桥梁无损检测关键技术的分析及展望

2012-09-06 00:54季超
城市建设理论研究 2012年22期
关键词:光纤桥梁结构

陈文

摘要:桥梁检测工作是桥梁工程质量管理的重要组成部分,是质量控制的重要技术手段。本文介绍了表观检测技术、红外热像仪检测技术、光纤传感技术、计算机透析成像技术的原理,并分析了各自的优缺点原理,改善对策以及未来的发展趋势。

关键词:桥梁无损检测应用与展望

中图分类号:K928.78文献标识码:A 文章编号:

随着我国经济的发展,道路和桥梁建设也不断增加,新结构、新材料、新工艺不断涌现,但在注重大力发展建设的同时,已有的道路和桥梁结构的使用荷载日益增大,大批道路与桥梁相继进入老化期。因此,为了确保道路和桥梁结构的安全运营,对道路和桥梁检测工作提出了更高的要求,道路和桥梁检测工作亦由此愈发显得重要。要合理评价桥梁的健康状况,首先必须正确认识桥梁在不同环境下的结构特性及对结构中既有损伤的识别与定位。较为准确而定量的桥梁状况数据,必将导致较好的决策和资源的更合理配置,无损检测技术正是顺应这一要求而发展起来的。

一、无损检测理论简介

无损检测技术是指以不损害结构构件受力性能或使用性能的前提下,直接在构件上通过测定某些特定参数来推定结构构件的受力性能、内部缺陷、组织结构耐久性能等,进而对建筑结构,在特定应用条件下的适用性、安全性和可靠性进行评价的一项科学技术,它是多种学科紧密结合的高科技产物。现代材料科学和应用物理学的发展为无损检测技术奠定了理论基础,而现代电子技术和计算机科学的发展又为无损检测技术提供了现代化的测试工具和快捷,高效的测试语言和工作平台。

二、无损检测方法的分析

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光纤传感技术

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信号的技术。从70年代中期至今,光纤传感技术经过20多年时间的飞速发展,已经有了很大的进步,已成功研制百余种光纤传感器。它已涉及到国防军事、航天航空、工矿企业、能源环保、生物医药、计量测试、自动控制和家用电器等各种领域。将光纤传感器应用于桥梁测量中,可实现对桥梁钢索的索力及预应力连续混凝土梁内部应力、应变特性的测量和监测,构成所谓的光纤智能桥梁。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于:传统的传感器是以应变-电量为基础,以电信号为转换及传输的载体,用导线传输电信号,因而使用时受到环境的限制,如环境湿度太大可能引起短路,特别是高温和易燃、易爆环境中易引起火灾等。光纤应变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,它的优点是: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;光纤传感器的载体是光。我国从90年代就开始了对光纤传感技术的应用研究,从而把光纤传感技术运用到桥梁检测中,给桥梁健康监测和安全评价注入了新的活力。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 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。

4计算机透析成像技术

CT扫描仪主要由探测器和信号源两大部分组成。其基本原理是,利用X射线穿透物体断面进行旋转扫描,收集X射线经某层面不同物质衰减后的信息,进行放大和模数转换后,由计算机对CT探测空间范围内与某点相关的各个方向射线进行空间解算,得出与该点X射线吸收系数直接关联的CT数,从而形成一幅物体断层的数字图像。CT图像中的黑白对比清楚地表明了被检测物体的密度分布,包括结构内部的孔洞,裂纹和其它缺陷。优点:成果直观,实施简便,分辨率高,经济,穿透深度大等。缺点:作业成本较高,实现高信噪比的观测,具有一定的技术难度,射线防护困难。

三、促进与改善道路和桥梁无损检测的思路方法对策

1依靠现代科技对行业检测技术进行突破通过对以上四种较先进的无损道路和桥梁检测技术的分析,从中不难发现其有一个共同的特点:这些技术大多首先是从国外引进,因此其价格都比较贵, 在我国进行大范围的运用推广存在一定的难度。针对该情况,为使该技术能在我国得到广泛应用,除了必须掌握该类检测技术外,还应尽可能根据我国国情进行自主技术创新,使我国的道路和桥梁检测技术在国际上有所突破。

2促进行业检测设备的研究与开发,虽然我国检测技术也在不断进行研究, 在有些领域也取得了一些成绩,但多数检测技术研究均是跟在人家的后面,很多是依赖别国,就很难开发出适合我国国情的产品。因此,在今后的研究中,研究人员不仅需要从原理上掌握检测技术,而且要从制作工艺,产品开发等方面着手研制高性能,低价格的检测技术产品以满足国内的市场需求。从而使这些现代的检测技术在我国得到广泛应用。

3完善行业检测的内容,道路和桥梁工程是由点、线、面所组成呈带状分布的系统工程,它涉及的内容比较多、范围比较广,通常有路基、路面、桥涵、隧道等多种结构物。以上提到的检测技术仅仅是在道路和桥梁工程的一小范围内得以运用, 还有许多新的项目检测技术有待于研究开发,使其可以运用在道路和桥梁工程领域的不同方面。如利用检测设备对桥梁的桥面结构、混凝土桥梁结构、钢桥结构、桥梁的下部结构、道路路基路面结构密实度、挡土墙病害检测以及对桥梁地基基础结构等多方面进行全方位的检测。从而不仅使行业的检测技术领域得到发展,而且使被检测的内容也得以完善与补充。

三、道路和桥梁无损检测技术的发展趋势

无损检测技术在道路和桥梁工程中的应用,经历了相当长的一段时期,就像通常的一门技术一样经历研究、开发、应用等不同阶段。但若想使某行业得到及时快速的发展则必须不断地对该行业的内在发展潜力和发展趋势进行分析与预测,对行业一些需急于解决的技术问题应做出发展设想与研究以求得到较好的经济效益,道路和桥梁无损检测行业技术的发展趋势:

(1) 路线横段面设计中土石方比例以及挡土墙埋至深度的确定其检测技术的研究与开发;

(2) 探地雷达在路线勘测设计以及挡土墙埋至深度检测确定中的应用研究;

(3) 利用远红外热成像检测道路和桥梁结构的损伤识别;

(4) 运用全球定位系统( GPS) 测量桥梁变形,运用TRIP钢传感器对桥梁超载进行测量和监测等;

(5) 用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构,用激光振动计测量斜拉索索力以及量化的无损检测;

(6) 利用超声波检测路面路基密实度以及平整度等;

(7) 用微波技术对疲劳裂纹进行探测和定量分析等;

(8) 将无损检测纳入新桥设计的一部分。

无损检测技术随着科学技术的发展而发展,是先进科学技术的融合结晶。无损检测技术促进了建筑工业以致整个经济的发展,从深层次上讲,无损检测技术水平可以作为衡量一个国家工业和经济的发展程度,以及科学技术发展水平高低的标志之一。同时,无损检测技术是一门多学科的综合性的应用技术在无损检测技术的应用中应善于把基础理论与工程实际相结合,大胆创新,提高道路和桥梁养护管理科学化水平,才能不断完善和发展。

参考文献:

[1] 庞游江,桥梁无损检测技术的应用与修补方法[J]. 交通世界(建养.机械), 2011,(07)

[2] 刘沐宇,袁卫国. 桥梁无损检测技术的研究现状与发展[J]. 中外公路, 2002,(06)

[3]潘长胜,赫广伟. 桥梁检测技术及其发展趋势简述[J]. 黑龙江交通科技, 2009,(04)

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

季超

【摘要】当前桥梁设施的安全问题已成为社会关注的热点,无损检测技术的发展为桥梁结构安全监测提供了有效的技术手段。本文对桥梁无损检测的关键技术进行了简单的分析,并对未来的发展方向进行了展望。

【关键词】桥梁无损检测关键技术分析展望

中图分类号:K928文献标识码: A 文章编号:

无损检测技术,也就是非破坏性检测,是在保证待测物质的状态、化学性质等不被破坏的前提下,对待测物进行有关的内容、性质或成分等物理、化学情报进行检查的方法。随着计算机技术以及自动化水平的提高,无损检测技术以其快速、直观及可以显示道桥内部状态的检测设备和技术手段,在道路桥梁检测中得到了广泛应用。它对路面设计的改善以及道桥无损检测技术探究的开展有着重要意义,能够提高道路桥梁的建设、管理及养护水平。

一、桥梁无损检测技术概述

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。无损检测技术是材料学、应用物理学、现代电子技术和计算机技术相结合产物。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。

20世纪30年代,研究人员开始探索和研究混凝土无损检测方法,1930年首先出现了表面压痕法,1935年G.Grimet、J.M.Ide用共振法测量混凝土的弹性模量,1949年Leslie和Cheesman、R.Jones等运用超声脉冲法获得成功,这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。混凝土无损检测技术研究快速发展,并形成了一个较完整的混凝土无损检测体系。桥梁无损检测技术正是在此基础上发展而形成的,并在实际工程应用中得到了快速发展。

20世纪80年代以来,随着相关科学技术的发展,无损检测技术又有了新的突破,出现了许多新的测试方法,例如微波吸收、雷达扫描、红外热谱以及脉冲回波等。随着无损检测技术的日臻成熟,英美等国开展了无损检测技术的标准化工作,颁布了ASTM(美国)、BSI(英国)等标准,对无损检测技术的工程应用起到了良好的促进作用。进入20世纪90年代,随着现代传感与通信技术的发展,先后出现一大批新的检测方法和检测手段,使无损检测技术向着数字化、智能化、快速化、系统化的方向发展,无线技术的应用也极大地降低了检测时的工作量。

桥梁安全检测可分为总体检测和局部检测。总体检测主要依赖于动静载试验,动静载试验是一种经常被采用的桥梁检测方法,由试验测得的挠度、应变和位移,辅以检测人员的现场目测,来综合评判桥梁的状况。局部检测主要有混凝土硬度实验、超声波探测、腐蚀作用实验、冲击反射、磁电阻抗、锈蚀势能、远红外热像、地面渗透雷达、X射线摄像和声发射等等多种检测手段。裂纹的探测是局部检测中一个重要的方面,常用的方法有:液体渗透、磁分子、涡流仪、超声波和声发射等。探测钢桥体积缺陷一般用X射线摄像法。观察法是桥梁检测中最古老的方法,主要依赖于专家的感性和定性的经验分析,常会因为专家的主观意愿而有失客观,不能完全正确评判结构的损伤状况。

二、桥梁无损检测关键技术分析

1、回声波检测法

回声波法检测原理是:通过在结构上作用一个短的持续作用,产生应力( 声) 波,通过结构,并由缺陷和外表面反射。假如声阻力不同,这些低频率应力波以不同速度传播。采用传感器记录表面移置,表面移置是由反射波到达冲击表面引起的。将振幅和频率保存于后处理中。空洞检测的准确性可以用可检测到的最小侧向空洞尺寸来表示。根据冲击器直径的变化,出入频率有所不同,即冲击器直径越小,冲击器的频率越高,分辨率越高,但是穿透深度越小。

回声波具有显著的优点。因为没有放射性或 X 射线的危险,该方法的使用安全能够得到保证。该方法能够检测到在金属和塑料管道中空洞的出现、空洞的深度、与加强区的距离及单元的厚度。回声波法检测法风险低,仅需要一面的检测通路,能检测金属和塑料管道中的空洞。然而,该方法仅能检测到大尺寸的空洞。

回声波可检测到空洞的最小尺寸往往大于很多管道中空洞的直径,并且大于对钢筋耐久性有重要影响的空洞尺寸。在关键截面区,很多管道都不能从下端背面进行检测。如果仅限制到从一面观察,这进一步减小了潜在的缺陷范围。不能检测到水充满于空洞的情况。除了初始空洞表面信息以外,不能提供其他结构信息,如果假定从底部表面和水平表面测量,可能导致管道尺寸减小。该方法并不像冲击雷达一样速度很快,并且需要管道尺寸等信息来帮助解释说明。布置拥挤的管道和加固区都可能给检测增加困难。

2、探地雷达(GPR)检测法

GPR 是一种电磁回声方法。采用一个传感器(发射器或者接收器),该传感器以某一指定速度穿过结构表面。声波较短的持续脉冲能量得以传播,同时接收器接收从材料表面和结构特征处探测到的反射信号。这些信号带有不同的介电常数,例如被埋藏的金属物体或者空洞。收集到的数据是一个有效的连续截面。信号的振幅,阶段和连续性受到材料类型这一因素的影响,信号的连续性受到构件形状的影响。无线脉冲传播时间受到层厚度或者埋藏特征的影响。GPR 是一种低风险的检测方法,主要应用是在使用其他可选方法前,定位管道和加固区。

GPR 检测法产生高频电磁冲击脉,通过天线在结构内传播。这些电磁波有一部分在界面改变处反射和折射,因为在界面改变处介电常数有所改变,并且由一个接收器记录下来。如果接收天线是常用的单声道操作(反射模式),发射天线可以和接收天线布置于同一外壳。集合系统往往在表面扫描而过,来确定反射信号的雷达追踪。各种典型的天线频率在 100 MHz ~ 1 500 MHz 之间,用于调查不同结构形式和材料状况。

GPR 检测法能够有效绘制空洞或剥离程度,速度快,覆盖范围广。因为没有放射性 X 射线的危害,GPR 检测方法的使用安全可以得到保证,尤其适用于检测很多通道条件苛刻的结构,或者适用于不能有损伤的内部结构。GPR 检测法能很好的确定金属管道的位置,并且很可能成为后张混凝土桥梁结构应用的主要方法。在完全灌浆的塑料管道中,该方法能够定位金属管道,加固区和钢筋。

3、射线探伤法

射线探伤法将底片置于混凝土构件后,通过对敏感底片发射X 射线或伽玛射线,从而生成含空洞的图片。射线探伤法可以确定空洞程度和断裂钢筋的位置。适用于桥梁交通开放的情况,并可以从图书馆在线快速获取图像。理想条件下,图片准确无异议。这种方法所需的操作人员数量较少。但射线探伤法需要很多强有力的探射源穿透厚截面,或者获得实时图像,从而增加了成本,使结构健康和安全预防措施更加严格。采用射线探伤法可以获得清楚的图片,但如果截面厚,或与管道或钢筋交错布置时,就不宜用图片说明。放射源放射出的伽玛射线最大能够穿透150mm的铱,400mm 的钴,并且必须能机械化的放置于带有护套的盒子中。X射线源的穿透能力达 1500mm,并且能够自动关闭,这是该方法的一个显著安全优势。当通道便捷,并且安全情况理想时,射线探伤法能提供便于解释说明的图片。证明了这种方法是一个适用性很强的NDT技术。

三、无损检测技术的展望

1、无损检测技术的理论研究探索

无损检测方法必须建立在被检测的某些性能与适当的物理量之间相互关系的基础之上。一般采用两种方法,一是建立在大量试验基础之上的归纳法,即是用回归分析方法确定检测性能与要评价量之间的经验关系。这种方法不仅工作量巨大,受限制的客观因素多,而且常有一定的主观盲目性,主要用于无损检测技术的初期的理论研究。另一种是以基础科学的基本原理为依据的演绎法,以要评价量与物理量之间的理论联系为基础进行逻辑推理,从理论上确定其间的相互关系,然后再作适当的试验验证。这种方法已经被认为是无损检测技术理论研究方向极具前途的方向,我们应该给予高度的重视。另外,由于科学技术的发展,学科交叉的现象日益普遍,特别是将一些高新技术的最新研究成果应用于无损检测技术的研究,必将推动该技术的飞速发展,这也是值得我们关注的一个方向。

2、无损检测技术的工程应用探索

无损检测技术的工程应用取决于现有检测手段和检测仪器的更新。近年来,在对原有检测方法进一步完善的同时,又出现了综合法,许多学者认为,综合法 可以从不同的检测参数中获取较多的信息,并可清除部分不利因素的影响,因而误差较小,是今后检测强度方法的主要研究方向。对于缺陷检测技术,大多是以波动传播为基础。 波形接收信号分析技术和脉冲回波技术的发展是无损 检测技术值得注意的方向,已经出现了许多新的方法,如雷达波、红外热谱、激光、超声波等方式。一般认为,这类依靠远程(非接触) 辐射传递信息的高速检测技 术,在工程应用中是一个极具前途的研究方向。随着测试方法和电子技术的发展,无损检测仪器也发展到一个新的水平。近年来,高灵敏传感系统(如 红外、微波、射线等系统) 的不断出现,使无损检测技术的传感系统向多元化、智能化的方向发展,使检测仪器 向专用化、小型化、一体化、集约化的方向发展。检测 仪器的研究是无损检测技术发展的基础,如何将电子技术与检测技术紧密结合起来,也是值得我们关注的问题。

总结

随着我国大规模的道路桥梁交通建设,一些建成的高等级公路和大型桥梁、隧道等结果的使用安全性的问题也显得日益突出,这为无损检测技术的发展提供了很好的发展市场,同时也为无损检测技术提出了相应的更高的要求。因此,无损检测技术的研究和开发具有广阔的前景。

参考文献

[1] 张勇,国春萍.无损检测技术在道路工程中的应用[J].黑龙江科技信息,2011,(02).

[2] 唐立琴.浅析无损检测技术在道路工程中的应用[J].今日科苑,2010,(08).

[3] 邹斌.建筑钢结构工程及焊缝无损检测技术应用[J].江西建材,2009,(02)

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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