浅析无损检测技术在桥梁工程中的应用与发展
1 桥梁无损检测应用概述
无损检测技术在桥梁工程中的应用,经历了相当长的一段时期。在较长的一段时间里虽然桥梁结构的安全性问题日益突出,但先进的无损检测技术的应用并未受到应有的重视,一些经常性的桥梁检测项目依然沿用桥梁常规检测的基本技术,传统的无损检测技术也只能作为外观检测中的补充手段,而且,很少应用先进的无损检测技术。近年来,一些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损伤诊断评估,既有半损伤式的识别方法,也有无损检测技术。其中较为成熟的无损检测方法有声发射技术(AE) 、机敏混凝土检测以及动力测试等,这些检测方法已经在桥梁检测中得到了较好的检验。
2 桥梁无损检测的主要方法
2. 1机敏混凝土测试方法
机敏混凝土是指在混凝土中掺入短切碳纤维或纳米粒子,从而使混凝土同时具有压敏特性和良好的力学性能。机敏混凝土的压敏特性是指机敏混凝土电阻随压应变或压应力变化而变化的特性,通过测量机敏混凝土的电阻变化,就可预测混凝土的应变或应力。利用机敏混凝土的压敏特性,可以发展机敏混凝土应力- 应变传感器。机敏混凝土具有较高的强度和较大的变形能力,因此,机敏混凝土既可以作为传感器埋在混凝土桥梁和隧道结构中,监测结构的受力状态,也可以作为结构材料制作桥梁和隧道的结构构件。机敏混凝土具有自感知、自适应以及自修复等3个特性,不过目前桥梁工程中智能混凝土的实际研究还主要以自感知以及自适应的为主,对于结构的修复特点将是以后研究工作的重点和难点。目前机敏混凝土在实际桥梁中商业应用较少,主要以科研为主。
2. 2声发射方法技术(AE)
材料在外加荷载等因素作用下,由于能量从局部源快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射( acoustic emission ,简称AE)。利用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测( acoustic emission testing ,简称AET)技术。
AE技术作为无损检测的一种手段,其主要目的是: ①确定声发射源的部位; ②分析声发射源的性质; ③确定声发射发生的时间或荷载大小; ④按照有关的声发射标准评定声发射源的严重性。
AET技术的主要优点包括: ①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。②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。例如,声发射法能在工作条件下检测出零点几毫米数量级的裂纹增量,而传统的无损检测方法则无法实现。③具有整体性特点。在检验大型的和较长物体的焊缝时(如桥机梁、高架门) ,这种优越性更明显。④能进行不同工艺过程和材料性能及状态变化过程的检测。⑤AET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。⑥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。同时,AET技术也有一定的缺点和不足,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(如超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测等)进行局部复检,以综合判定其有没有危险,是否允许存在。AET技术主要适用于材料性能的研究、监测和预报构件工作过程的变形、疲劳、失稳等危险信息动态监测,它是一种动态的无损检测方法,可以实时反映状态或缺陷的动态信息,实行监控和危险报警。
2. 3动力测试方法
动力测试法就是通过测量桥梁的振动信号,提取与桥梁特性有关的特征参数,利用其对桥梁的整体和部分结构进行评估,得到桥梁的实际工作状态的方法。动力测试方法具有简便、快速、无损、测试数据的获取条件与工作条件相近等特点,但是结构动力参数直接用于桥梁承载力定量鉴定还不太成熟,研究成果多集中于室内模型试验或理论分析,距实用还有一段距离。动力测试方法中含有丰富的测试技术、信号处理等内容,主要有冲击回波法、模态参数法等多种检测方法,通过对桥梁振动的监测,可以了解在外力作用下桥梁振幅的大小,以便根据结构响应来控制车流量等活荷载。另外通过对结构响应的测试,可以得到结构的自振特性,包括模态频率、模态振型、模态阻尼等参数,这些参数可以作为桥梁的“指纹”信息,长期的观测,通过这些“指纹”信息变化,可以了解结构安全状况的变化。桥梁动力特性的识别要经过较为复杂的变换,而且方法较多,例如模态识别就有时域模态和频域模态之分;在试验方法上又有天然脉动法、自由衰减法、脉冲振动法等多种方法。不同方法的假设条件不完全一样,因此在进行结构参数识别时,必须根据实际情况选择适合的方法,只有这样才能准确的得到结构的“指纹”信息。动力法是利用结构的振动来进行参数识别与损伤检测,测试的结果一般多为位移量(速度或者加速度) ,模态识别的结果尤其如此。然而在大多数情况下局部的损伤难以在此类数据中反映出来。针对位移模态对局部损伤不敏感的特点,一些学者提出并发展了应变模态/曲率模态,而且将其应用于结构的损伤识别。研究表明结构动力响应中的频率、位移模态、应变模态对局部损伤(刚度变化)的敏感性依次增强。鉴于模型误差、测量误差、环境噪声影响和测量数据的不完全性等因素的影响,要进行损伤的有效识别是比较困难的。为此需要对识别方法进行一些改进来提高损伤识别的精度。随着模型修正技术、测试技术和识别技术的改进,动力识别的效率会大大提高。目前动力测试法已在桥梁中得到广泛的应用,桥梁结构动力识别的精度也日益提高,不过结构动力参数如何应用于桥梁自身安全健康评估是一个难题,有待于进一步的研究。
3 结束语
大型桥梁结构安全性问题的日益突出,为无损检测技术的发展提出了更高的要求,无损检测技术应着眼于未来,作为一项系统工程来规划。应该将无损检测纳入新桥设计的一部分,着眼于开发廉价、快速的桥梁自检测系统。使无损检测技术融入桥梁健康监测系统之中,使之与现代意义上的桥梁管理系统、智能监测与评估系统有机地统一起来。桥梁损伤诊断的研究在国外己开展了几十年,国内的研究工作也正在进行。无损检测方法有很多成熟的技术,也有很多优点,不过应用于桥梁的检测/监测中,很多方法仍需进一步的完善和试验,因此其特点和应用范围不是绝对的,根据需要和可能,可将同一问题用多种方法分别诊断。或对同一问题分阶段用多种方法进行诊断。
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