交桥的翼墙因较大的静水压力而产生了位移。对此,有关方面已经采取了补救措施。业主还希望能设法监测到翼墙相对于桥台的位移。考虑到周围的环境对技术要求和结构的部位,因此需要一种可靠而且便宜的感应器。在几周的时间内,非破坏性评估验证中心构思、设计、制造并安装了一种便宜的位移感应器。这个感应器由一个扁平的铝板粘到混凝土上并且相距铝板有很短一段距离设置了一个小的印刷电路板线圈。线圈和铝板形成感应的振荡器部分。振荡器的频率随铝板与线圈之间距离的改变而改变,百分之一英寸的距离都可以检测出来。感应器是温度补偿型的。对翼墙的监测已经进行两年多了,十分有效。

  当预应力混凝土梁中的高强钢筋由于锈蚀断裂时,会释放出突然且巨大的能量,其产生的应力波会在建筑物中向外传播。因此,根据这一原理,利用象加速计一类的感应器是可以探测到钢筋的断裂状况。通过分析信号到达的次数,可以确定出断裂发生状况,而且可以确定断裂发生的位置。这种方法很象利用地震仪的网络系统,确定地震发生的位置和地震的强度。这样的系统目前已经可以买到,并且已经开始在桥上使用了。

  探测到钢筋的断裂状况,无疑是非常有用的。而在破坏发生前,探测出并确定锈蚀程度的技术更有用。一种新型埋入式锈蚀感应器已经在美国联邦公路局的参与下开发出来了。这种感应器可以浇筑在混凝土中,在混凝土中测量钢筋锈蚀的比率、混凝土的导电率、氯离子浓度等。这种感应器很小并最终由无线电频率来加强。系统可以根据需要来定做电路,使其小型化。可以按需要将几百或几千个这样的感应器埋置在桥内,在(大规模)大的损害发生前提供锈蚀的定量性信息。

  目前桥梁的维修自动化需要的基本信息,被当作美国基础研究和开发的重点,这必须由感应和测量的高科技技术来提供。

  5.其他新技术

  在世界上许多地方,对整座桥梁状况的监测技术已经发展到在大型结构物上安装系列大规模的监测系统。例如,横跨特拉华连接宾夕法尼亚和新泽西的巴里桥上就已经安装并运行着这样的一个系统。然而,尽管这种方法很有前途,但这种技术的全部潜在可能尚没有被完全发现或肯定,并且其重要的部分仍处于研究阶段。这种系统的传感器网络传递出的大量数据信息,由计算机进行收集、储存、分析、检索等,然后提供检测信息。事实已经证明,该系统所提供的信息是非常有用的。例如,这些系统检测到了未曾预料到的受弯构件由于暴露在阳光下,所受光照辐射程度不同而产生的弯起,并且确定了弯起量的大小。

  此外,对桥梁结构的承载能力的“非侵入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。通常,一座桥梁如果不符合标准承载要求,说明该桥有某种结构上的缺陷。美国联邦公路局为此将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力。这套系统由一个电脑控制的反射器将红外线的激光束(该激光束不会对人眼产生危险)瞄准桥梁上的(监测)某点。当激光检测到桥梁结构上的某个点,系统就会马上给出该点相对于当地坐标系统的三维坐标。仅几分钟的时间内,系统可以测量桥结构上不同的点几百次。它对目标没有特别的规定,在普通钢材、混凝土和木材表面上都可以很好的工作。用这个系统可以迅速地测量大型卡车作用在桥上使其产生的三维变形。这个系统还可以用于迅速确定桥上每一部分对应先前(上次)检查的(变位)位移情况,结果可以精确到毫米。该系统还能探测到沉降或预应力损失。

  另一项新技术是“智能桥梁支座”,通过它人们可以收集到许多必不可少的桥梁工作信息。我们知道某个支座失效和由此导致的结构中的巨大应力变化,是桥梁毁坏的一个很普遍的因素。智能支座能通过支座上的活载和恒载的分布发现并判断出桥梁结构体系的工作状况。因为如果结构构件的强度由于遭受断裂、冲击或其他影响而有明显变化时,也会使支座上的荷载分布发生改变。智能支座可以“感受到”桥梁的破坏。这种技术是复杂的,但其概念是简单的。支座的“智慧”由多个纵向的光学纤维感应器提供,它们能测量垂直应变和剪力,并且被综合到一块控制板上。专门的控制板转而被组合到支座上,控制板通常压成薄片,再将薄片置于常用于公路桥梁的氯丁橡胶支座垫层之间,通过它还可以测量从桥梁上部结构传递下来的竖向和横向压力。

  6 结语

  随着道路交通建设的发展,以及桥梁使用年龄的增长,结构老化的数量越来越多。旧桥梁结构的维修和改造都需要事先对结构状况进行监测、检测与评价。虽然目前已有不少可以应用的检测评价方法,但有些技术仍需进一步完善才能达到普遍应用的阶段。特别是为随时了解桥梁结构的工作状态,确保其长期使用性能,必须使用永久的监测设备。因此,桥梁结构的长期监测与诊断技术目前变得越来越重要了。桥梁检测工作者们还需继续努力,研究与开发出更加实用方便的桥梁检测技术与监测设备。

  参考文献:

  [1] 张耀宏 编译 桥梁用长期监视装置的开发 《国外桥梁》1994.3

  [2]光纤传感器在桥梁监测中的应用 《国外桥梁》1994.4

  [3]张红 编译 介绍一种用传感器预测沥青桥面铺装病害的新方法 《国外桥梁》1994.1

  [4]杨文渊 《桥梁维修与加固》人民交通出版社1997.6

  Tracing the Development of Technology

  of Inspection for Bridge in Modern Times

  Wang yijuan Wang jian

  (Beijing Institute of Architectural and Civil Engineering, Beijing 100044,China)

  Abstract: To insure built bridge to keep good running status and normal functionality, it's important to find out and control early diseases in time by using the technology of inspection of bridge structure. The paper discusses current status of method of inspection and emphasizes the development and application of long-term inspection technology for bridge structure.

  Key words: Bridge; Structure; Inspection; Supervision; technology

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