檢測：借君慧眼，看個真切

文 張宇峰 楊揚

為促進公路橋梁檢測向更加智能、高效、精確的方向發展，近年來，我國橋梁科研單位自主研發了一系列橋梁智能檢測技術和裝備。本文將重點介紹近年來遠距離視覺觀測、無人機檢測、磁致伸縮導波纜索斷絲檢測、快速荷載試驗等新型檢測技術的研究與應用情況。

橋梁檢測是指通過專業技術人員利用特定的儀器、設備或人體感官，對橋梁結構的特性或性能進行檢驗測試的一種行為。從分類來看，其主要包含了目視檢查（針對表觀損傷）、無損檢測（針對內部損傷，部分情況下也可能采用微損或破損檢測技術）以及試驗技術（對橋梁材料以及局部或整體技術狀況進行評測）。

目視檢查：表觀損傷，一目了然

目視檢查是橋梁檢測最傳統的方法，我國橋梁養護規范中，對橋梁進行技術狀況等級評定所依據的主要參數大多來自于目視檢查。但為了實現對橋梁梁體底面、側面、橋墩、橋塔外表面等難以到達部位的觀測，常需要借助橋梁檢測車、登高車或者搭設支架，將檢測人員送到被觀測對象附近，進行抵近檢查和測量，不但費事、費力、對正常交通干擾大，而且安全隱患高。

近年來，隨著計算機視覺技術的快速發展，橋梁非接觸式表觀損傷(缺陷、變形)檢測技術，如無人機、附著式攀爬機器人、無人橋檢車橋梁外觀檢測，遠距離視覺觀測，近景變形測量，基于微波雷達的橋梁變形檢測技術等得到了快速發展。

無人機爬壁：減輕續航負擔，提升穩定性

以無人機橋梁檢測為例，為解決傳統無人機無法完成在垂直面上完全覆蓋拍攝的問題，研究人員開發了一類無人機爬壁機器人，使得無人機可以貼近橋底面拍攝。為解決這類機器人在執行檢測作業時由于不斷與橋梁結構表面發生碰撞與分離行為而大大增加續航負擔，適應性欠佳的問題，新一代爬壁式無人機已配置了旋轉關節爬壁裝置，可通過接觸面處的壓力計推算接觸摩擦力，進而調整推進器與檢測面間的角度，有效緩沖無人機爬壁裝置與結構面間的碰撞接觸，從而降低推進能耗，提升無人機爬壁的穩定性。

中國橋梁老齡化正加速到來，以人工檢查、經驗決策和糾正式養護為特點的傳統管養模式，將越來越難以滿足現代橋梁的管養需求。

同時，近年來隨著3D攝影技術的不斷成熟，有學者通過無人機掛載3D數碼關聯攝像機（DIC）對橋梁進行3D攝影，推演長周期橋梁伸縮縫位移的病害演化情況，實現了檢測盲區病害量化評估；也有國外學者以無人機為主力設備，輔助以橋梁監測系統、軌道檢測車、爬行機器人、蛇形機器人，爬壁機器人，構建了完整的橋梁檢測系統，利用各類設備之間的功能互補，實現了橋梁結構的半自動檢測。美國明尼蘇達州交通運輸廳也于2017年發布了無人機橋梁檢測技術規程。

病害自動識別：處理海量數據，準確率良好

值得一提的是，這些新的外觀檢測方法也帶來了新的問題，其產生的海量照片和影像數據如仍采用人工判讀，需要有一定經驗的專業人員耗費大量的時間處理，不但效率低，且人為因素干擾較大。

近年來，隨著計算機技術的高速發展，基于機器學習技術的圖片處理算法在橋梁損傷診斷領域得到了廣泛應用。Yusuke Fujita利用Hessian矩陣的線性濾波增強圖片對比度，提出了在混凝土表面圖像存在紋理、噪聲、污漬或亮度不均勻時，獲取裂縫區域位置的方法；韓國學者設計了一類形態學鏈接裂縫檢測算法，裂縫寬度識別精度達到0.1毫米；意大利科研團隊基于色差算法，對無人機等設備采集的橋梁影像資料進行分析，并開發出一套病害量化分析軟件系統DEEP，可實現對顏色較為敏感的病害指標（結構構件掉漆、風化、植被覆蓋情況等）的量化分析。

筆者所在團隊基于CAFE框架的深度學習算法，開發了一套橋梁病害圖像自動識別軟件，以實現對裂縫、銹蝕和缺損等病害的自適應分類，并可實現對病害尺寸的自動測量。圖1為病害自動標注和分類結果，其中，紅色為裂縫，綠色為腐蝕，藍色為破損。圖2為裂縫寬度識別與尺寸自動測量過程。通過該病害識別軟件對500張隨機照片進行病害分類的結果表明，該軟件識別準確率達91.2%，效果良好。

圖1 基于深度學習算法的橋梁結構病害標注和分類

圖2 裂縫寬度識別與尺寸自動測量

無損檢測：不傷筋骨，看得清楚

從無損檢測技術來看，早在20世紀30年代初，人們就已開始探索和研究無損檢測方法，并取得快速進展。20世紀80年代以來，隨著測試方法和電子技術的發展，無損檢測技術突破了原有的范疇，出現了許多新的測試方法，例如微波吸收、雷達掃描、紅外熱譜以及脈沖回波等，無損檢測儀器也發展到一個新的水平。

近年來，高靈敏傳感系統(如紅外、微波、射線等)的不斷出現，使無損檢測設備向集約化、小型化、數字化、智能化的方向發展，新技術、新應用不斷涌現，如紅外線成像技術在結構缺損探傷及滲漏檢測中的應用，三維超聲CT成像技術在混凝土缺損及澆筑質量檢測中的應用等。同時，集成了多種檢測手段、能實行快速大范圍檢測的集成化移動檢測裝置也被不斷開發，以用于提高結構檢測的效率，如集成了GPS（全球定位系統）、GPR（地質雷達）、激光掃描（避障）、電阻率測量（混凝土侵蝕）、USW/IE（超聲波表面波/沖擊回波）、高清相機、全景相機等多種無損檢評技術于一體的RABITTM橋面檢測機器人（如圖3所示）等。但是，由于橋梁結構復雜，環境多變，大量病害存在隱蔽性，其檢測與評價有一系列特殊要求，其中仍有較多關鍵核心問題尚待解決，如：纜索腐蝕斷絲檢測、鋼結構疲勞裂紋快速檢測、有效預應力值檢測、預應力孔道壓漿密實度、土中（水下）等關鍵部件、隱蔽部位無損檢測技術等。

圖3 美國橋梁長期性能研究計劃所開發的橋面檢測機器人

以橋梁拉索的腐蝕斷絲檢測為例，傳統開窗法檢測會對纜索護套造成損傷，因此，近年來業內廣泛開展了一系列無損檢測方法研究，主要包括：振動法、應變監測法、超聲波檢測法、聲學監測法、磁檢測法等。

振動法、應變法

振動法和應變法的本質都是測拉索索力變化，但對于化學腐蝕、應力腐蝕及腐蝕疲勞等引起的銹蝕、斷絲等病害的檢測，目前的試驗還局限于直徑很小的索，主要是因為如果索的直徑較大，很少的斷絲對拉索應力的影響較小，且考慮到實際橋梁中拉索應力影響因素較多，很難區分到底是什么原因引起了拉索應力變化。

因此，在當前技術條件下，這兩種方法還無法在實際工程中實現對拉索銹蝕、斷絲等病害的發現。

超聲波檢測法

超聲波法檢測斷絲的基本原理是接收斷絲部位的反射波，由于在芯線中傳播的超聲波隨傳播距離的增加而衰減，因此用反射波檢測遠離超聲波入射端的斷絲部位是很困難的。同時，對腐蝕部位的反射特性實驗也證明，用反射法檢測芯線腐蝕也很困難。

聲學監測法

聲學監測法采用聲發射原理，可用來監測高拉力的鋼絲、鋼絲束和拉索的斷裂，并已有實際工程應用。但其傳感器必須在斷絲發生前便已安裝，因此成本高昂，且對于已發生斷絲的纜索系統的斷絲檢測無能為力。

磁檢測法

漏磁檢測方法基于纜索的磁特性開展檢測，但當拉索直徑較大，外部有保護層時，由于磁化效果不好，對芯部中心部位的損傷狀況往往難以檢測，且對靠近錨頭部位，由于鐵磁環境復雜，檢測效果通常也不太理想。

為此，筆者團隊提出了一種采用磁致伸縮導波檢測技術對橋梁拉（吊）索損傷進行初檢與定位，再結合漏磁檢測技術進行詳檢的綜合檢測方法，大幅提高了檢測效率，并開發了運用于橋梁纜索檢測的磁致伸縮導波檢測、漏磁檢測系統和分析軟件。試驗表明，該方法可實現單次檢測20米，精度可達1.6%截面損失率，并已在江陰長江公路大橋、潤揚長江公路大橋（如圖4所示）等多座大跨索承橋中得到了成功應用。

圖4 磁致伸縮導波檢測技術檢測潤揚長江公路大橋吊索

評測試驗：提高精度，降低成本

從橋梁現場試驗技術來看，橋梁荷載試驗技術目前已在世界各國得到了較為廣泛的應用。我國現行規范中，對橋梁承載能力的評定方法即是一種基于橋梁調查、結構檢算，必要時進行荷載試驗的評定方法。但在應用中也發現，由于外觀檢查和檢算法存在較大的主觀性，管理單位往往對其結果心存疑慮。且由于該方法置信度較低，因此為保證安全，由該方法得到的承載能力折減系數Z1通常遠小于按荷載試驗方法得到的Z2值，這就造成按外觀檢查和檢算法評定無法滿足承載能力的橋梁，一旦做荷載試驗，往往又評定為承載能力尚有較大富余。

近年來，隨著技術的進步，橋梁非接觸式表觀損傷(缺陷、變形)檢測技術得到了快速發展。

關鍵問題在于，荷載試驗雖然精度較高，但對正常交通的干擾很大，在已通車公路上組織開展往往存在較大困難。因此，業界迫切需要尋求一些評判精度介于檢算法和荷載試驗法之間的中間方法，其判別精度應高于外觀檢查和檢算法，而可低于常規荷載試驗法，但其代價，特別是對正常交通的影響則應遠小于荷載試驗法。

為達到上述目標，國內外研究者主要在以下三條技術路徑上開展了大量工作。

技術路徑一：以精代粗

通過引入更多指標參數，建立更精細、更合理的基于結構無損檢測參數的橋梁狀態評定體系，以提高檢算法的分析精度并降低其主觀性，如新版公路橋梁承載能力檢測評定規程中即已引入了大量基于無損檢測和現場調查的技術參數。

技術路徑二：以動代靜

傳統荷載試驗主要以靜載試驗為主，動載試驗的主要目的則以獲取橋梁結構的車輛沖擊系數及基本模態信息為目標，由于未能很好地建立模態信息與橋梁狀態的相互關聯，目前常用指標敏感度嚴重不足。因此，動載試驗中的模態試驗一直未能受到很好的重視。

近年來，大量學者嘗試在不中斷或少中斷交通條件下提升模態試驗的精度，并建立模態試驗與靜載試驗的相關關系，希望基于模態試驗實測數據，完成對結構仿真模型的高精度校準，然后在校準后的模型上實現虛擬荷載試驗。如:東南大學張建教授團隊開發了基于沖擊振動的橋梁快速測試一體化系統；筆者也與南京航空航天大學張令彌教授團隊合作開發了基于模態撓度法的橋梁狀態快速評估方法，并已在十余座橋梁中得到了應用。

技術路徑三：以輕代重

傳統荷載試驗代價高昂且對正常交通干擾巨大的主要原因在于，其按設計荷載進行車隊加載，加載車輛眾多，且為保證安全需分級加載，各工況中車輛位置又有很大不同，故車輛調度、停位耗時長，對交通干擾大。因此，如能實現以輕車代重車，以單車或雙車代替車隊進行加載，必將大大減少試驗費用和對交通的干擾。

為此，筆者團隊提出了一種利用車輛緩速通過橋梁，對實測得到的橋梁控制點位移影響線進行模型校準，再在仿真模型上完成虛擬荷載試驗的準靜態荷載試驗方法（技術路線如圖5所示）。目前，該方法已應用于數十座橋梁，相比于傳統荷載試驗，可將交通中斷時間從8小時以上縮短為半小時以內，試驗費用僅相當于傳統方法的1/3～1/2。

圖5 準靜態快速荷載試驗技術路線圖