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摘要：系統(tǒng)地闡述了橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合近年來(lái)的研究現(xiàn)狀及最新的研究動(dòng)向，較全面地論述了橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)涵。從橋梁結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理和橋梁檢測(cè)的況,展望了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在理論探索和工程應(yīng)用兩個(gè)方面的發(fā)展方向。...

橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)理論和工程應(yīng)用探索

郝忙利  李粉玲

(西安市市政建設(shè)集團(tuán)(有限)公司  710054  西安)

1.概述

    無(wú)損檢測(cè)(Nondestructive Evaluation，NDE)技術(shù)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下，通過(guò)測(cè)定某些適當(dāng)?shù)奈锢砹縼?lái)判斷結(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些性能的檢測(cè)方法。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是多學(xué)科緊密結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)物，現(xiàn)代材料學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展為元損檢測(cè)技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，而現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展又為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提供了現(xiàn)代化的測(cè)試工具。

    1.1技術(shù)內(nèi)涵

    隨著橋梁技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)既有結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)定，已越來(lái)越依賴于儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)為手段。作為一種檢測(cè)技術(shù)，元損檢測(cè)主要用于結(jié)構(gòu)安全直接有關(guān)的宏觀力學(xué)性能及宏觀缺陷的測(cè)試方面，在橋梁工程中的應(yīng)用，主要與下面幾個(gè)方面息息相關(guān)：

    (1)橋梁自身材料和結(jié)構(gòu)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(shù)關(guān)系；

    (3)檢測(cè)方法的改進(jìn)和檢測(cè)儀器的更新。元損檢測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用十分廣泛，總體上可以概括為基于整體的結(jié)構(gòu)狀況識(shí)別和基于局部的構(gòu)件損傷識(shí)別。橋梁是一個(gè)由多種材料，不同結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)成分的重要性、應(yīng)力狀態(tài)、易損性不一，剛度、動(dòng)力特性也相差甚遠(yuǎn)，所以造成橋梁檢測(cè)的范圍十分廣泛、復(fù)雜。

    識(shí)別橋梁的損傷，我們應(yīng)該關(guān)注的是對(duì)結(jié)構(gòu)功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的那些損傷，從這一意義出發(fā)，將橋梁的損傷歸結(jié)為材料損傷和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料，橋梁的工作性質(zhì)和受力狀況決定了橋梁的損傷形成和發(fā)展，反映到材料方面則主要表現(xiàn)為疲勞損傷和鋼筋銹蝕。混凝土是一種多相復(fù)合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。混凝土構(gòu)件在投入使用前，其內(nèi)部就已經(jīng)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(jié)和硬化過(guò)程中水泥的干縮而引起的。對(duì)鋼筋而言，使用前同樣存在缺陷，由于冶煉時(shí)雜質(zhì)的存在，不僅在微觀上破壞鋼材的連續(xù)性，而且在一定條件下會(huì)成為導(dǎo)致鋼材銹蝕的陽(yáng)極，是鋼材產(chǎn)生電化腐蝕的直接根源。另外，混凝土梁的主筋有時(shí)是由幾根鋼筋焊接而成，這也會(huì)制造出有利于損傷發(fā)生和發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，如焊縫中的微裂縫、焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力等。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，這些部位將導(dǎo)致應(yīng)力集中而首先出現(xiàn)破壞，是橋梁損傷產(chǎn)生的根源。

    從結(jié)構(gòu)受力的角度分析，橋梁投入使用后，要經(jīng)歷使用荷載、超常荷載、偶發(fā)荷載(如颶風(fēng)、地震等)的作用，特別是豎向荷載的重復(fù)作用，還會(huì)經(jīng)受各種環(huán)境因素，如日照、溫差、凍融循環(huán)、風(fēng)霜雨雪等，將會(huì)導(dǎo)致橋梁構(gòu)件的抗力退化，特別是疲勞退化和主筋腐蝕引起的強(qiáng)度退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力損傷，形成裂縫。此外，由于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降及構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失所引起的應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)環(huán)境中不確定性因素的影響等原因，使損傷機(jī)理的分析日益多元化、微元化。特別

是近年來(lái)，隨著人們對(duì)大型懸掛體系結(jié)構(gòu)中風(fēng)致振動(dòng)、溫度應(yīng)力等因素的日益關(guān)注，更是加劇了這一趨勢(shì)的發(fā)展。

2.橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與最新動(dòng)態(tài)

    2.1研究現(xiàn)狀

    傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，目前已有超聲檢測(cè)、紅外檢測(cè)、聲發(fā)射、自然電位檢測(cè)、沖擊回波檢測(cè)、磁試驗(yàn)、Y或X射線檢測(cè)、光干涉、脈沖雷達(dá)、振動(dòng)試驗(yàn)分析等數(shù)十種之多。除振動(dòng)試驗(yàn)分析法以外，多數(shù)元損檢測(cè)技術(shù)屬于局部檢測(cè)方法。

    2.2存在問(wèn)題

    某些元損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)上還存在著一些不利因素，如7或X射線檢測(cè)法只能檢測(cè)一定厚度范圍內(nèi)的混凝土，對(duì)檢測(cè)空間有一定要求，且有一定的放射性危險(xiǎn)；超聲檢測(cè)雖然對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)效果較好，但對(duì)混凝土類各向異性材料的檢測(cè)不夠準(zhǔn)確，檢測(cè)設(shè)備成本較高；紅外檢測(cè)法可遠(yuǎn)距、快速的進(jìn)行檢測(cè)診斷，但檢測(cè)成本較高且對(duì)交通流量有影H向。局部檢測(cè)方法需要人工作地毯式搜索，雖較費(fèi)時(shí)費(fèi)力且可靠性差，但對(duì)于量大面廣的中小橋梁來(lái)說(shuō)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上考慮，人工檢測(cè)仍然是一種重要的比較現(xiàn)實(shí)的技術(shù)管理手段。

    2.3最新發(fā)展

    近年來(lái)，致力于橋梁檢測(cè)，研究人員提出了許多成功的方法對(duì)橋梁進(jìn)行非破壞性評(píng)估。一些新的方法被廣泛應(yīng)用于橋梁檢測(cè)，如利用相干激光雷達(dá)測(cè)試橋梁下部結(jié)構(gòu)的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測(cè)量橋體表面的變形狀態(tài)，利用雙波長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外成像檢測(cè)橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動(dòng)檢測(cè)鋼索、鋼梁和混凝土內(nèi)部的鋼筋等等。隨著振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型修正理論得到了充分的發(fā)展，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)開辟了新的途徑。基于振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)，人們研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)是整體狀態(tài)的一種度量，當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性發(fā)生變化時(shí)，選用結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)作為權(quán)數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)變化量進(jìn)行加權(quán)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單元損傷的識(shí)別和有效定位。

3.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的展望

    3.1理論研究探索

    無(wú)損檢測(cè)方法必須建立在被檢測(cè)的某些性能與適當(dāng)?shù)奈锢砹恐�間相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上。一般采用兩種方法，一是建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)之上的歸納法，即是用回歸分析方法確定檢測(cè)性能與要評(píng)價(jià)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(cè)技術(shù)的初期的理論研究。另一種是以基礎(chǔ)科學(xué)的基本原理為依據(jù)的演繹法，以要評(píng)價(jià)量與物理量之間的理論聯(lián)系為基礎(chǔ)進(jìn)行邏輯推理，從理論上確定其間的相互關(guān)系，然后再作適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)驗(yàn)證。另外，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科交叉的現(xiàn)象日益普遍，特別是將一些高新技術(shù)的最新研究成果應(yīng)用于元損檢測(cè)技術(shù)的研究，必將推動(dòng)該技術(shù)的飛速發(fā)展。

    總之，元損檢測(cè)技術(shù)是多學(xué)科綜合的一門應(yīng)用技術(shù)，是建立在基礎(chǔ)學(xué)科的基礎(chǔ)之上的，只有從基礎(chǔ)理論中不斷吸收養(yǎng)分，才能不斷完善和發(fā)展。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究，應(yīng)善于把基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，建立起理論研究與工程應(yīng)用聯(lián)系的橋梁，完善現(xiàn)有的方法和開辟新的途徑。

    3.2工程應(yīng)用探索

    無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的工程應(yīng)用取決于現(xiàn)有檢測(cè)手段和檢測(cè)儀器的更新。近年來(lái)，在對(duì)原有檢測(cè)方法進(jìn)一步完善的同時(shí)，又出現(xiàn)了綜合法，許多學(xué)者認(rèn)為，綜合法可以從不同的檢測(cè)參數(shù)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(cè)強(qiáng)度方法的主要研究方向。

    對(duì)于缺陷檢測(cè)技術(shù)，大多是以波動(dòng)傳播為基礎(chǔ)。波形接收信號(hào)分析技術(shù)和脈沖回波技術(shù)的發(fā)展是元損檢測(cè)技術(shù)值得注意的方向，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的方法，如雷達(dá)波、紅外熱譜、激光、超聲波等方式。一般認(rèn)為，這類依靠遠(yuǎn)程(非接觸)輻射傳遞信息的高速檢測(cè)技術(shù)，在工程應(yīng)用中是一個(gè)極具前途的研究方向。隨著測(cè)試方法和電子技術(shù)的發(fā)展，元損檢測(cè)儀器也發(fā)展到一個(gè)新的水平。近年來(lái)，高靈敏傳感系統(tǒng)(如紅外、微波、射線等系統(tǒng))的不斷出現(xiàn)，使無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的傳感系統(tǒng)向多元化、智能化的方向發(fā)展，使檢測(cè)儀器向?qū)Ｓ没�、小型化、一體化、集約化的方向發(fā)展。檢測(cè)儀器的研究是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，如何將電子技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，也是值得我們關(guān)注的問(wèn)題。

4.結(jié)語(yǔ)

    大型橋梁結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題的日益突出，為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)著眼于未來(lái)，作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)規(guī)劃。今后的方向是擴(kuò)大先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍，并積極研究、應(yīng)用小型的自動(dòng)化程度較高的檢測(cè)儀器。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法一般可以對(duì)橋梁的外觀及部分結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)橋梁局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)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(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全程度、剩余壽命難以作出系統(tǒng)的評(píng)估。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)同并致力于研究的元損檢測(cè)方法是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)采集等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)�態(tài)分析法。目前，該整體檢測(cè)技術(shù)在一些局部范圍內(nèi)取得了積極的效果。一種比較現(xiàn)實(shí)的損傷檢測(cè)方法可能是綜合整體損傷定位與局部細(xì)化檢測(cè)兩種手段的技術(shù)。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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