橋梁結構無損檢測技術應用
2015-07-02
引言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，作為快捷運輸?shù)墓?，也日新月異地發(fā)生著變化。作為連接道路的橋梁，起著至關重要的作用。橋梁工程的檢測是保證橋梁正常使用、進行維修加固的重要依據(jù)。通過對橋梁工程的無損檢測，對橋梁的損傷情況和程度進行診斷，對橋梁的可靠性、耐久性和承載能力進行評估。為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況異常時提前發(fā)出預警信號，為橋梁的維修、養(yǎng)護與處理決策提供依據(jù)和指導。
1 無損檢測技術的形成與發(fā)展
無損檢測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?shù)奈锢砹縼砼袛嘟Y構或構件某些性能的檢測方法。橋梁工程中無損檢測技術的形成和發(fā)展與混凝土無損檢測技術的發(fā)展密切相關。早在20世紀30年代，人們就開始探索混凝土無損檢測技術。隨著無損檢測技術的日臻成熟，許多國家開始了這類檢測方法的標準工作。經(jīng)過幾十年的研究和工程應用，我國研制了一系列的無損檢測儀器設備，結合工程實踐進行了大量的應用研究，逐步形成了《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》、《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規(guī)程》、《后裝拔出法檢測混凝土強度技術規(guī)程》、《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》等技術規(guī)程，并由此解決了工程實踐中的問題，產(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟效益。
無損檢測技術與常規(guī)的混凝土結構破壞試驗相比，具有如下一些特點：
?。?）不破壞被檢測構件，不影響其使用性能，且簡便快速；
?。?）可以在構件上直接進行表層或內部的全面檢測，對新建工程和既有結構物都適用；
?。?）能獲得破壞試驗不能獲得的信息；
?。?）可在同一構件上進行連續(xù)測試和重復測試，使檢測結果有良好的可比性；測試快速方便，費用低廉；
?。?）由于是間接檢測，檢測結果要受到許多因素的影響，檢測精度要差一些。
2 常見的橋梁結構無損檢測技術及其應用
2.1 表觀檢測技術
通過檢測人員的觀察,對結構的外在形態(tài)進行調查,包括對橋梁整體與局部構造幾何尺寸的量測、結構病害的檢查與量測等。表觀檢測的項目和要求,對不同的橋型有不同的側重點。表觀檢測要達到定量反映橋梁結構狀況,就得依據(jù)相關規(guī)范評定橋梁技術等級的要求。結構資料的調查包括了解橋梁的原結構設計、施工工藝及過程以及橋梁的結構維修養(yǎng)護歷史等。對于鋼筋混凝土橋梁來講,主要是混凝土與鋼筋的相關檢測,包括混凝土的強度等級、碳化深度、與耐久性有關的含堿量和氯離子含量,以及鋼筋的銹蝕狀況、保護層厚度測試等。
優(yōu)點:表觀檢測是橋梁結構損傷診斷中最常用的方法;其最主要的優(yōu)點為,直觀明了,可及性強,并且經(jīng)濟實用。
缺點:主觀性強;費時;僅適合定性評價;效率低;內部損傷難以察覺。
2.2 電化學測試法
電化學方法的測試原理是通過測定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學特性,來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度?；炷林袖摻钿P蝕是一個電化學過程,電化學測量是反映其本質過程的有力手段。
優(yōu)點:與分析法或物理方法相比,電化學方法還有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點,因此電化學方法得到了很大的重視和發(fā)展。目前在實驗室已成功用于檢測混凝土中鋼筋的腐蝕狀態(tài)和瞬時腐蝕速度,并已嘗試用于現(xiàn)場檢測。
半電池電位法是鋼筋銹蝕檢測的3種電化學方法中既簡單、經(jīng)濟、易行,又研究最早、應用最廣泛的一種鋼筋銹蝕檢測方法。其基本原理是:鋼筋銹蝕時,在鋼筋混凝土表面形成陽極區(qū)和陰極區(qū),在這些具有不同電位的區(qū)域之間,混凝土內部將產(chǎn)生電流。鋼筋和混凝土的電化學活性可以看作是半個弱電池組,鋼筋的作用是一個電極,而混凝土是電解質。
在半電池電位法測量中,要嚴格遵守操作規(guī)程,因為環(huán)境相對濕度、水泥品種、水灰比、保護層厚度、碳化深度等因素,都會對測量結果產(chǎn)生影響。所以該方法較多地應用于鋼筋銹蝕度的定性測量,還無法定量監(jiān)測混凝土中鋼筋的銹蝕率。鋼筋的檢測是一種綜合評定的方法。為了進一步了解鋼筋銹蝕對結構耐久性的影響以及更有效地提供保護措施,通常有必要通過其它試驗來進一步分析鋼筋銹蝕的成因,鋼筋銹蝕的速率等,這些試驗方法包括測量混凝土的電阻率、pH值和碳化深度,測量鋼筋保護層的厚度等多種參數(shù),對結構所處的大氣、雨水、海水成分等環(huán)境相結合進行評估,這部分工作可定期通過養(yǎng)護檢查來解決。
缺點:由于橋梁中對于鋼筋腐蝕的資料沒有很好的綜合總結,而且各地的氣候差異較大,導致目前國內的評判標準難以確定,目前交通部《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》對此進行了相應的規(guī)定,不過由于上述原因,該方面的工作還有待進一步深入開展。國內科研單位和公司有不少產(chǎn)品,例如SW-3C鋼筋銹蝕檢測儀、PS-6型鋼筋銹蝕測量儀等諸多品牌的半電池電位計設備。
2.3 電磁波檢測技術
電磁探測技術主要包括探地雷達技術和渦流檢測技術。
(1)探地雷達技術.利用高頻電磁波,以脈沖形式通過發(fā)射天線被定向地送入地下,雷達波在地下介質中傳播過程中,當遇到存在電性差異的地下目標體(如空洞,或鋼筋)時,電磁波便發(fā)生反射,返回到地面時由接收天線所接收。在對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎上,根據(jù)接收到的雷達波波形、強度、雙程走時等參數(shù)便可推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態(tài),從而達到對地下隱蔽目標物的探測。
特點:能精確測定缺陷區(qū)的形狀、大小和深度;節(jié)省勞力、操作方便、速度快;能在大范圍內進行檢測;不受周圍環(huán)境影響。
(2)渦流檢測技術.渦流檢測技術的基本原理為電磁感應,主要應用于檢測表面損傷。當檢測線圈與導電材料的構件表面靠近,并通以交流電時,所產(chǎn)生的交變磁場將在構件表層產(chǎn)生感應電流,呈環(huán)形渦流狀。電渦流的大小與分布受構件材料介質和表層缺陷的影響,根據(jù)所測電渦流的變化量,就可以判定材料表層的缺陷情況。
特點:渦流法對被檢結構表面及近表面缺陷檢測靈敏度高,具有快速、方便、無污染、成本低,在表面涂層、潮濕和水底等惡劣環(huán)境下也能開展檢測工作,便于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點。
2.4 聲探測技術
聲探測技術主要包括超聲波探測技術、聲發(fā)射檢測技術和沖擊—回聲檢測技
術。聲探測技術是目前發(fā)展最迅速的無損檢測。
2.4.1 超聲波探測技術
超聲波探測技術利用聲脈沖在缺陷處發(fā)生特性變化的原理來進行檢測。超聲波能夠以一定的速度在某種材料中傳播,直至遇到不連續(xù)點或抵達測試物的邊界時才反射回來,通過信號的強度可以獲知損傷的程度,而將信號發(fā)生的時間和超聲波在材料中的傳播速度聯(lián)系起來,則可以獲知損傷的位置。
主要優(yōu)缺點:(a)對結構混凝土本身材料組織構造和使用性能沒有損害,可以直接對混凝土結構、構件進行強度的測定,運用預先建立的率定關系值,就能比較真實地反映結構混凝土各部位的實際強度;(b)應用超聲波檢測能全面地反映混凝土結構整體的強度和結構性能;(c)頻率高,指向性比較好。傳播能量大,對各種材料的穿透力較強。超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性,為超聲波的應用提供了豐富的信息;(d)重復或復核檢測方便,重復性良好;(e)適應性強、檢測靈敏度高、對人體無害、設備輕巧、成本低廉,可及時得到探傷結果,適合在實驗室及野外等各種環(huán)境下工作,并能對正在運行的裝置和設備實行在線檢查;(f)由于超聲波的波長比較短,利用超聲波成像技術進行檢測的分辨率高,合理布置測線密度和反演網(wǎng)格單元就可以保證在測試區(qū)域內有足夠的分辨率。
2.4.2 聲發(fā)射檢測技術
大多數(shù)結構材料在受力后出現(xiàn)如塑性變形、裂紋開裂、裂紋開展等微結構損傷時,就以聲波的形式釋放能量。它的優(yōu)點是可以對處于荷載作用狀態(tài)下的橋梁結構的內部材料和結構變化進行穩(wěn)定的監(jiān)視,并給出早期報警。
主要優(yōu)點:(a)適用于實時動態(tài)監(jiān)控檢測,且只顯示和記錄擴展的缺陷,與缺陷尺寸無關;(b)對擴展的缺陷具有很高的靈敏度,其靈敏度大大高于其他方法;(c)具有整體性特點。在檢驗大型的和較長物體的焊縫時,這種優(yōu)越性更明顯;(d)能進行不同工藝過程和材料性能及狀態(tài)變化過程的檢測;(e)AET技術受材料的性能和組織的影響要小些,例如材料的不均勻性對射線照相和超聲波檢測影響較大,而對AET技術則無關緊要,因此AET技術的使用范圍較寬;(f)使用AET技術比較簡單,現(xiàn)場聲發(fā)射檢測監(jiān)控與試驗同步進行,不會因使用了聲發(fā)射檢測技術而延長試驗工期,檢測費用也較低,特別是大型構件的整體檢測,其檢測費用遠遠低于射線或超聲檢測費用,而且可以整體、實時地檢測和結果評定。
缺點:AET需要在特定荷載條件下進行,AET目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活度和強度,不能給出聲發(fā)射源缺陷的性質和大小,對超聲發(fā)射源,需要使用其他常規(guī)無損檢測方法進行局部復檢,以綜合判定其有沒有危險,是否允許存在。
2.4.3 沖擊—回聲檢測技術
沖擊—回聲檢測技術是基于使用彈性沖擊產(chǎn)生的瞬時應力波,在預留孔位置的混凝土表面利用一個短時的機械沖擊產(chǎn)生低頻的應力波,應力波傳播到結構內部,被缺陷表面或構件底面反射回來。因此,應力波在構件表面、內部缺陷表面或構件表面底部邊界之間來回反射產(chǎn)生瞬態(tài)共振,其共振頻率能在振幅譜中辨別出,用于確定內部缺陷的深度和構件的厚度。
優(yōu)點:沖擊回波方法不僅可以測量物體的厚度,也可以確定物體內部缺陷的位置及其延伸。該方法成功用于質量控制,辨認一個建筑物中的可疑點并對其定量。例如檢測橋梁表層的分層,定位裂紋或氣孔,或檢查灌注漿管道中氣孔,并對其進行日常評估。
缺點:雖然沖擊回波法檢測過程簡單,但要成功解釋測試結果需要對復雜聲學知識有所了解,從而限制了該方法的廣泛應用,特別是自動化檢測設備的發(fā)展。
2.5 光探測技術
2.5.1 紅外熱像儀檢測技術
“紅外熱像儀檢測”是:利用紅外攝像機來生成一幅橋面溫度圖像,這種溫度圖像揭示了在陽光照射下混凝土裂層之上的橋面溫度“熱點”。這種溫度較高的“熱點”是由,薄的充滿空氣的裂層,就像絕熱體一樣,使得其上的混凝土的溫度上升的更快些,而形成的。紅外線檢測技術是依據(jù)物體的紅外輻射、表面溫度、材料特性三者間的內在關系,借助紅外熱像儀把來自目標的紅外輻射轉變?yōu)榭梢姷臒釄D像,通過熱圖像特征分析,直觀地了解物體的表面溫度分布,進而達到推斷混凝土的內部結構和表面狀態(tài)的目的。
優(yōu)點:紅外熱像儀檢測技術可以非接觸的測量,具有快速,高穩(wěn)定性,設備輕便,后處理靈活,熱成像圖可以很好的反映溫度的信息。缺點:影響物體溫度的變量是相當多的,尤其天氣的變化是一個很重要的原因,相關的改善措施還在摸索階段。
2.5.2 光纖傳感器檢測技術
光纖傳感技術是利用光纖對某些特定的物理量敏感的特性,將外界物理量轉換成可以直接測量的光信號的技術。從20世紀70年代中期至今,光纖傳感技術經(jīng)過30多年的飛速發(fā)展已經(jīng)有了很大的進步,已成功研制了百余種光纖傳感器,它已涉及到國防軍事、航天航空、工礦企業(yè)等各種領域。優(yōu)點:由于光纖傳感器是以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體,利用光纖傳輸信號,所以在橋梁局部損傷檢測中,光纖傳感器具有許多獨特的優(yōu)點:抗電磁干擾;具有極高的靈敏度和分辨率;便于成網(wǎng),有利于與現(xiàn)有光通信技術組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡;成本低;光纖是由石英玻璃制成的,是一種介質、絕緣體,且耐高壓、耐腐蝕,能在易燃易爆的環(huán)境下可靠運行;光纖為無源器件,對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖體積小,重量輕,可做成任意形狀的傳感器陣列;光纖傳感器可重復使用,并且長期應用時可以進行自基準等。
缺點:因其價格昂貴,針對我國的國情該項技術在我國的橋梁檢測中還難以推廣。
3 結束語
隨著交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展和保障公路橋梁安全運營的實際需求，橋梁養(yǎng)護已經(jīng)成為交通部門的重點工作，特別是橋梁的檢測技術要求新工藝、新設備、新技術的不斷出現(xiàn)。科技的發(fā)展，科研工作的深入，以及廣大科研、設計等人員的共同努力，研究橋梁檢測與安全性評估方法，建立健康有效的橋梁檢測與預警系統(tǒng)，探索橋梁維護加固補強的施工工藝與技術，這些重要的課題必將得到長足的促進，成為我國科技發(fā)展的前沿。
