公路橋梁無損檢測技術及應用

景運峰

0 引言

近年來，隨著我國現代化建設事業的快速發展，橋梁使用年限的增長，以及交通荷載的增加，橋梁出現病害和損傷的數量越來越多。對舊橋梁結構進行維修和改造之前，必須完成對橋梁結構狀況進行監測、檢測與評價。

傳統的外觀肉眼檢測不能提供可靠的損傷證據，傳統的鉆孔檢測對橋梁結構有一定的損害且檢測精度受鉆孔位置的制約，難以準確全面反映橋梁的整體健康狀況。因此，橋梁的無損檢測技術(NDT)有較大的發展空間，包括超聲檢測、紅外檢測、聲發射、自然電位檢測、沖擊回波檢測、X射線檢測、光干涉、脈沖雷達、振動試驗分析等。

在公路橋梁結構中應用NDT，可以提高新建結構質量的安全性;可以提供結構損傷的標志，例如，污染程度，鋼筋混凝土橋梁的氯侵蝕程度;可以記錄支座處的聲發射，反映了裂紋或過大的摩擦力或從墊層支座正在擴展的裂紋。無損檢測的這些結果可以作為結構評估的輔助。

在一些情況下，與侵入檢測相比，無損測試更快捷，縮短了測試期間的交通管制時間，從而降低了成本。雷達可以快速掃描潛在的結構空洞，雷達在NDT中的使用證明了NDT的速度和便捷性。聲傳播的使用進一步說明了調查的有效性。聲傳播可以用于檢測長護欄的潛在腐蝕。隨后可對疑似區進行更細致的檢測，例如使用鉆孔、直接量測和超聲技術來確定未腐蝕厚度。NDT間接測量了外形特征，測試結果依賴于信號在結構內非連續區的反射時間。該信號的速度依賴于結構材料的性質，該性質不一定明確。因此，需要專業知識和經驗來解釋收集的數據，并判斷在物理特征或材料性質方面的意義。

通常情況下，進行無損測試時，將無損測試設備置于結構附近，正對結構或固定結構表面。無損測試最大的優點在于對結構不會造成損傷，從而避免了對可能已有損傷的結構的削弱。NDT技術并沒有確定性的答案，還應該參考其他信息來評估結構的整體情況。

通常，為了校正NDT的結果，有必要對結構物進行選擇性損傷檢測。本文主要介紹了幾種在橋梁檢測中典型NDT測試方法，以推廣NDT在橋梁結構檢測中的應用。

1 回聲波檢測法

回聲波法檢測原理是:通過在結構上作用一個短的持續作用，產生應力(聲)波，通過結構，并由缺陷和外表面反射。假如聲阻力不同，這些低頻率應力波以不同速度傳播。采用傳感器記錄表面移置，表面移置是由反射波到達沖擊表面引起的。將振幅和頻率保存于后處理中。空洞檢測的準確性可以用可檢測到的最小側向空洞尺寸來表示。根據沖擊器直徑的變化，出入頻率有所不同，即沖擊器直徑越小，沖擊器的頻率越高，分辨率越高，但是穿透深度越小。

回聲波具有顯著的優點。因為沒有放射性或X射線的危險，該方法的使用安全能夠得到保證。該方法能夠檢測到在金屬和塑料管道中空洞的出現、空洞的深度、與加強區的距離及單元的厚度。回聲波法檢測法風險低，僅需要一面的檢測通路，能檢測金屬和塑料管道中的空洞。然而，該方法僅能檢測到大尺寸的空洞。

回聲波可檢測到空洞的最小尺寸往往大于很多管道中空洞的直徑，并且大于對鋼筋耐久性有重要影響的空洞尺寸。在關鍵截面區，很多管道都不能從下端背面進行檢測。如果僅限制到從一面觀察，這進一步減小了潛在的缺陷范圍。不能檢測到水充滿于空洞的情況。除了初始空洞表面信息以外，不能提供其他結構信息，如果假定從底部表面和水平表面測量，可能導致管道尺寸減小。該方法并不像沖擊雷達一樣速度很快，并且需要管道尺寸等信息來幫助解釋說明。布置擁擠的管道和加固區都可能給檢測增加困難。

2 探地雷達(GPR)檢測法

GPR是一種電磁回聲方法。采用一個傳感器(發射器或者接收器)，該傳感器以某一指定速度穿過結構表面。聲波較短的持續脈沖能量得以傳播，同時接收器接收從材料表面和結構特征處探測到的反射信號。這些信號帶有不同的介電常數，例如被埋藏的金屬物體或者空洞。收集到的數據是一個有效的連續截面。信號的振幅，階段和連續性受到材料類型這一因素的影響，信號的連續性受到構件形狀的影響。無線脈沖傳播時間受到層厚度或者埋藏特征的影響。GPR是一種低風險的檢測方法，主要應用是在使用其他可選方法前，定位管道和加固區。

GPR檢測法產生高頻電磁沖擊脈，通過天線在結構內傳播。這些電磁波有一部分在界面改變處反射和折射，因為在界面改變處介電常數有所改變，并且由一個接收器記錄下來。如果接收天線是常用的單聲道操作(反射模式)，發射天線可以和接收天線布置于同一外殼。集合系統往往在表面掃描而過，來確定反射信號的雷達追蹤。各種典型的天線頻率在100mHz～1 500mHz之間，用于調查不同結構形式和材料狀況。

GPR檢測法能夠有效繪制空洞或剝離程度，速度快，覆蓋范圍廣。因為沒有放射性X射線的危害，GPR檢測方法的使用安全可以得到保證，尤其適用于檢測很多通道條件苛刻的結構，或者適用于不能有損傷的內部結構。GPR檢測法能很好的確定金屬管道的位置，并且很可能成為后張混凝土橋梁結構應用的主要方法。在完全灌漿的塑料管道中，該方法能夠定位金屬管道，加固區和鋼筋。

GPR檢測法的適用范圍如下:

1)用于低分辨率下的深度探測;

2)在淺穿透下用高分辨率;

3)用于檢測“隱藏”特征，例如，拱肩墻。

GPR檢測法的應用在一些條件下受到了限制。GPR檢測法不能夠穿過金屬檢測空洞，結果對空洞的深度很敏感，對突出的小尺寸不是很敏感。此外，GPR檢測法在潮濕環境中不能工作，不能用于低于0℃以下，在深度淺處需用高分辨率。

對于其他NDT技術方法而言，例如回聲檢測法和超聲波傳輸法，設備的選擇、數據的解釋、準確定位管道和加固都是重要的工作內容。所以，在決定使用這些方法之前，應該在現場處理GPR數據，作為參考。對于和金屬管道中空洞交叉的鉆孔，GPR也有意義，并且可以減少無效鉆孔，也可以減少鋼筋的損傷。

3 射線探傷法

射線探傷法將底片置于混凝土構件后，通過對敏感底片發射X射線或伽瑪射線，從而生成含空洞的圖片。射線探傷法可以確定空洞程度和斷裂鋼筋的位置。適用于橋梁交通開放的情況，并可以從圖書館在線快速獲取圖像。理想條件下，圖片準確無異議。這種方法所需的操作人員數量較少。但射線探傷法需要很多強有力的探射源穿透厚截面，或者獲得實時圖像，從而增加了成本，使結構健康和安全預防措施更加嚴格。采用射線探傷法可以獲得清楚的圖片，但如果截面厚，或與管道或鋼筋交錯布置時，就不宜用圖片說明。放射源放射出的伽瑪射線最大能夠穿透150mm的銥，400mm的鈷，并且必須能機械化的放置于帶有護套的盒子中。X射線源的穿透能力達1 500mm，并且能夠自動關閉，這是該方法的一個顯著安全優勢。當通道便捷，并且安全情況理想時，射線探傷法能提供便于解釋說明的圖片。證明了這種方法是一個適用性很強的NDT技術。

4 工程應用

以后張混凝土梁為研究對象，用回聲波法進行無損檢測。在后張法中，鋼筋的作用是承受荷載。混凝土干了之后，將鋼筋植入事先埋入的管道內，然后進行張拉，固定于構件的兩端。之后在高壓下將水泥灌漿注入管道，在鋼筋和混凝土之間形成粘合劑，并填充所有空洞。灌漿中留下的任何孔洞都可能導致鋼筋的腐蝕和結構的最終倒塌。這個案例的目的在于，進行實驗室試驗，分析沖擊作用下反射信號，探測后張混凝土梁中的孔洞。

為了模擬不同的檢測過程，建造了若干已知缺損的試驗性測試橫梁。橫梁為具有現實代表性的后張橋橫梁。通過比較分辨率，選擇合適的球軸承，以及所需波長(高分辨率=短波長=較小球軸承)和穿透深度(較強穿透性=長波長=較大球軸承)。橫梁上所用的較合適的球軸承是直徑為10mm的球軸承。

試驗過程中，通過一個傳感器計算混凝土的速度，記錄通過固體混凝土區域的頻率，由此測量速度。在實地探測時，測試的是橫梁的側面而非頂部，因為實地探測時很難接近頂部。測試發現，被測的所有橫梁上的后部墻的頻率(fT)與同批混凝土所鑄造的橫梁的頻率相同。

由試驗得出中空管道的頻率響應。試驗結果表明，初始峰值(fT)已經從4.9(普通混凝土)開始變動，在更高頻率處會產生一個峰值，這典型代表了中空管道。中空管道和灌漿管道之間的差別很容易辨別。純凈輸入信號和有效反應信號的成功利用率是變化的，這取決于操作員。無效波形很容易從較好的重復性波形中區分出來。接著測試另一種橫梁，它一半灌滿灌漿，另一半是空的(通常，管道上部的一半是空的)。探測橫梁的總長度，以確定這種方法是否能鑒別部分灌注的管道的位置。這些測試的結果表明，即使管道是用塑料制成的，也能辨別出完全充注管道和完全中空管道的差別。

5 結語

橋梁檢測是一個多學科交叉的系統工作，需要各個環節協調配合才能達到一個有效的效果，本文主要介紹了幾種無損檢測技術的概念、原理和特點，并通過實例進行無損檢測的應用說明，為工程人員提供橋梁無損檢測技術信息參考。

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