橋梁無損檢測技術理論和工程應用探索

郝忙利  李粉玲

(西安市市政建設集團(有限)公司  710054  西安)

1.概述

    無損檢測(Nondestructive Evaluation，NDE)技術是指在不影響結構或構件性能的前提下，通過測定某些適當的物理量來判斷結構或構件某些性能的檢測方法。無損檢測技術是多學科緊密結合的高技術產物，現代材料學和應用物理學的發展為元損檢測技術奠定了理論基礎，而現代電子技術和計算機科學的發展又為無損檢測技術提供了現代化的測試工具。

    1.1技術內涵

    隨著橋梁技術的飛速發展，對既有結構損傷的評定，已越來越依賴于儀器對結構進行檢測為手段。作為一種檢測技術，元損檢測主要用于結構安全直接有關的宏觀力學性能及宏觀缺陷的測試方面，在橋梁工程中的應用，主要與下面幾個方面息息相關：

    (1)橋梁自身材料和結構方面的特性；

    (2)合理選取反映橋梁整體或局部的某些性能的物理量，并確定相互之間的函數關系；

    (3)檢測方法的改進和檢測儀器的更新。元損檢測技術在橋梁檢測中的應用十分廣泛，總體上可以概括為基于整體的結構狀況識別和基于局部的構件損傷識別。橋梁是一個由多種材料，不同結構組合而成的大型綜合系統，系統各個成分的重要性、應力狀態、易損性不一，剛度、動力特性也相差甚遠，所以造成橋梁檢測的范圍十分廣泛、復雜。

    識別橋梁的損傷，我們應該關注的是對結構功能產生嚴重影響的那些損傷，從這一意義出發，將橋梁的損傷歸結為材料損傷和結構受力損傷兩大主要的

損傷形式。

    鋼筋和混凝土是目前橋梁工程中最主要的兩種結構材料，橋梁的工作性質和受力狀況決定了橋梁的損傷形成和發展，反映到材料方面則主要表現為疲勞損傷和鋼筋銹蝕。混凝土是一種多相復合材料，內部結構較為復雜。混凝土構件在投入使用前，其內部就已經有微裂縫存在，這種微裂縫首先在較大骨料顆粒與砂漿或水泥的接觸面形成，主要是由于混凝土凝結和硬化過程中水泥的干縮而引起的。對鋼筋而言，使用前同樣存在缺陷，由于冶煉時雜質的存在，不僅在微觀上破壞鋼材的連續性，而且在一定條件下會成為導致鋼材銹蝕的陽極，是鋼材產生電化腐蝕的直接根源。另外，混凝土梁的主筋有時是由幾根鋼筋焊接而成，這也會制造出有利于損傷發生和發展的薄弱環節，如焊縫中的微裂縫、焊接過程中的殘余應力等。當結構受力時，這些部位將導致應力集中而首先出現破壞，是橋梁損傷產生的根源。

    從結構受力的角度分析，橋梁投入使用后，要經歷使用荷載、超常荷載、偶發荷載(如颶風、地震等)的作用，特別是豎向荷載的重復作用，還會經受各種環境因素，如日照、溫差、凍融循環、風霜雨雪等，將會導致橋梁構件的抗力退化，特別是疲勞退化和主筋腐蝕引起的強度退化，從而導致結構受力損傷，形成裂縫。此外，由于結構基礎沉降及構件預應力損失所引起的應力重分布，結構環境中不確定性因素的影響等原因，使損傷機理的分析日益多元化、微元化。特別

是近年來，隨著人們對大型懸掛體系結構中風致振動、溫度應力等因素的日益關注，更是加劇了這一趨勢的發展。

2.橋梁無損檢測技術的研究現狀與最新動態

    2.1研究現狀

    傳統的無損檢測技術發展很快，目前已有超聲檢測、紅外檢測、聲發射、自然電位檢測、沖擊回波檢測、磁試驗、Y或X射線檢測、光干涉、脈沖雷達、振動試驗分析等數十種之多。除振動試驗分析法以外，多數元損檢測技術屬于局部檢測方法。

    2.2存在問題

    某些元損檢測技術應用橋梁結構上還存在著一些不利因素，如7或X射線檢測法只能檢測一定厚度范圍內的混凝土，對檢測空間有一定要求，且有一定的放射性危險；超聲檢測雖然對鋼結構檢測效果較好，但對混凝土類各向異性材料的檢測不夠準確，檢測設備成本較高；紅外檢測法可遠距、快速的進行檢測診斷，但檢測成本較高且對交通流量有影H向。局部檢測方法需要人工作地毯式搜索，雖較費時費力且可靠性差，但對于量大面廣的中小橋梁來說，從技術、經濟上考慮，人工檢測仍然是一種重要的比較現實的技術管理手段。

    2.3最新發展

    近年來，致力于橋梁檢測，研究人員提出了許多成功的方法對橋梁進行非破壞性評估。一些新的方法被廣泛應用于橋梁檢測，如利用相干激光雷達測試橋梁下部結構的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測量橋體表面的變形狀態，利用雙波長遠紅外成像檢測橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動檢測鋼索、鋼梁和混凝土內部的鋼筋等等。隨著振動實驗模態分析技術的發展，運用振動測試數據進行結構動力模型修正理論得到了充分的發展，為橋梁結構的安全檢測開辟了新的途徑。基于振動模態分析技術，人們研究發現，結構的動力響應是整體狀態的一種度量，當結構的質量、剛度和阻尼特性發生變化時，選用結構振動模態作為權數，對結構損傷前后的模態變化量進行加權處理，從而實現對單元損傷的識別和有效定位。

3.無損檢測技術的展望

    3.1理論研究探索

    無損檢測方法必須建立在被檢測的某些性能與適當的物理量之間相互關系的基礎之上。一般采用兩種方法，一是建立在大量試驗基礎之上的歸納法，即是用回歸分析方法確定檢測性能與要評價量之間的經驗關系。這種方法不僅工作量巨大，受限制的客觀因素多，而且常有一定的主觀盲目性，主要用于元損檢測技術的初期的理論研究。另一種是以基礎科學的基本原理為依據的演繹法，以要評價量與物理量之間的理論聯系為基礎進行邏輯推理，從理論上確定其間的相互關系，然后再作適當的試驗驗證。另外，由于科學技術的發展，學科交叉的現象日益普遍，特別是將一些高新技術的最新研究成果應用于元損檢測技術的研究，必將推動該技術的飛速發展。

    總之，元損檢測技術是多學科綜合的一門應用技術，是建立在基礎學科的基礎之上的，只有從基礎理論中不斷吸收養分，才能不斷完善和發展。無損檢測技術的研究，應善于把基礎理論與工程實踐結合起來，建立起理論研究與工程應用聯系的橋梁，完善現有的方法和開辟新的途徑。

    3.2工程應用探索

    無損檢測技術的工程應用取決于現有檢測手段和檢測儀器的更新。近年來，在對原有檢測方法進一步完善的同時，又出現了綜合法，許多學者認為，綜合法可以從不同的檢測參數中獲取較多的信息，并可清除部分不利因素的影響，因而誤差較小，是今后檢測強度方法的主要研究方向。

    對于缺陷檢測技術，大多是以波動傳播為基礎。波形接收信號分析技術和脈沖回波技術的發展是元損檢測技術值得注意的方向，已經出現了許多新的方法，如雷達波、紅外熱譜、激光、超聲波等方式。一般認為，這類依靠遠程(非接觸)輻射傳遞信息的高速檢測技術，在工程應用中是一個極具前途的研究方向。隨著測試方法和電子技術的發展，元損檢測儀器也發展到一個新的水平。近年來，高靈敏傳感系統(如紅外、微波、射線等系統)的不斷出現，使無損檢測技術的傳感系統向多元化、智能化的方向發展，使檢測儀器向專用化、小型化、一體化、集約化的方向發展。檢測儀器的研究是無損檢測技術發展的基礎，如何將電子技術與檢測技術緊密結合起來，也是值得我們關注的問題。

4.結語

    大型橋梁結構安全性問題的日益突出，為無損檢測技術的發展提出了更高的要求，無損檢測技術應著眼于未來，作為一項系統工程來規劃。今后的方向是擴大先進檢測技術的應用范圍，并積極研究、應用小型的自動化程度較高的檢測儀器。傳統的檢測方法一般可以對橋梁的外觀及部分結構特性進行監測，對橋梁局部關鍵結構構件、節點可以進行較為合理的損傷判斷，然而難以全面反映橋梁的整體健康狀況，對于橋梁結構的安全程度、剩余壽命難以作出系統的評估。國內外學者普遍認同并致力于研究的元損檢測方法是結合系統識別、振動理論、振動測試技術、信號采集等跨學科技術的試驗模態分析法。目前，該整體檢測技術在一些局部范圍內取得了積極的效果。一種比較現實的損傷檢測方法可能是綜合整體損傷定位與局部細化檢測兩種手段的技術。

參考文獻：

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)