桥梁结构无损检测技术应用
引言
随着国民经济的发展，作为快捷运输的公路，也日新月异地发生着变化。作为连接道路的桥梁，起着至关重要的作用。桥梁工程的检测是保证桥梁正常使用、进行维修加固的重要依据。通过对桥梁工程的无损检测，对桥梁的损伤情况和程度进行诊断，对桥梁的可靠性、耐久性和承载能力进行评估。为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常时提前发出预警信号，为桥梁的维修、养护与处理决策提供依据和指导。
1 无损检测技术的形成与发展
无损检测技术是指在不影响结构或构件性能的前提下，通过测定某些适当的物理量来判断结构或构件某些性能的检测方法。桥梁工程中无损检测技术的形成和发展与混凝土无损检测技术的发展密切相关。早在20世纪30年代，人们就开始探索混凝土无损检测技术。随着无损检测技术的日臻成熟，许多国家开始了这类检测方法的标准工作。经过几十年的研究和工程应用，我国研制了一系列的无损检测仪器设备，结合工程实践进行了大量的应用研究，逐步形成了《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》、《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》、《后装拔出法检测混凝土强度技术规程》、《超声法检测混凝土缺陷技术规程》等技术规程，并由此解决了工程实践中的问题，产生了巨大的社会经济效益。
无损检测技术与常规的混凝土结构破坏试验相比，具有如下一些特点：
（1）不破坏被检测构件，不影响其使用性能，且简便快速；
（2）可以在构件上直接进行表层或内部的全面检测，对新建工程和既有结构物都适用；
（3）能获得破坏试验不能获得的信息；
（4）可在同一构件上进行连续测试和重复测试，使检测结果有良好的可比性；测试快速方便，费用低廉；
（5）由于是间接检测，检测结果要受到许多因素的影响，检测精度要差一些。
2 常见的桥梁结构无损检测技术及其应用
2.1 表观检测技术
通过检测人员的观察,对结构的外在形态进行调查,包括对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。表观检测的项目和要求,对不同的桥型有不同的侧重点。表观检测要达到定量反映桥梁结构状况,就得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。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。
优点:表观检测是桥梁结构损伤诊断中最常用的方法;其最主要的优点为,直观明了,可及性强,并且经济实用。
缺点:主观性强;费时;仅适合定性评价;效率低;内部损伤难以察觉。
2.2 电化学测试法
电化学方法的测试原理是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性,来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程,电化学测量是反映其本质过程的有力手段。
优点:与分析法或物理方法相比,电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点,因此电化学方法得到了很大的重视和发展。目前在实验室已成功用于检测混凝土中钢筋的腐蚀状态和瞬时腐蚀速度,并已尝试用于现场检测。
半电池电位法是钢筋锈蚀检测的3种电化学方法中既简单、经济、易行,又研究最早、应用最广泛的一种钢筋锈蚀检测方法。其基本原理是:钢筋锈蚀时,在钢筋混凝土表面形成阳极区和阴极区,在这些具有不同电位的区域之间,混凝土内部将产生电流。钢筋和混凝土的电化学活性可以看作是半个弱电池组,钢筋的作用是一个电极,而混凝土是电解质。
在半电池电位法测量中,要严格遵守操作规程,因为环境相对湿度、水泥品种、水灰比、保护层厚度、碳化深度等因素,都会对测量结果产生影响。所以该方法较多地应用于钢筋锈蚀度的定性测量,还无法定量监测混凝土中钢筋的锈蚀率。钢筋的检测是一种综合评定的方法。为了进一步了解钢筋锈蚀对结构耐久性的影响以及更有效地提供保护措施,通常有必要通过其它试验来进一步分析钢筋锈蚀的成因,钢筋锈蚀的速率等,这些试验方法包括测量混凝土的电阻率、pH值和碳化深度,测量钢筋保护层的厚度等多种参数,对结构所处的大气、雨水、海水成分等环境相结合进行评估,这部分工作可定期通过养护检查来解决。
缺点:由于桥梁中对于钢筋腐蚀的资料没有很好的综合总结,而且各地的气候差异较大,导致目前国内的评判标准难以确定,目前交通部《公路桥梁承载能力检测评定规程》对此进行了相应的规定,不过由于上述原因,该方面的工作还有待进一步深入开展。国内科研单位和公司有不少产品,例如SW-3C钢筋锈蚀检测仪、PS-6型钢筋锈蚀测量仪等诸多品牌的半电池电位计设备。
2.3 电磁波检测技术
电磁探测技术主要包括探地雷达技术和涡流检测技术。
(1)探地雷达技术.利用高频电磁波,以脉冲形式通过发射天线被定向地送入地下,雷达波在地下介质中传播过程中,当遇到存在电性差异的地下目标体(如空洞,或钢筋)时,电磁波便发生反射,返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上,根据接收到的雷达波波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到对地下隐蔽目标物的探测。
特点:能精确测定缺陷区的形状、大小和深度;节省劳力、操作方便、速度快;能在大范围内进行检测;不受周围环境影响。
(2)涡流检测技术.涡流检测技术的基本原理为电磁感应,主要应用于检测表面损伤。当检测线圈与导电材料的构件表面靠近,并通以交流电时,所产生的交变磁场将在构件表层产生感应电流,呈环形涡流状。电涡流的大小与分布受构件材料介质和表层缺陷的影响,根据所测电涡流的变化量,就可以判定材料表层的缺陷情况。
特点:涡流法对被检结构表面及近表面缺陷检测灵敏度高,具有快速、方便、无污染、成本低,在表面涂层、潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作,便于现场检测等优点。
2.4 声探测技术
声探测技术主要包括超声波探测技术、声发射检测技术和冲击—回声检测技
术。声探测技术是目前发展最迅速的无损检测。
2.4.1 超声波探测技术
超声波探测技术利用声脉冲在缺陷处发生特性变化的原理来进行检测。超声波能够以一定的速度在某种材料中传播,直至遇到不连续点或抵达测试物的边界时才反射回来,通过信号的强度可以获知损伤的程度,而将信号发生的时间和超声波在材料中的传播速度联系起来,则可以获知损伤的位置。
主要优缺点:(a)对结构混凝土本身材料组织构造和使用性能没有损害,可以直接对混凝土结构、构件进行强度的测定,运用预先建立的率定关系值,就能比较真实地反映结构混凝土各部位的实际强度;(b)应用超声波检测能全面地反映混凝土结构整体的强度和结构性能;(c)频率高,指向性比较好。传播能量大,对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性,为超声波的应用提供了丰富的信息;(d)重复或复核检测方便,重复性良好;(e)适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉,可及时得到探伤结果,适合在实验室及野外等各种环境下工作,并能对正在运行的装置和设备实行在线检查;(f)由于超声波的波长比较短,利用超声波成像技术进行检测的分辨率高,合理布置测线密度和反演网格单元就可以保证在测试区域内有足够的分辨率。
2.4.2 声发射检测技术
大多数结构材料在受力后出现如塑性变形、裂纹开裂、裂纹开展等微结构损伤时,就以声波的形式释放能量。它的优点是可以对处于荷载作用状态下的桥梁结构的内部材料和结构变化进行稳定的监视,并给出早期报警。
主要优点:(a)适用于实时动态监控检测,且只显示和记录扩展的缺陷,与缺陷尺寸无关;(b)对扩展的缺陷具有很高的灵敏度,其灵敏度大大高于其他方法;(c)具有整体性特点。在检验大型的和较长物体的焊缝时,这种优越性更明显;(d)能进行不同工艺过程和材料性能及状态变化过程的检测;(e)AET技术受材料的性能和组织的影响要小些,例如材料的不均匀性对射线照相和超声波检测影响较大,而对AET技术则无关紧要,因此AET技术的使用范围较宽;(f)使用AET技术比较简单,现场声发射检测监控与试验同步进行,不会因使用了声发射检测技术而延长试验工期,检测费用也较低,特别是大型构件的整体检测,其检测费用远远低于射线或超声检测费用,而且可以整体、实时地检测和结果评定。
缺点:AET需要在特定荷载条件下进行,AET目前只能给出声发射源的部位、活度和强度,不能给出声发射源缺陷的性质和大小,对超声发射源,需要使用其他常规无损检测方法进行局部复检,以综合判定其有没有危险,是否允许存在。
2.4.3 冲击—回声检测技术
冲击—回声检测技术是基于使用弹性冲击产生的瞬时应力波,在预留孔位置的混凝土表面利用一个短时的机械冲击产生低频的应力波,应力波传播到结构内部,被缺陷表面或构件底面反射回来。因此,应力波在构件表面、内部缺陷表面或构件表面底部边界之间来回反射产生瞬态共振,其共振频率能在振幅谱中辨别出,用于确定内部缺陷的深度和构件的厚度。
优点:冲击回波方法不仅可以测量物体的厚度,也可以确定物体内部缺陷的位置及其延伸。该方法成功用于质量控制,辨认一个建筑物中的可疑点并对其定量。例如检测桥梁表层的分层,定位裂纹或气孔,或检查灌注浆管道中气孔,并对其进行日常评估。
缺点:虽然冲击回波法检测过程简单,但要成功解释测试结果需要对复杂声学知识有所了解,从而限制了该方法的广泛应用,特别是自动化检测设备的发展。
2.5 光探测技术
2.5.1 红外热像仪检测技术
“红外热像仪检测”是:利用红外摄像机来生成一幅桥面温度图像,这种温度图像揭示了在阳光照射下混凝土裂层之上的桥面温度“热点”。这种温度较高的“热点”是由,薄的充满空气的裂层,就像绝热体一样,使得其上的混凝土的温度上升的更快些,而形成的。红外线检测技术是依据物体的红外辐射、表面温度、材料特性三者间的内在关系,借助红外热像仪把来自目标的红外辐射转变为可见的热图像,通过热图像特征分析,直观地了解物体的表面温度分布,进而达到推断混凝土的内部结构和表面状态的目的。
优点:红外热像仪检测技术可以非接触的测量,具有快速,高稳定性,设备轻便,后处理灵活,热成像图可以很好的反映温度的信息。缺点:影响物体温度的变量是相当多的,尤其天气的变化是一个很重要的原因,相关的改善措施还在摸索阶段。
2.5.2 光纤传感器检测技术
光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性,将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术。从20世纪70年代中期至今,光纤传感技术经过30多年的飞速发展已经有了很大的进步,已成功研制了百余种光纤传感器,它已涉及到国防军事、航天航空、工矿企业等各种领域。优点:由于光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体,利用光纤传输信号,所以在桥梁局部损伤检测中,光纤传感器具有许多独特的优点:抗电磁干扰;具有极高的灵敏度和分辨率;便于成网,有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络;成本低;光纤是由石英玻璃制成的,是一种介质、绝缘体,且耐高压、耐腐蚀,能在易燃易爆的环境下可靠运行;光纤为无源器件,对被测对象不产生影响;光纤体积小,重量轻,可做成任意形状的传感器阵列;光纤传感器可重复使用,并且长期应用时可以进行自基准等。
缺点:因其价格昂贵,针对我国的国情该项技术在我国的桥梁检测中还难以推广。
3 结束语
随着交通运输的快速发展和保障公路桥梁安全运营的实际需求，桥梁养护已经成为交通部门的重点工作，特别是桥梁的检测技术要求新工艺、新设备、新技术的不断出现。科技的发展，科研工作的深入，以及广大科研、设计等人员的共同努力，研究桥梁检测与安全性评估方法，建立健康有效的桥梁检测与预警系统，探索桥梁维护加固补强的施工工艺与技术，这些重要的课题必将得到长足的促进，成为我国科技发展的前沿。
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