I see on the roads and bridges detection technology

　　摘 要: 橋梁病害和損傷檢測(cè)在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中尤為重要，本章通過(guò)對(duì)幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的介紹及其應(yīng)用分析，以期促進(jìn)我國(guó)橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為公路橋梁的檢測(cè)和維護(hù)提供了一些指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞:公路橋梁;檢測(cè);技術(shù);應(yīng)用

　　Abstract: The bridge defects and damage detection in the Bridge Inspection is particularly important in this chapter through the introduction of several non-destructive testing technology and its application to analysis in order to promote the development of China's bridge inspection technology provides some guidance for the inspection and maintenance of roads and bridges .

　　Key words: roads and bridges; detection; technology; application

　　中圖分類(lèi)號(hào):V448.15+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

　　0 引言

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁使用年限的增長(zhǎng)，以及交通荷載的增加，橋梁出現(xiàn)病害和損傷的數(shù)量越來(lái)越多。對(duì)舊橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和改造之前，必須完成對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

　　傳統(tǒng)的外觀肉眼檢測(cè)不能提供可靠的損傷證據(jù)，傳統(tǒng)的鉆孔檢測(cè)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有一定的損害且檢測(cè)精度受鉆孔位置的制約，難以準(zhǔn)確全面反映橋梁的整體健康狀況。因此，橋梁的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)( NDT) 有較大的發(fā)展空間，包括超聲檢測(cè)、紅外檢測(cè)、聲發(fā)射、自然電位檢測(cè)、沖擊回波檢測(cè)、X 射線檢測(cè)、光干涉、脈沖雷達(dá)、振動(dòng)試驗(yàn)分析等。

　　在公路橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用 NDT，可以提高新建結(jié)構(gòu)質(zhì)量的安全性; 可以提供結(jié)構(gòu)損傷的標(biāo)志，例如，污染程度，鋼筋混凝土橋梁的氯侵蝕程度; 可以記錄支座處的聲發(fā)射，反映了裂紋或過(guò)大的摩擦力或從墊層支座正在擴(kuò)展的裂紋。無(wú)損檢測(cè)的這些結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)評(píng)估的輔助。

　　在一些情況下，與侵入檢測(cè)相比，無(wú)損測(cè)試更快捷，縮短了測(cè)試期間的交通管制時(shí)間，從而降低了成本。雷達(dá)可以快速掃描潛在的結(jié)構(gòu)空洞，雷達(dá)在 NDT 中的使用證明了 NDT 的速度和便捷性。聲傳播的使用進(jìn)一步說(shuō)明了調(diào)查的有效性。聲傳播可以用于檢測(cè)長(zhǎng)護(hù)欄的潛在腐蝕。隨后可對(duì)疑似區(qū)進(jìn)行更細(xì)致的檢測(cè)，例如使用鉆孔、直接量測(cè)和超聲技術(shù)來(lái)確定未腐蝕厚度。NDT 間接測(cè)量了外形特征，測(cè)試結(jié)果依賴(lài)于信號(hào)在結(jié)構(gòu)內(nèi)非連續(xù)區(qū)的反射時(shí)間。該信號(hào)的速度依賴(lài)于結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)，該性質(zhì)不一定明確。因此，需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)解釋收集的數(shù)據(jù)，并判斷在物理特征或材料性質(zhì)方面的意義。

　　通常情況下，進(jìn)行無(wú)損測(cè)試時(shí)，將無(wú)損測(cè)試設(shè)備置于結(jié)構(gòu)附近，正對(duì)結(jié)構(gòu)或固定結(jié)構(gòu)表面。無(wú)損測(cè)試最大的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)造成損傷，從而避免了對(duì)可能已有損傷的結(jié)構(gòu)的削弱。NDT技術(shù)并沒(méi)有確定性的答案，還應(yīng)該參考其他信息來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體情況。

　　通常，為了校正 NDT 的結(jié)果，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行選擇性損傷檢測(cè)。本文主要介紹了幾種在橋梁檢測(cè)中典型 NDT 測(cè)試方法，以推廣 NDT 在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用。

　　1 回聲波檢測(cè)法

　　回聲波法檢測(cè)原理是: 通過(guò)在結(jié)構(gòu)上作用一個(gè)短的持續(xù)作用，產(chǎn)生應(yīng)力( 聲) 波，通過(guò)結(jié)構(gòu)，并由缺陷和外表面反射。假如聲阻力不同，這些低頻率應(yīng)力波以不同速度傳播。采用傳感器記錄表面移置，表面移置是由反射波到達(dá)沖擊表面引起的。將振幅和頻率保存于后處理中。空洞檢測(cè)的準(zhǔn)確性可以用可檢測(cè)到的最小側(cè)向空洞尺寸來(lái)表示。根據(jù)沖擊器直徑的變化，出入頻率有所不同，即沖擊器直徑越小，沖擊器的頻率越高，分辨率越高，但是穿透深度越小。

　　回聲波具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闆](méi)有放射性或 X 射線的危險(xiǎn)，該方法的使用安全能夠得到保證。該方法能夠檢測(cè)到在金屬和塑料管道中空洞的出現(xiàn)、空洞的深度、與加強(qiáng)區(qū)的距離及單元的厚度。回聲波法檢測(cè)法風(fēng)險(xiǎn)低，僅需要一面的檢測(cè)通路，能檢測(cè)金屬和塑料管道中的空洞。然而，該方法僅能檢測(cè)到大尺寸的空洞。

　　回聲波可檢測(cè)到空洞的最小尺寸往往大于很多管道中空洞的直徑，并且大于對(duì)鋼筋耐久性有重要影響的空洞尺寸。在關(guān)鍵截面區(qū)，很多管道都不能從下端背面進(jìn)行檢測(cè)。如果僅限制到從一面觀察，這進(jìn)一步減小了潛在的缺陷范圍。不能檢測(cè)到水充滿(mǎn)于空洞的情況。除了初始空洞表面信息以外，不能提供其他結(jié)構(gòu)信息，如果假定從底部表面和水平表面測(cè)量，可能導(dǎo)致管道尺寸減小。該方法并不像沖擊雷達(dá)一樣速度很快，并且需要管道尺寸等信息來(lái)幫助解釋說(shuō)明。布置擁擠的管道和加固區(qū)都可能給檢測(cè)增加困難。

　　2 探地雷達(dá)(GPR)檢測(cè)法

　　GPR 是一種電磁回聲方法。采用一個(gè)傳感器( 發(fā)射器或者接收器) ，該傳感器以某一指定速度穿過(guò)結(jié)構(gòu)表面。聲波較短的持續(xù)脈沖能量得以傳播，同時(shí)接收器接收從材料表面和結(jié)構(gòu)特征處探測(cè)到的反射信號(hào)。這些信號(hào)帶有不同的介電常數(shù)，例如被埋藏的金屬物體或者空洞。收集到的數(shù)據(jù)是一個(gè)有效的連續(xù)截面。信號(hào)的振幅，階段和連續(xù)性受到材料類(lèi)型這一因素的影響，信號(hào)的連續(xù)性受到構(gòu)件形狀的影響。無(wú)線脈沖傳播時(shí)間受到層厚度或者埋藏特征的影響。GPR 是一種低風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)方法，主要應(yīng)用是在使用其他可選方法前，定位管道和加固區(qū)。

　　GPR 檢測(cè)法產(chǎn)生高頻電磁沖擊脈，通過(guò)天線在結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播。這些電磁波有一部分在界面改變處反射和折射，因?yàn)樵诮缑娓淖兲幗殡姵?shù)有所改變，并且由一個(gè)接收器記錄下來(lái)。如果接收天線是常用的單聲道操作( 反射模式) ，發(fā)射天線可以和接收天線布置于同一外殼。集合系統(tǒng)往往在表面掃描而過(guò)，來(lái)確定反射信號(hào)的雷達(dá)追蹤。各種典型的天線頻率在 100 MHz ～ 1 500 MHz 之間，用于調(diào)查不同結(jié)構(gòu)形式和材料狀況。GPR 檢測(cè)法能夠有效繪制空洞或剝離程度，速度快，覆蓋范圍廣。因?yàn)闆](méi)有放射性 X 射線的危害，GPR 檢測(cè)方法的使用安全可以得到保證，尤其適用于檢測(cè)很多通道條件苛刻的結(jié)構(gòu)，或者適用于不能有損傷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　GPR 檢測(cè)法能很好的確定金屬管道的位置，并且很可能成為后張混凝土橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要方法。在完全灌漿的塑料管道中，該方法能夠定位金屬管道，加固區(qū)和鋼筋。

　　GPR 檢測(cè)法的適用范圍如下:

　　1) 用于低分辨率下的深度探測(cè);

　　2) 在淺穿透下用高分辨率;

　　3) 用于檢測(cè)“隱藏”特征，例如，拱肩墻。

　　GPR 檢測(cè)法的應(yīng)用在一些條件下受到了限制。GPR 檢測(cè)法不能夠穿過(guò)金屬檢測(cè)空洞，結(jié)果對(duì)空洞的深度很敏感，對(duì)突出的小尺寸不是很敏感。此外，GPR 檢測(cè)法在潮濕環(huán)境中不能工作，不能用于低于 0 ℃以下，在深度淺處需用高分辨率。

　　對(duì)于其他 NDT 技術(shù)方法而言，例如回聲檢測(cè)法和超聲波傳輸法，設(shè)備的選擇、數(shù)據(jù)的解釋、準(zhǔn)確定位管道和加固都是重要的工作內(nèi)容。所以，在決定使用這些方法之前，應(yīng)該在現(xiàn)場(chǎng)處理 GPR數(shù)據(jù)，作為參考。對(duì)于和金屬管道中空洞交叉的鉆孔，GPR 也有意義，并且可以減少無(wú)效鉆孔，也可以減少鋼筋的損傷。

　　3 射線探傷法

　　射線探傷法將底片置于混凝土構(gòu)件后，通過(guò)對(duì)敏感底片發(fā)射X 射線或伽瑪射線，從而生成含空洞的圖片。射線探傷法可以確定空洞程度和斷裂鋼筋的位置。適用于橋梁交通開(kāi)放的情況，并可以從圖書(shū)館在線快速獲取圖像。理想條件下，圖片準(zhǔn)確無(wú)異議。這種方法所需的操作人員數(shù)量較少。但射線探傷法需要很多強(qiáng)有力的探射源穿透厚截面，或者獲得實(shí)時(shí)圖像，從而增加了成本，使結(jié)構(gòu)健康和安全預(yù)防措施更加嚴(yán)格。采用射線探傷法可以獲得清楚的圖片，但如果截面厚，或與管道或鋼筋交錯(cuò)布置時(shí)，就不宜用圖片說(shuō)明。放射源放射出的伽瑪射線最大能夠穿透150 mm 的銥，400 mm 的鈷，并且必須能機(jī)械化的放置于帶有護(hù)套的盒子中。X 射線源的穿透能力達(dá) 1 500 mm，并且能夠自動(dòng)關(guān)閉，這是該方法的一個(gè)顯著安全優(yōu)勢(shì)。當(dāng)通道便捷，并且安全情況理想時(shí)，射線探傷法能提供便于解釋說(shuō)明的圖片。證明了這種方法是一個(gè)適用性很強(qiáng)的 NDT 技術(shù)。

　　4 工程應(yīng)用

　　以后張混凝土橋梁為研究對(duì)象，用回聲波法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。在后張法中，鋼筋的作用是承受荷載。混凝土干了之后，將鋼筋植入事先埋入的管道內(nèi)，然后進(jìn)行張拉，固定于構(gòu)件的兩端。之后在高壓下將水泥灌漿注入管道，在鋼筋和混凝土之間形成粘合劑，并填充所有空洞。灌漿中留下的任何孔洞都可能導(dǎo)致鋼筋的腐蝕和結(jié)構(gòu)的最終倒塌。這個(gè)案例的目的在于，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，分析沖擊作用下反射信號(hào)，探測(cè)后張混凝土梁中的孔洞。

　　為了模擬不同的檢測(cè)過(guò)程，建造了若干已知缺損的試驗(yàn)性測(cè)試橫梁。橫梁為具有現(xiàn)實(shí)代表性的后張橋橫梁。通過(guò)比較分辨率，選擇合適的球軸承，以及所需波長(zhǎng)( 高分辨率 = 短波長(zhǎng) = 較小球軸承) 和穿透深度( 較強(qiáng)穿透性 = 長(zhǎng)波長(zhǎng) = 較大球軸承) 。橫梁上所用的較合適的球軸承是直徑為 10 mm 的球軸承。

　　試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)一個(gè)傳感器計(jì)算混凝土的速度，記錄通過(guò)固體混凝土區(qū)域的頻率，由此測(cè)量速度。在實(shí)地探測(cè)時(shí)，測(cè)試的是橫梁的側(cè)面而非頂部，因?yàn)閷?shí)地探測(cè)時(shí)很難接近頂部。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，被測(cè)的所有橫梁上的后部墻的頻率( ft) 與同批混凝土所鑄造的橫梁的頻率相同。

　　由試驗(yàn)得出中空管道的頻率響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，初始峰值( ft) 已經(jīng)從 4.9( 普通混凝土) 開(kāi)始變動(dòng)，在更高頻率處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，這典型代表了中空管道。中空管道和灌漿管道之間的差別很容易辨別。純凈輸入信號(hào)和有效反應(yīng)信號(hào)的成功利用率是變化的，這取決于操作員。無(wú)效波形很容易從較好的重復(fù)性波形中區(qū)分出來(lái)。接著測(cè)試另一種橫梁，它一半灌滿(mǎn)灌漿，另一半是空的( 通常，管道上部的一半是空的) 。探測(cè)橫梁的總長(zhǎng)度，以確定這種方法是否能鑒別部分灌注的管道的位置。這些測(cè)試的結(jié)果表明，即使管道是用塑料制成的，也能辨別出完全充注管道和完全中空管道的差別。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　橋梁檢測(cè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工作，需要各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合才能達(dá)到一個(gè)有效的效果，本文主要介紹了幾種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的概念、原理和特點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用說(shuō)明，為工程人員提供橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)信息參考。