鋼構橋中無損檢測與加固技術的應用

文/陳禮鵬 廣西南寧市第二中學 廣西南寧 530000

1、引言

鋼構橋（steel bridge），全稱為鋼結構橋梁，該類橋梁的主要承重結構采用鋼材。最初的鋼構橋誕生于第二次世界大戰初期，由英國工程師唐納德·貝雷設計。近幾十年以來，鋼構橋在世界范圍內取得了迅猛的發展，較為廣泛地應用于工業領域。鋼構橋的快速發展和廣泛應用，客觀上增加了其發生質量事故和安全事故的可能性。因此，橋梁領域的專家、政府以及普通民眾，越來越注重鋼構橋的使用質量和安全運行。本文在總結鋼構橋的主要病害類型[1]的基礎上，針對性地在闡述鋼構橋中所應用的無損檢測技術[2][4],從而引出運用加固技術對鋼構橋進行加固的需要[3]，最終是為了達到保證鋼構橋穩定運行和延長鋼構橋壽命。

2、鋼構橋主要病害

2.1 組件變形

各種形式的鋼構橋所共有的重大潛在病害之一是組件變形。隨著時間演變，鋼構橋橫向剛度降低，同時在重載荷（如重型卡車等）的作用影響下，斜支撐構件等作用點為主梁(桁架)中心的組件，將逐漸發生翹曲或彎曲。車輛通過鋼構橋所形成的作用力，由于這垂直桿和桁架對角線等組件相對的剛度較低，而且直徑較小比較細長，一旦受到較大的外界作用力，就會形成組件結構的變形或裂縫、甚至導致斷裂。

2.2 裂紋裂縫

橋梁產生裂紋或裂縫最常見的情況主要是兩個：（1）焊口開裂。鋼構橋的主要作業任務之一是橋梁的焊接，幾乎遍布橋梁的各個連接位置，而焊接施工或焊接材料的缺陷有可能導致焊口的開裂，嚴重的焊口開裂除了會引發鋼構橋整體力學結構的連鎖反應，還會提供開口讓水分及酸性氣體會滲入，進一步引發鋼材的銹蝕；（2）應力集中開裂。腐蝕的部分，或高殘余應力，或應力集中，造成鋼構橋關鍵焊接位置的疲勞應力，進而引發開裂。世界范圍內大型所發生的鋼構橋主梁坍塌事故中，關鍵問題在于橋梁發生了剛性斷裂，追根溯源是由裂縫導致。

2.3 涂層腐蝕

在不透風、有積水的地方，鋼構橋的油漆涂層的完整程度（銹斑、起皮和剝落等），可以反應鋼構橋的涂層腐蝕情況。對于鋼材的剩余厚度的檢測，在具有嚴重銹蝕的區域尤為必要，因為斷面經腐蝕后的剩余尺寸對特定的鋼結構影響很大 [1]。鋼材的腐蝕是濕度和溫度的共同作用導致，對鋼板的除濕工作是確保橋梁鋼板不發生銹蝕的重要基礎，保持鋼板的表面干燥是防腐的要點。橋梁的承載能力會因此大大降低，主要是因為鋼材的剛度受腐蝕的嚴重影響。質量檢測時要全面檢測鋼構橋的腐蝕情況，因為其各個部位都有可能產生腐蝕。

3、鋼構橋無損檢測

無損檢測，是指在以不損壞目標對象為前提所進行的質量檢測[2]，實施手段主要為化學或者物理方法，通過借助科技設備和技術，測試和檢測目標的表面以及內部的物理狀態和幾何結構。本文著重介紹用于鋼構橋的射線檢測技術、渦流檢測技術、超聲波檢測技術和金屬磁記憶檢測技術[2][3]，除此之外，無損檢測技術還有磁粉檢測技術和滲透檢測技術等[2][3]。

3.1 射線檢測技術

射線機發出射線，由于鋼構橋部件中的不均勻厚度差，導致逐漸衰減和被吸收。根據鋼結構不同部位所吸收和反射的光子數量不同的原理，將不同的射線強度記錄在介質上，能夠據此定量分析鋼結構構件的缺陷及其程度[3]。包括鋼材在內的所有的材料都可使用射線檢測，根據底片形成圖像，實現精確定量記錄缺陷，且易于長期保存。無損性是其突出優點，有廣闊的應用范圍，可長期保存底片數據，直觀清晰地顯示結構圖像，以供支撐分析日后的潛在相關事故等。然而其弊端也較為明顯——（1）射線檢測發射的射線，對人體在內的生物體會造成一定程度的損傷，也會對環境造成一定程度的污染；（2）必須要采取適當的防護措施回收特殊液體（用于圖像顯示），否則將產生較大的環境污染。

3.2 渦流檢測技術

由于電磁感應效應，鋼構橋的金屬材料含有自由電子，會隨著交替變化的電磁場而產生在金屬材料中循環的電流，即渦流（傅科電流）。渦流檢測技術的實施過程，主要是根據渦流的分布以及大小，對比分析金屬材料（如鋼構橋的鋼板和鋼管）中的電流變化，靠近其鋼結構材料表面的缺陷就能夠被發現。

3.3 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術，是通過激勵探頭產生超聲波，在鋼構橋檢測過程中，該超聲波在其構件上傳播，一旦遇到異常介質（夾渣和氣孔等），部分超聲波會產生異常反射回波[2]。通過處理和放大這些異常反射的超聲波，能夠迅速定位出缺陷回波。超聲波檢測的基本流程為：首先，以特定的方式將超聲波傳入到鋼構橋的金屬組件內部，或者引導一定的超聲波產生于金屬組件自身；其次，金屬組件內部的超聲波在傳播時會發生變化，體現在傳播方向或速度等方面的變化；接著，檢測工具捕捉到超聲波并檢測到所發生的改變；最后，啟動檢測設備內的算法程序，對收集到的超聲波進行自動分析，提取鋼構橋金屬組件的結構缺陷特征。

3.4 金屬磁記憶檢測技術

鋼構橋中的金屬磁材料，會產生特定的磁場記憶效應，主要是由于荷載作用以及地磁場環境共同作用所形成的。金屬構件部位一旦產生缺陷，會形成一種十分特殊的退磁場，將重新具有特別的伸縮性質。通過地磁場和金屬材料內部作用產生的微觀缺陷特性變化，用來檢測和評估金屬磁構件的缺陷和壽命，作為無損檢測技術之一的金屬磁記憶檢測技術十分有效[2]。

4、鋼構橋加固技術分析

到目前為止，我國20世紀60-70年代所建造橋梁的累計使用時間，基本都達到甚至超過了其設計壽命，繼續使用所帶來的橋梁病害將越發嚴重，為了保障既有橋梁的安全使用和穩定運行，在使用無損檢測技術探測其鋼結構缺陷的基礎上，進行橋梁加固是很有必要的。鋼構橋的加固技術有很多，以下主要從加大截面加固法和粘貼加固法兩個方面進行分析，此外加固方法還有預應力加固技術等[5]。

4.1 截面加固法

截面加固方法，是在原來鋼構橋鋼結構的基礎上，在特定位置澆注一定厚度的鋼筋混凝土，以達到增加結構截面的目的，從而提高承載能力，是一種較為常用的鋼構橋加固技術。截面加固法的方式主要有：（1）橋面澆筑鋼筋混凝土進行加厚；（2）主梁梁肋澆筑鋼筋混凝土，增加寬度和高度。使用這種加固方法可以大幅度增加承載能力，顯著提高橋梁剛度，延長使用壽命 [5]。

4.2 粘貼加固法

粘貼加固方法，使用一種特殊的材料（樹脂、碳纖維增強塑料等）粘貼在混凝土結構上，新材料的表面與原來的結構貼合形成一個整體，粘貼材料分擔所承受的總體載荷，從而減少了作用在鋼結構上的應力，達到了加固的效果[5]。其主要優點是：保持鋼構橋的原有屬性的同時，增加了承載力，增強了耐久性和耐疲勞性，提高了耐蝕性。其不足之處在于，彈性模量和強度比較低；在高于60度的材料溫度下，用于粘貼加固的環氧樹脂等材料將出現軟化，針對此問題阻斷陽光直射鋼構橋是常見手段。

結論：

鋼構橋在全世界城市交通具有重要而廣泛的應用，起到了穩固連結道路跨越的重要作用。但是由于鋼構橋的材料的本身限制，也有一些不足需要克服，以期達到更長的實際使用壽命。本文首先對鋼構橋的三類主要病害進行了總結，接著著重分析了無損檢測技術在鋼構橋中病害檢測中的應用,最后進一步地探討了鋼構橋所用加固技術，希望達到保障鋼構橋穩定運行和延長鋼構橋壽命的重要目標。