公路橋梁內(nèi)外缺陷與幾何力學(xué)特性檢測研究

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230051）

0.引言

截止至2018年年底，我國已完成公路橋梁建設(shè)84.17萬座，并以每年3.5%的速度持續(xù)增加。然而，隨橋梁服役年限的不斷增加，以及材料老化、自然環(huán)境、施工問題、超負荷工作等因素，導(dǎo)致多種公路橋梁出現(xiàn)程度不同的損害，對其運行安全和穩(wěn)定造成嚴(yán)重負面影響。近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)由施工期逐漸向穩(wěn)定期轉(zhuǎn)化，橋梁檢測技術(shù)進展幅度較大，但無損檢測技術(shù)尚未成熟，加之結(jié)構(gòu)力學(xué)性能檢測技術(shù)難度極高。因此，為使檢測結(jié)果切實助力于橋梁修復(fù)，公路橋梁檢測技術(shù)仍有待提高。

1.公路橋梁內(nèi)外缺陷檢測

1.1 公混橋梁外觀缺陷檢測

由于橋梁本身的載荷作用、現(xiàn)實施工誤差導(dǎo)致的施工缺陷以及建筑材料特性、外部環(huán)境因素等影響，現(xiàn)役混凝土橋梁普遍存在蜂窩、開裂、水蝕、麻面、保護層不同程度脫落等問題。尤其橋梁結(jié)構(gòu)裂縫，成為混凝土橋梁最為常見的病害。國家《橋梁綜合性能評價指標(biāo)》以及國際建筑領(lǐng)域關(guān)于公路橋梁的性能評價體系，對公路混凝土橋梁服役時期不同部分的裂縫峰值寬度均有明確限制，其分布特征和具體寬度對評價公路橋梁整體結(jié)構(gòu)可靠性、安全性起到?jīng)Q定性作用。由此可見，裂縫始終是公混橋梁外觀檢測的關(guān)鍵內(nèi)容。

在常規(guī)的檢測方法中，普遍是利用專用前測設(shè)備、檢測支架等輔助工具，與小型裂縫測量器、數(shù)碼相機、鋼尺等形成配合，通過靠近結(jié)構(gòu)表層，進行人工觀察測量、記錄裂痕具體分布情況和特點。上述方法實際操作需要投入大量人、物成本，檢測時間周期較長、勞動強度高、產(chǎn)生資金成本高昂，大規(guī)模的測量記錄需要通過人工進行整理和統(tǒng)籌。因此，此檢測方法是制約橋梁外觀缺陷檢測向先進、扎實方向發(fā)展的重要因素。

在人類生產(chǎn)力不斷提高的背景下，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對橋梁外觀缺陷無損檢測技術(shù)開發(fā)做出大量研究。美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）教授澳瑪?shù)韧ㄟ^無人機負載熱成像系統(tǒng)，對現(xiàn)役美國部分現(xiàn)役混凝土橋梁進行檢測。研究結(jié)果顯示，具有高分辨率的熱成像系統(tǒng)，能夠方便、準(zhǔn)確、快速的發(fā)現(xiàn)橋面板異常情況。

1.2 公路鋼橋外觀缺陷檢測

鋼橋工程項目施工采用大量的金屬建材，導(dǎo)致其外觀缺陷普遍表現(xiàn)在橋體結(jié)構(gòu)腐蝕、部件的焊接疲勞性開裂、連接結(jié)構(gòu)疲勞性失效等。腐蝕與連接失效等問題危害性明顯，在常規(guī)檢測中比較容易記錄。但是，橋體開裂與部件焊接縫分離等問題具有較高的隱蔽性，常規(guī)檢測技術(shù)時常難以發(fā)掘，對鋼橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運營帶來大量安全隱患。尤其是正交鋼橋面板在國際公路橋梁領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致世界范圍內(nèi)疲勞開裂性案例屢禁不止，對橋梁結(jié)構(gòu)整體使用性能造、安全性能與服役質(zhì)量造成極大負面影響。

基于公路鋼制橋梁的特點、焊接缺陷、殘余應(yīng)力與施工誤差等因素，連接部分伴隨高強度應(yīng)力集中，進而逐漸形成疲勞預(yù)警區(qū)，最終造成疲勞性問題的發(fā)生。由此可見，為確保橋鋼制橋梁的安全穩(wěn)定，需在早期發(fā)現(xiàn)疲勞開裂問題，并及時采取合理應(yīng)對措施，遏制開裂現(xiàn)象的進一步惡化。在焊接檢測技術(shù)層面，現(xiàn)階段業(yè)內(nèi)主要方式包括超聲檢測、熱成像檢測和射線檢測等。其中，超聲檢測方式是目前最為常見的疲勞性問題檢測技術(shù)，其原理在于利用儀器向被檢測焊接發(fā)出超聲，通過反射效果獲得被檢對象內(nèi)在缺陷數(shù)據(jù)，并經(jīng)過計算機處理后形成彩色圖像。熱成像檢測是運用探測儀器測量被測對象自身與背景間的紅外線差距，得出差異性紅外圖像，反饋出相同目標(biāo)的表層溫度具體分布情況。利用熱成像檢測方法，可以實現(xiàn)目標(biāo)的遠距離測溫和成像，并加以后期處理分析。

近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開發(fā)出一種全新無損熱成像檢測方法，用于鋼制橋梁裂縫檢測。此技術(shù)運用裂縫的熱能隔斷效應(yīng)，使橋梁部件表面產(chǎn)生溫度間隔，實現(xiàn)無損裂縫檢測。同時，并利用此技術(shù)在公路橋梁實施現(xiàn)場實驗，驗證此技術(shù)的真實性、有效性。此外，巴特利等學(xué)者運用紅外線熱成像遙感技術(shù)，遠程測量鋼制橋梁疲勞性裂縫，以熱彈性應(yīng)力檢測為基礎(chǔ)，對橋梁性能完成量化評估。除此之外，利用X射線與γ射線的射線檢測技術(shù)，也是當(dāng)今較為流行的焊縫缺陷測量方式之一。其原理在于利用射線差異性性能，穿過金屬上下表層，進而使膠片出現(xiàn)感光效應(yīng)。在射線檢測方法對橋梁進行具體檢測的過程中，由于焊接縫缺陷不同程度的影響，射線穿透焊接縫抵達膠片的感光度存在差異，進而測量人員利用該原理，完成鋼結(jié)構(gòu)焊接縫隙缺陷的有效檢測。

綜上所述，超聲檢測、熱成像檢測和射線檢測均為鋼制橋梁焊接縫檢測的主要方式，并均記錄于國家相關(guān)文件中。然而，超聲法相對其他兩種檢測方式，在微型缺陷檢測、形狀檢測以及建筑材料內(nèi)部檢測方面，仍存在一定不足，其技術(shù)水平需要科研人員進一步提升。

1.3 公混橋梁內(nèi)部缺陷檢測

公混橋梁在混凝土建筑施工時期，由于存在混合物料的離析、漏震以及碎石架空問題，時常出現(xiàn)夾層、蜂窩、空洞等施工質(zhì)量問題，導(dǎo)致混合物料凝固后強度大幅下降。在預(yù)應(yīng)力公混橋梁方面，不僅物料澆筑質(zhì)量對鋼束安全性產(chǎn)生一定負面影響，而且壓漿密實度、預(yù)應(yīng)力道孔建造情況也可降低鋼束耐久性。因此，內(nèi)部缺陷作為導(dǎo)致公混橋梁質(zhì)量大幅下降的關(guān)鍵因素，是現(xiàn)階段混凝土橋梁檢測中極為重要的內(nèi)容，同時，當(dāng)今常見的無損方法包括超聲檢測、沖擊波檢測等。

1.3.1 超聲檢測方法

超聲檢測方法是混凝土橋梁常見的無損檢測技術(shù)之一，其作業(yè)原理在于利用儀器測量低頻率超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳導(dǎo)效率、主要頻率以及首波幅度等相關(guān)參數(shù)，進而對混凝土缺陷類型、位置和面積進行判斷。超聲波在與裂縫、蜂窩等病害遭遇時，多數(shù)脈沖波將在問題部位散射或反射，大幅降低換能設(shè)備接受的聲波能量，出現(xiàn)聲波主要頻率降低、生程增加等現(xiàn)象，進而致使波形產(chǎn)生異化。基于檢測對象與檢測內(nèi)容的差異性，超聲檢測技術(shù)大致分為對測、斜測和平方法。

1.3.2 沖擊回波檢測方法

沖擊回波檢測方法是通過接受瞬時沖擊彈性波信息，對信息進行波速分析、波形分析以及頻率分析等，判斷混凝土橋梁中的缺陷。沖擊回波檢測方法適用于公混橋梁部件內(nèi)部缺陷檢測、厚度缺陷檢測、波紋管壓漿密度檢測以及結(jié)合面的密度檢測等。沖擊回波檢測方法的檢測原理在于利用錘擊，使橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表層出現(xiàn)secondary wave和primary wave，并傳輸于混凝土主結(jié)構(gòu)內(nèi)不。secondary wave和primary wave受聲阻抗差影響或外部表層界限影響出現(xiàn)反射現(xiàn)象。在混凝土反射波回彈至其結(jié)構(gòu)表層時，接受傳感設(shè)備將對而這位移進行準(zhǔn)確測量。當(dāng)傳感設(shè)備與沖擊點較為靠近時，反射主要體現(xiàn)出primary wave反射波位移情況。由于primary wave在橋梁混凝土中發(fā)生多次反射現(xiàn)象，傳感設(shè)備可以檢測出一個系統(tǒng)性的低振動波譜，進而實現(xiàn)混凝土內(nèi)部缺陷的有效檢測。

1.3.3 聲波CT檢測方法

聲波CT檢測又稱計算機透析城鄉(xiāng)檢測，其原理在于利用聲波透過橋梁混凝土，在混凝土內(nèi)部蜂窩、密實度等的作用下，導(dǎo)致聲波出現(xiàn)能量衰變，根據(jù)能量衰變特點和投射波透過波(transmitted wave)走時，利用計算機技術(shù)重構(gòu)聲波穿越橋梁混凝土?xí)r的吸收系數(shù)和速度分布，完成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部成像。基于混凝土剪切、彈性模量、波速和密度等因素，當(dāng)混凝土出現(xiàn)內(nèi)部疏松或孔隙時，將造成聲波在穿越混凝土結(jié)構(gòu)時波速降低。由此可見，聲波傳導(dǎo)速度是判斷橋梁混凝土密實、強度指標(biāo)的有效方式。

1.4 橋梁鋼筋腐蝕問題檢測

橋梁鋼筋的腐蝕是導(dǎo)致混凝土穩(wěn)定性、耐久性、安全性等綜合性能降低的主要原因，由于混凝土開裂、氧離子腐蝕、氯離子腐蝕、碳化腐蝕等作用，造成混凝土內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，進而出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。銹蝕現(xiàn)象的發(fā)生，不但可以使鋼筋橫截面縮減，也可導(dǎo)致鋼筋體積出現(xiàn)一定程度的膨脹，使原本緊密相連的鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)丟失握裹力，進而使橋梁失去應(yīng)有承載能力。

橋梁鋼筋的檢測技術(shù)無損方法分為物理檢測法和電化學(xué)檢測法兩種。物理檢測方法是利用測量鋼筋腐蝕而引發(fā)的物理性能轉(zhuǎn)變，反饋出鋼筋銹蝕程度。其中，物理檢測方法包括射線法、電阻棒法、熱紅外法等。然而，上述方法多數(shù)處于試驗階段，缺乏實用性論證依據(jù)，并且其檢測內(nèi)容存在單一性。在電化學(xué)檢測方法方面，利用測量鋼筋腐蝕體系的電化學(xué)特性，進而實現(xiàn)鋼筋銹蝕程度的清晰掌握。電化學(xué)檢測方法包括交流阻抗法、電阻率法以及電位法等。現(xiàn)階段，電位法是電化學(xué)檢測技術(shù)中最為常見的，一種測量混凝土鋼筋腐蝕度的檢測技術(shù)無損方法。

2.公路橋梁幾何力學(xué)特性檢測

2.1 混凝土強度

橋梁混凝土強度結(jié)構(gòu)作為橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，對確保橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及橋梁安全性能均具有直接影響，同時還是評定橋梁建筑施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。橋梁混凝土檢測技術(shù)主要包含鉆孔取芯檢測、回彈檢測以及超聲與回彈結(jié)合檢測等。在上述檢測方法中，鉆孔取芯檢測為有損法，其它為無損法。

鉆孔取芯檢測技術(shù)是通過取芯設(shè)備對橋梁混凝土結(jié)構(gòu)展開的鉆取工作，得到圓柱形混凝土樣本，利用壓力機對其進行破壞性檢測，測量出當(dāng)前服役時間混凝土的強度的一種有損檢測方法。此方法具有操作便捷、信息直觀性高、結(jié)果精度高等優(yōu)勢，但其也存在成本過高、耗時較長的缺陷，是一種相對久遠的傳統(tǒng)檢測技術(shù)。回彈檢測技術(shù)誕生于上世紀(jì)四十年代末期，由瑞士學(xué)者施密特發(fā)明，至今已有六十多年的歷史。回彈檢測技術(shù)由于其操作簡單、方便、速度快、價格低廉等優(yōu)勢，廣受公路混凝土橋梁檢測領(lǐng)域好評，其工作原理在于使用重錘，通過彈擊桿彈擊混凝土表層，測量重錘彈射長度，使用回彈值推斷出混凝土強度的一種檢測方法，同時回彈檢測技術(shù)屬于一種混凝土表面硬度測量法。在具體測量階段，由于混凝土結(jié)構(gòu)表層硬度和骨料的型號、種類、配合比等影響，再加之回彈法檢測技術(shù)國家規(guī)范與地區(qū)實際測量存在一定差異，造成檢測精準(zhǔn)度不足。此外，回彈檢測技術(shù)對于混凝土檢測的匹配齡期為七天到一千天，對回彈檢測技術(shù)的測量范圍產(chǎn)生極大的限制作用。因此，在傳統(tǒng)公混橋梁檢測過程中，回彈檢測技術(shù)僅能作用于結(jié)構(gòu)強度分布檢測的途徑，其絕對強度檢測結(jié)果智能作為數(shù)據(jù)參考。

超聲和回彈相結(jié)合的綜合檢測方式，是利用非金屬超聲設(shè)備與回彈設(shè)備之間的配合工作，分別對混凝土回彈值和聲時值進行測量，繼而依據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)公式預(yù)算出被檢測區(qū)域混凝土強度。此方式由Romanian Academy of Architectural and Economic Sciences首次提出，并對相關(guān)技術(shù)進行規(guī)范，受全世界大量技術(shù)人員的重視。綜合檢測法以兩個具體參數(shù)映射出橋梁混凝土表層和內(nèi)部的性能，是對單一性超聲檢測法和回彈檢測法的功能性彌補，可以有效降低混凝土含水量和齡期的影響，具有測量精準(zhǔn)度較高、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)勢。并且，可以全方位、立體化反映出橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實質(zhì)量，大幅降低測試偏差，同時該技術(shù)對回彈檢測法水平要求較高。

2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由于施工中的誤差、預(yù)應(yīng)力缺失以及混凝土徐變等原因，公混橋梁混凝土應(yīng)力鋪設(shè)與理論數(shù)據(jù)具有差異。雖然現(xiàn)階段工程荷載實驗可以檢測出橋梁具體承載水平和基本使用狀態(tài)，然而加載實驗?zāi)芡ㄟ^應(yīng)力提升量推測活載效應(yīng)，對應(yīng)力總值難以進行準(zhǔn)確推測。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁永久荷載前提下的永存應(yīng)力檢測意義重大。

應(yīng)力釋放檢測技術(shù)是處理永久荷載前提下結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測的可行性方式之一，廣泛用于鋼制橋梁預(yù)應(yīng)力檢測，其基本原理在于利用機械切割，首先，對原始約束應(yīng)力測試部件實施切割，使應(yīng)力得到釋放。其次，對切割前和切割后的部件變化進行檢測，得出部件現(xiàn)實應(yīng)力情況。現(xiàn)階段，常見的應(yīng)力釋放檢測技術(shù)主要有截條檢測、切槽檢測以及鉆孔檢測等方式。通過對應(yīng)力釋放實驗的研究，結(jié)合截面應(yīng)力情況等得出基于應(yīng)力釋放的評估方法。試驗顯示，鉆孔取芯檢測技術(shù)內(nèi)外干擾因素較多，試驗效果較差。應(yīng)力釋放檢測技術(shù)受內(nèi)外干擾因素影響較低，實驗結(jié)果較為理想，利用測量機遇與釋放位置可以有效降低切割生熱問題對其造成的影響。

2.3 索力

現(xiàn)代化大跨度懸索橋、系桿拱橋吊桿等均采用柔性索力架構(gòu)，其索力值對橋梁內(nèi)力起到關(guān)鍵的控制性作用。鑒于此，利用合理、準(zhǔn)確、快速的無損檢測技術(shù)，對吊桿力和索力進行檢測，是保障橋梁施工質(zhì)量、安全性能等的必要方式。現(xiàn)階段盛行的主要索力測試包括以下兩種。

2.3.1 壓力表檢測方法

壓力表檢測技術(shù)是依據(jù)油壓千斤頂推算張力和液壓的一種手段，張力和液壓之間存在一定關(guān)系，利用油壓千斤頂指標(biāo)，可以精準(zhǔn)的反映出上述關(guān)系具體內(nèi)容，進而實現(xiàn)索力的推測。壓力表檢測技術(shù)具有簡單、直觀性高等優(yōu)勢，是控制橋梁索力的有效方法。然而，由于檢測設(shè)備體型笨重，導(dǎo)致壓力表測試技術(shù)又存在便捷度低、設(shè)備移動不便等缺點。由此可見，該檢測技術(shù)適用于服役期橋梁測試，但不適用于施工階段的索力測試。

2.3.2 壓力傳感檢測方法

為精確測量既定拉索拉力數(shù)值，應(yīng)在錨座和錨頭之間加裝測力設(shè)備，也就是常見的壓力傳感檢測方法。此技術(shù)需要在施工時期加裝壓力傳感設(shè)備，實現(xiàn)對橋梁索力實時監(jiān)控。壓力傳感檢測技術(shù)普遍利用振弦壓力傳感設(shè)備與專用讀數(shù)器的配合，達到索力實時監(jiān)控的目的。同時，該方法對精度要求較高，并且設(shè)備價格昂貴，因此，該方法普遍用于其他檢測方法的補充。

3.結(jié)語

綜上所述，橋梁檢測技術(shù)已成為融合多種學(xué)科理論的交叉式科研項目。橋梁內(nèi)外缺陷檢測技術(shù)是檢驗橋梁實際情況的關(guān)鍵內(nèi)容，利用熱成像的檢測方式優(yōu)勢明顯，為橋梁外觀檢測指明方向；超聲和回彈檢測技術(shù)將單一性超聲檢測與回彈檢測優(yōu)點結(jié)合，具有可準(zhǔn)確、快速的實現(xiàn)大型混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測的特點；壓力表檢測方法是橋梁索力檢測的重點，是檢測PC橋梁綜合性能的有效方式。