對已建橋梁進行檢測的技術主要包括兩(liǎng)個內容,即橋梁檢(jiǎn)查和荷載試驗評定(dìng)。
橋梁檢查是進行橋梁養護、維修與加固的前期(qī)工作(zuò),是決定(dìng)維修與加固方案(àn)可行和正確(què)與否的可靠基礎。其目的在於:通過對橋梁的技術狀況、缺陷(xiàn)和損傷進行全麵、細致、深入地現場檢查,查明缺陷或潛(qián)在缺陷和損傷的性質、所在部位、嚴重程度及發(fā)展趨勢,分(fèn)析產(chǎn)生缺陷、發生損傷的原(yuán)因,以便(biàn)正確評價缺陷和損傷(shāng)對橋梁質量及承載能力產生的影響(xiǎng),並為橋梁加固和改造技術提供具體技術
橋(qiáo)梁檢查一般根據方法的不(bú)同可分為直接(jiē)接觸式檢查和不接觸的檢(jiǎn)查兩種。前者就是(shì)對結構損壞部位進行接觸量測、標記、安(ān)設檢測儀器的檢(jiǎn)查。後者則是(shì)在視野所及的範圍內憑目力(或望遠鏡)眺望掃視。
根據檢查重要(yào)程度的不同以及時間間隔的長短,橋梁(liáng)檢查工作又可分為和定期檢查。一般檢查也叫經常性的檢查,可每個月(yuè)或幾個月一次,屬於一般(bān)性的(de)巡視檢(jiǎn)查,在我國通常由養護道(dào)班來完成。定期檢查也叫詳細(xì)檢查,可幾年一次(一至三年),或周期更長一些(五至七年)一次。定(dìng)期檢(jiǎn)查要較為詳細地檢查橋梁結構各個部位的使用狀況,必須采取接觸(chù)檢(jiǎn)查,且需要動用特殊的(de)機械設備與測量儀器。還有一種特(tè)殊檢查是指在特殊情況,如:暴雨、洪水、地震等災害發生之後對橋(qiáo)梁結構進行的檢查。
對(duì)於(yú)橋梁的管理(lǐ)、評估或修複計劃來(lái)說,“一般(bān)檢查”所收集的信息太概括、太主觀、太定性,因它多是通過表觀檢查,以及一些有限的機(jī)械方法(fǎ)如聽錘敲的(de)聲音所得到的(de),而且它難以發現不可見的老化、損壞和危險情況。但要頻繁實施詳細的“定期檢查”也是不現實的。另外,通過檢查發現損傷後,要進一(yī)步判斷是否需要修補,還應進一步觀察損傷(shāng)的進展狀況;而且進行(háng)補修後,為確認其補修效果,也必須對橋梁結構繼續監測。因此,對橋梁結構進行“長期跟蹤監測”, 以便(biàn)獲(huò)取綜合的、定量的檢測信息,已成為橋梁(liáng)工程界提高通行質(zhì)量、進行資產管理、對實(shí)際橋(qiáo)梁壽命周(zhōu)期的分析或製定橋梁性能方(fāng)麵的(de)
1.雷達(dá)與紅外熱象儀檢測技(jì)術
用於預測橋(qiáo)麵病害的一般方法是:測量氯化物含量和電勢,並進行肉眼(yǎn)觀測,這樣既費時又妨礙交通。更糟的是它不能就瀝青橋麵鋪裝的(de)整個病害情況提供準確數據。因隻把注意力集中在由於腐蝕而導致的(de)頂(dǐng)麵鋼筋保護(hù)層(céng)的層裂上,而忽視了由於凍/融循環造成(chéng)的瀝青鋪裝層下的混凝土裂崩的檢測。
使用雷達、紅外(wài)熱象儀、激光光學、超聲波和其它(tā)一些心得技術手段可(kě)在僅僅一天之內(nèi)就能準確地測量成百上千公裏路麵或幾(jǐ)十(shí)座(zuò)橋的橋麵。
“紅外熱象儀”是利用一台紅外攝像機來產生(shēng)一幅橋麵溫度圖(tú)的。這種溫度圖象揭示了在陽光照射下混凝土裂層之上哪個的(de)橋麵“熱點”.這種溫度較高(gāo)的(de)“熱點”是由於薄的充滿空(kōng)氣的(de)裂層就(jiù)象絕熱體一樣,使得其上的混凝土的溫度上升得更(gèng)快些而形成的。“雷(léi)達(dá)”的工作原理是發射短(duǎn)促的電磁脈衝,然後由這些電磁脈衝形(xíng)成的電磁波可被混凝土中的各種異質界麵反射(shè)回來而產生回波。雷達回波的交替變化之波形和混凝土發生病害及出現層裂後狀況有(yǒu)密切的對應關係(xì)(但解釋判讀困難)。將(jiāng)雷達檢測(cè)混凝土的凍/融裂崩和高含水量以及紅外熱象(xiàng)儀在幹燥情(qíng)況下檢測混凝土層裂這兩種方法結合起來就可以創造一種有效地檢測大多數(shù)病害類型的檢測方法。
2.光纖傳感器監測技術
一般用於結構監測的傳統(tǒng)傳感(gǎn)器,其測量能力隻(zhī)局限於逐點檢測(cè),當臨界斷麵檢測(cè)得不準確時,其結果就會很不理想。當需要對大型結(jié)構如橋梁的狀況進行評估時,傳感器具有的大麵積檢(jiǎn)測的能力就顯(xiǎn)得最為重要。任何監測係統都必須具備在較長時期內提(tí)供可靠(kào)、精確和長期的檢測結果,這樣才能保證結構處(chù)於高度的(de)安(ān)全狀態。 安裝了這種監測(cè)係統後,任何結構存在的問題都可以較早地被發現,以便采取必要的修複措施(shī),從而(ér)保證結構使用的連續安全性,使結構的性能得到最佳管理,並減少使用(yòng)費用。
光纖傳感器是運用了光纖的兩個特性來(lái)實現動(dòng)態測量的。
2.1 股絞光(guāng)纖傳感器
運用光纖的第一個特性:光損(sǔn)矢量的測量,這(zhè)是因為纖維某些局部產生微上彎曲(qǔ)後所造成的。通過比較傳感器在拉緊和放鬆狀態下其出射光的密度,就可確定入射光在整(zhěng)個傳(chuán)感器中(zhōng)所發生的變化。這種傳感器被(bèi)稱(chēng)為“股絞光纖傳感器”.
光損法(fǎ)(LAM)可以測量出整個傳感器(qì)上任(rèn)何位置的動態狀況,其精度為±0.02mm,長達30m的單(dān)個傳感器都可達這(zhè)一精度(dù)。但卻無法提供傳感器內部的應變分布情況,即哪些部位正(zhèng)產生變形。而(ér)使用光時反射計設備(OTDR)就(jiù)可達到(dào)要求,該設備將光脈衝(毫微秒長)傳入傳感器,然後測出光從變細(形)位(wèi)置處反射(shè)後的傳輸時間(jiān),光脈衝發生(shēng)器所產生的這些反射使變形位置得以確定。其誤差為±0.75m,從而提供了整個傳感器長度內的主要變形情況。
2.2 改(gǎi)型股絞光纖傳感器的應用
股絞光纖傳感器(SOFS)可以較容易地改型(xíng),使能適於監測結構的長期性能(néng)。
該SOFS以節點式附在結構上,讓它來確定傳感器中變形分布情況。可直接用環氧樹脂將節點附(fù)著混凝土表麵,或被固定在擰(nǐng)緊(jǐn)和粘結(jié)在結構物的薄板上。節點可(kě)設計成移動式的,以便在(zài)最後調試階段根據需(xū)要可以重(chóng)新校準傳感(gǎn)器。在每個傳感器的末端可直接(jiē)用一個盒子連接並固定或粘結(jié)在結構物薄板上,這種盒子用於傳感器之(zhī)間的連(lián)接(這種(zhǒng)傳感器具有3根纖(xiān)維)。延(yán)長(zhǎng)的光纖可傳輸光往返(fǎn)於數據記錄儀,這些傳(chuán)感器本身也被裝入(rù)一(yī)根起(qǐ)保(bǎo)護作用的矽管中,這樣,整個傳(chuán)感器係統被固定在管道中,然後再將該管附著(zhe)在結構物的表麵(miàn),或固定在在結構物表麵上的線道或鑲鑄的槽中,再用適當的修理灰漿進行覆蓋。
股絞光纖傳感(gǎn)器具(jù)有很低(dī)的(de)熱(rè)脹率,與不脹鋼類似。通過監測相(xiàng)關的溫度斷麵即可得知混凝土中高溫運動的情況並給(gěi)予調整。因而掌握了結構性能的最新需求情況,監測結果(guǒ)提(tí)供了與(yǔ)非高溫(wēn)下結構的反應及(jí)荷(hé)載條(tiáo)件相關方麵的(de)信息。
2.3 多層反射傳感器(MRS)
運用光(guāng)纖的第二個特性就(jiù)是利(lì)用光沿傳感器到達部(bù)分反射竟,再反射回光源處的傳輸時(shí)間。OTDR設(shè)備也可用於測量,但是,MRS可(kě)獲得更理想的精度。沿傳感器長度方向安置(zhì)了許多反射鏡,每個反射鏡的位置都可(kě)以(yǐ)確定。這些反射鏡(jìng)位置的測量精度在±0.15mm內,無論是長期測量或是(shì)短期測量,這一精度是不變的。通過用這些傳感器來替換由7根鋼索組成的(de)預應力股絞的(de)中心鋼索可以(yǐ)監測(cè)到股絞(jiǎo)中的應變分布:這種股絞被稱作“智能股絞”.結(jié)構受力部(bù)位由於其本身已安置有測量設備,因而使得鋼筋(jīn)束(股絞(jiǎo)是其中一個重要組(zǔ)成部分)能在整個(gè)使用期內和其整個長度上得(dé)到監測。對於多層反射傳感器的長度是沒有限製的,這種傳感器唯一受限製是反(fǎn)射鏡的數目,最多(duō)為30個。
利用光損法(fǎ)(LAM)和光傳(chuán)輸時間的原理可以製成許多傳(chuán)感器--如裂縫寬(kuān)度傳感器和光能轉換器。
3.無線電檢測與評估係統
對於年代較早的鋼橋(舊鋼橋)來說,“疲勞破壞”是一個大(dà)問題。因此,隨(suí)時監測(測量(liàng))並描述橋梁所(suǒ)承受(發生)的隨機振幅變化(huà)、周期性(xìng)壓力變化是(非常必須的)必不可少的(de)。目前的檢(jiǎn)測技術已經發展到可以有(yǒu)助於控製鋼(gāng)橋疲勞(láo)破壞的(de)階段。例如,美國(guó)聯邦公路局開發的無線(xiàn)電橋梁檢測和評估係(xì)統,是一個便攜的、電池供電、使用無線(xiàn)電遙控技術的數據收集係統。它非常(cháng)像一個數(shù)字(zì)式(shì)多分支的電話網絡,用以收(shōu)集(jí)數據並傳遞(dì)到一個筆記本電腦上。這種特殊的無線電網絡對靜電和障礙物是“免疫”的(靜電和障礙物對這種特殊的無線(xiàn)電網絡沒有影響)。除了收集數據之外,每個模塊充(chōng)當了地區無線電網(wǎng)絡中無線(xiàn)電波上的一個結點。這對於鋼橋是十分重要的,鋼橋在長度上往往大於(yú)1.6公裏(lǐ),而較長的橋上往往有大量的電磁幹擾和複合(hé)反射,用(yòng)這(zhè)種技術可以迅速地測量出一座鋼橋上每個有疲(pí)勞傾向的部位、破損(危險)的部位,或者探測出橋梁在車(chē)載和風載作用下(xià)的工作狀況。
無線電網(wǎng)絡技術可(kě)以定量的(de)確定有疲勞傾(qīng)向部位的疲勞荷載方(fāng)式,但是它不能確定疲勞(láo)裂縫是否在此荷載(zǎi)作用下的生長。就象反複彎曲一根金屬絲可以(yǐ)讓它斷(duàn)開一樣(yàng),反(fǎn)複的周(zhōu)期性的疲勞荷(hé)載可(kě)以導致鋼橋結構(構件)出現(xiàn)裂縫。這些裂縫不會連續“生長”,而是以(yǐ)很細微的程度在擴大。裂縫的擴大在(結構)構件表麵(層)會伴隨著能量的釋放,產生出應力波。利用專門根據(jù)上述(shù)原理改造的感測器,就可以發現應力(lì)波。
聲發射檢測(AE)方法已經在能源和(hé)加工工業中使用了很久。盡管如此,AE儀器,在過去還是不適於長期監測公路橋梁的疲勞裂縫。大多數橋梁上缺少電源,儀器接近橋梁的每個地方也有困難,非常大的路麵噪音以及(jí)最重要(yào)的原因--橋上的任意荷載中的極大荷載會使裂縫伸長,都會影響AE在橋上的工作。但是,最近一種由電池供電、有8個頻道、用(yòng)於檢測橋梁(liáng)的AE已經開發出來,並且正在美(měi)國聯邦公路局(jú)的非破壞(huài)評估論證中心進行測試和評(píng)估。這個係統可(kě)以經由網絡調製解調器和無線電網絡傳送信息。
雖然上述兩個(gè)係統非常的好用,但它們造價十分昂貴,而且由於(yú)是電池供電使它(tā)們隻能進行短期(qī)監測。為(wéi)此,一種全無(電)源的、便宜的感(gǎn)應器開發出來,滿(mǎn)足(zú)了測量橋(qiáo)梁疲勞的長期需要。這(zhè)種感應器貼在橋上並且(qiě)與橋梁一起承受(shòu)應變。它由(yóu)一個(gè)特殊的應變增幅裝(zhuāng)置和兩個預先裂開的(de)樣片(piàn)合成一個整體(tǐ)去測量裂縫長度。樣片由兩(liǎng)個(gè)開裂(liè)增長長度不同的材料組成。這些“人(rén)造(zào)疲勞裂縫”隨橋(qiáo)上因隨機振幅而改變的應變(biàn)而產生變化(反應)。通過一個特殊的雷達測量兩個樣片的裂縫長度,可以得到預先確定的應力範圍內的有效周期值。這個感應器就像一(yī)個疲勞程度的裏程(chéng)表。
4.感(gǎn)應檢(jiǎn)測技術
公路橋梁的感應檢測(cè)技術的應用是廣(guǎng)泛的。在華盛頓特區,Whitehurst高速公路上的一座立交橋的翼牆因較大的靜水壓力而產生了位(wèi)移。對此,有關方麵(miàn)已經采(cǎi)取了補救措施。業主還希望能設法監測到翼(yì)牆相對於橋台的位移。考慮到周圍的環境對技(jì)術(shù)要求和結構的部位,因此(cǐ)需要一種可靠而且便宜的感應器。在(zài)幾周的時間內(nèi),非破壞性評估驗證中心構思、設計、製造並安裝了一種便宜的位移感應器。這(zhè)個感應器由一個扁平的鋁板粘到混(hún)凝土上並且相(xiàng)距鋁板(bǎn)有很短一段距離設置了一個(gè)小的印刷電路板線圈。線圈和(hé)鋁板形成感應的振蕩器(qì)部分。振蕩器的頻率隨鋁板(bǎn)與線(xiàn)圈之間距離的改變而改變,百分之(zhī)一英寸的距離(lí)都(dōu)可以檢測出來。感應器是溫度補償型的。對翼牆的(de)監測已經(jīng)進行兩年多了,十分有效。
當預應力(lì)混凝土梁中的高強鋼筋由於鏽蝕斷裂時,會釋放出(chū)突然且巨大的能量(liàng),其產生的應力波會在建築物中向外傳播。因此,根據這一原理,利用象加速計一類(lèi)的感應(yīng)器是(shì)可以探測到鋼筋(jīn)的斷裂(liè)狀(zhuàng)況。通過分(fèn)析信號到達的次數(shù),可以確定出斷裂發生狀況,而(ér)且可以確定斷裂發生的位置。這種方法很象利用地震儀的網絡係統,確定地震發生的位(wèi)置和地(dì)震的強度(dù)。這樣的係統目前已經可以買到,並且已經開始在橋上使用了。
探測到鋼筋的斷裂(liè)狀況(kuàng),無疑是非常有用的。而在破壞發生前(qián),探測出並確定鏽蝕程度的技術更有用。一(yī)種新型埋入式(shì)鏽蝕感(gǎn)應器已經在美國聯邦公(gōng)路局的參與下開發出(chū)來了。這種感應(yīng)器可以澆築在混凝(níng)土中,在混凝土中測量鋼筋鏽蝕的比率、混凝土的導電率、氯離(lí)子濃(nóng)度等。這種感應器很小並最終由無線電頻率來加強。係統(tǒng)可以根據需(xū)要來定做電路,使其小型化。可以按需要將幾百或幾千個這樣的感應器埋置在橋內,在(大規模)大(dà)的損害發生前提供(gòng)鏽蝕的定量性信息。
目前橋梁的維修自動化需要的基本信息,被當(dāng)作美國基礎研究和開發的(de)重點,這必須由感應和測量的高科(kē)技技術來提供。
5.其他新技術
在世界上許多地方,對整座橋梁狀況的監測技術已經發展到在大型結構物(wù)上安裝係(xì)列大規模的監測係統(tǒng)。例如,橫跨特拉華(huá)連接(jiē)賓夕法尼亞和新澤西的巴裏橋上就已經安裝並運行著這樣的一個係統。然(rán)而,盡管這種方法很有前途,但這種技術(shù)的全部潛在可能尚沒有被完全發現或肯定,並且其重要的部分仍處於研究階段。這種係統的(de)傳感(gǎn)器網絡傳遞出(chū)的大量數據信息,由計算機進行收集、儲存、分析、檢索(suǒ)等,然後(hòu)提供檢測信息。事實已經證明,該係統(tǒng)所提供(gòng)的信息是非常有用的。例如,這些係統檢測到(dào)了未曾預料到的受彎構件由於暴露在(zài)陽光下,所受(shòu)光照輻射程(chéng)度不同而產生的彎起(qǐ),並且確定了彎起量的(de)大小。
標準承載要求(qiú),說明該(gāi)橋有某種結構上(shàng)的缺陷。美國聯邦(bāng)公路局(jú)為此(cǐ)將激光檢測係統用於檢測(cè)橋梁(liáng)的承載能力。這套係統由一個電腦控製的反射器將紅外線的激光束(該激光束(shù)不會對人眼產生危險)瞄(miáo)準橋(qiáo)梁上的(監測)某(mǒu)點。當激光檢測(cè)到橋梁結構上的某個點,係統就會馬上給出該點相對於當地坐標係統的三(sān)維坐標。僅幾分鍾的時間內,係統可(kě)以(yǐ)測量橋結構上不同(tóng)的點幾百次。它對目標沒有特別的規定,在普通鋼材(cái)、混凝土和木材表麵上都可(kě)以很好的工作(zuò)。用這個係統可以迅速(sù)地測(cè)量大型卡車作用在橋上使其產生的三維變形。這個係(xì)統還可以用(yòng)於迅速(sù)確(què)定橋上(shàng)每一部分對應先前(qián)(上次)檢查的(變位)位移情況,結果可(kě)以精確到毫(háo)米。該係(xì)統還能探測到沉降或預應力損失。 此外,對橋梁結構的承載能力的“非侵入式”檢(jiǎn)測也是橋梁工程界的迫切需求。通常,一座橋梁(liáng)如果不符合
另一項(xiàng)新技術是“智能橋梁支座”,通過它人們可以收(shōu)集到許多(duō)必不可少的橋梁工作信息。我們知道某(mǒu)個支座失效和由此導致的結構中的巨大應力變化,是橋梁毀壞的一(yī)個很普遍的因素(sù)。智能支座能通過支(zhī)座上的活載(zǎi)和恒載的分布發現並判斷出橋梁結構體係的(de)工作狀況。因為(wéi)如果結構構件的強度由(yóu)於遭受斷裂、衝擊或其他影響而有明顯變化時,也會使支座上的荷載分布(bù)發生改變。智能支座可以“感受(shòu)到”橋梁的破壞。這種技術是複雜的,但(dàn)其概念是(shì)簡單的。支座的“智(zhì)慧”由多個縱向的光學纖維感應器提供,它們能測量垂直應變和剪力,並且被綜合到一塊控製板(bǎn)上。專門的控製(zhì)板轉而被(bèi)組合到支座上,控製板通常壓成薄片,再將薄片置於常用於公路橋梁的氯丁橡膠支座墊層之間,通(tōng)過它還可以測量(liàng)從橋梁上部結構傳遞下來的豎向和橫向壓力。
6 結語
隨著道路交(jiāo)通建設的(de)發展,以及橋梁使用年齡的增(zēng)長,結構老化的數量越(yuè)來越多。舊橋梁結構的維(wéi)修(xiū)和改造都需要事先對結構狀況(kuàng)進行監測、檢測與評價(jià)。雖然目前已有不少(shǎo)可以應用的檢測評價方法(fǎ),但有些技術仍需進一步完善才能達到普遍應用的階(jiē)段。特別是為(wéi)隨時了解(jiě)橋梁結構的工作狀態,確保其長期使用性能,必須使用永久的監測設備。因此,橋(qiáo)梁結構(gòu)的長期監測與診斷技術目(mù)前變得越來越重要(yào)了。
橋梁檢測工作者們還需繼續努(nǔ)力,研究與開發(fā)出更加實用(yòng)方便的橋梁(liáng)檢測技術與監測設備(bèi)。