追蹤鋼橋檢測新技術

文/圖

隨著鋼結構橋梁數量的增加，鋼橋檢測需求不斷擴大，本文針對鋼橋檢測技術及應用現狀進行了綜述。介紹了超聲相控陣（PAUT）、超聲衍射時差（TOFD）、紅外熱成像、圖像識別等新型檢測技術的原理與方法，對這些檢測技術在鋼橋焊縫、疲勞、涂裝、螺栓檢測領域的優缺點與適用性進行了重點論述。

綜合分析結果表明：以PAUT和TOFD為代表的檢測技術檢測速度快、準確性高，成為未來焊縫、疲勞裂紋檢測的發展方向；紅外熱成像、圖像識別技術具有遠距離、非接觸的優點，在疲勞裂紋、涂裝檢測中的應用越來越廣泛；聲彈性、壓電阻抗技術為螺栓緊固力檢測提供了有效檢測方法。

鋼結構橋梁具有自重輕、工廠化制造、裝配化施工、便于回收利用等優點，是我國橋梁工業化建造的發展趨勢。近年來，隨著鋼橋建設的快速發展，施工期質量檢驗與評定過程中的檢測需求不斷擴大。同時，早期建設的鋼結構橋梁運營年限增加，鋼橋損傷與病害問題開始出現，為延長鋼橋使用壽命，保障橋梁處于良好狀況，需加強鋼結構橋梁的檢測及病害辨識，掌握并準確評價橋梁服役狀況。

鋼橋檢測的主要內容包括焊縫、疲勞裂紋、涂裝、螺栓等，檢測方法采用人工目視檢測與無損檢測相結合的方式。近年來，鋼橋無損檢測技術快速發展，許多專家學者針對超聲相控陣、超聲衍射時差、紅外熱成像、圖像識別等新型無損檢測技術在鋼橋領域的應用進行了研究。本文總結了公路鋼橋檢測技術應用現狀，重點闡述了鋼橋焊縫、疲勞裂紋、涂裝、螺栓的常規檢測方法與新型無損檢測技術應用與發展，指出了公路鋼橋檢測技術的發展趨勢。

技術一 焊縫質量檢測技術

近年來，隨著正交異性鋼橋面板的廣泛應用，鋼橋的疲勞開裂問題不斷出現。現有研究結果表明：除了重車疲勞荷載之外，建設期焊接缺陷是鋼橋焊縫開裂的主要原因。因此，焊縫檢測是鋼橋建設期的質量檢驗重點。

現行《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）規定，根據焊縫部位不同分別采用超聲波、射線、磁粉進行無損檢測。其中，磁粉檢測適用于表面或近表面缺陷的檢測，無法檢測內部缺陷，通常用于質量等級較低的焊縫檢測。射線檢測直觀性、可靠性好，但是射線檢測成本高、速度慢，且對人體具有危害，并且受照射角度的限制，對于角焊縫檢測效果較差，因此射線檢測通常用于重要對接焊縫、十字接頭內部缺陷的檢測。超聲波檢測對裂紋、未熔合等危害較高的缺陷的檢測靈敏度高，因此超聲波檢測應用范圍最廣，但是超聲波檢測技術也存在一定的局限性，檢測結果不直觀，對角焊縫檢測難度較大。

超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣U肋角焊縫熔深檢測

超聲相控陣（PAUT）檢測技術

隨著技術的發展，以及多學科領域的融合，新型無損檢測技術不斷應用在橋梁領域，超聲相控陣檢測技術將多個壓電晶片集成在一個探頭中，各個晶片按一定的時間和規律激發，形成一個扇形的聲場覆蓋區域進行檢測，通過調整超聲入射角度，可以實現檢測區域內的掃查，超聲相控檢測范圍大、效率高。

超聲波無損探傷

角焊縫磁粉檢測

由于角焊縫坡度的存在，常規超聲波檢測技術檢測角焊縫內部缺陷過程中噪聲較多，分辨力較差。相關研究成果表明：頂板與U肋角焊縫熔深保證在75%以上對于提高該位置疲勞強度具有重要作用，目前鋼橋設計也通常給定了非熔透角焊縫熔深要求，但是常規超聲波檢測技術無法準確測量焊縫熔深。近年來，國內外學者對于超聲相控陣在角焊縫內部缺陷與熔深的無損檢測方面做了大量研究。上海市特種設備監督檢驗技術研究院左延田等對角焊縫裂紋類缺陷進行了超聲相控陣檢測試驗，結果表明超聲相控陣技術檢測結果直觀性好、檢出率更高。武船重型工程股份有限公司張華等將超聲相控陣應用在港珠澳大橋U肋角焊縫內部缺陷檢測，并且提出了缺陷判定方法，提高了檢測精度。哈爾濱工業大學周一亮分別采用普通超聲波與超聲相控陣對U肋角焊縫熔深進行了檢測，并與低倍宏觀測量值進行了比較。結果表明，超聲相控陣測量結果偏差在±0.066毫米之內，遠小于普通超聲檢測結果。江蘇交通控股有限公司姚蓓等采用超聲相控陣對蘇通大橋U肋角焊縫進行了試驗檢測，驗證超聲相控陣檢測技術對于焊縫熔深檢測具有良好的準確率與工作效率。

TOFD檢測原理

根部未焊透TOFD檢測圖像

超聲衍射時差（TOFD）檢測技術

超聲衍射時差法（TOFD）利用超聲波在待檢試件內部缺陷尖端的衍射現象來檢測缺陷。焊縫檢測過程中，發射探頭與接收探頭對稱布置在焊縫兩側，發射探頭發射超聲脈沖后，如果內部無缺陷，接收探頭將依次接收到上表面的直通信號和底面反射信號。如果內部有缺陷，接收探頭在直通信號與底面反射信號之間還將接收到缺陷上端與下端的衍射信號。因此，通過信號分析與處理，TOFD不僅可以定位缺陷的深度位置，同時可以計算缺陷的高度信息。

國內外專家對TOFD檢測技術進行了大量對比研究。安徽合肥通用機械研究院劉國棟等對比了TOFD和射線檢測技術在壓力容器對接焊縫檢測中的優缺點，論證了TOFD檢測技術在壁厚12毫米以上的鋼板對接焊縫檢測中具有一定優勢。中國水利水電第三工程局有限公司周林對比了TOFD和射線檢測技術的實橋檢測效果，26組檢測結果對比表明，TOFD檢測對于內部缺陷比射線檢測具有更高的檢出率。荷蘭克洛力有限公司Deleye X分別采用PAUT線形掃查、PAUT扇形掃查、TOFD三種檢測技術對17個含有8類人工缺陷的試件進行了檢測，試驗結果表明TOFD與超聲相控陣扇形掃查檢測精度很高，但是TOFD檢測技術對于表面和近表面缺陷存在檢測盲區。

TOFD現場檢測

綜上所述，超聲波、磁粉、射線是建設期鋼橋焊縫檢測的主要方法，PAUT與TOFD等無損檢測新技術在角焊縫內部缺陷及熔深檢測方面展現出了一定優勢，并納入《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）中的輔助檢測方法。由于鋼橋焊縫十字接頭要求100%的射線檢測，其他對接焊縫按比例抽查，導致鋼橋現場焊接檢測工作量和難度大。TOFD檢測技術對于焊縫內部缺陷檢測，可以作為射線檢測的替代方法，但是TOFD檢測技術對于表面和近表面缺陷分辨率較差，可以采用磁粉檢測作為輔助手段消除盲區，全面準確地反映焊縫質量。

技術二 疲勞裂紋檢測技術

由于鋼橋的結構特點，焊接殘余應力，結構本身存在的缺陷、施工質量問題，以及車輛疲勞荷載等因素，鋼橋構件容易在局部應力集中形成疲勞裂紋。運營期鋼橋常用的疲勞裂紋檢測手段有磁粉檢測、超聲波檢測等。

紅外熱成像U肋焊縫疲勞快速掃查

超聲相控陣（PAUT）檢測技術

正交異性鋼橋面板頂板與U肋疲勞裂紋形式一般有三種：從焊趾向頂板開裂、從焊根向焊縫開裂、從焊根向頂板開裂。其中前兩種裂紋形式可以采用磁粉或超聲進行檢測，但是第三種裂紋形式常規檢測技術難以檢出，TOFD檢測技術只能在去除橋面鋪裝層后在橋面頂板上進行測量。江蘇無錫鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會李衍針對頂板與U肋角焊縫內部焊根向頂板發展的裂紋，論證了超聲相控陣檢測技術的可檢性和定量能力，解決了該類裂紋目視無法檢測的問題。中交公路規劃設計院有限公司張鵬通過仿真軟件聲束模擬提出超聲相控陣檢測技術可以適用于U肋角焊縫所有可能出現疲勞裂紋的位置。

頂板與U肋疲勞裂紋形式

紅外熱成像技術

紅外熱成像檢測技術是通過測定目標區域與背景之間的溫度差，實現構件表面或近表面缺陷檢測的一種新型無損檢測技術。按照熱源激勵不同分為主動紅外熱成像與被動紅外熱成像。日本滋賀縣立大學Izumi Y提出采用被動紅外熱成像檢測正交異性鋼橋面板疲勞裂紋，鋼橋面板路面鋪裝被陽光加熱后，通過橋面板傳遞至U肋，當裂紋存在時，由于裂紋具有保溫作用，裂紋區域與背景產生溫度差，采用紅外熱像儀就可以實現正交異性鋼橋面板的裂紋檢測。主動紅外熱成像通過對構件表面施加熱源激勵，由于裂紋缺陷存在熱阻效應，通過紅外熱像儀對裂紋缺陷進行定性、定量表征。韓國科學技術院An Y K等人利用激光作為熱源對無涂層鋼板進行了紅外熱成像檢測，成功定量檢測了鋼板表面的疲勞裂紋。

根據開爾文方程，應力變化將引起固體中非常小的溫度變化，這種現象被稱為熱彈性效應，由于裂紋尖端存在應力集中現象，溫度變化值將高于其他區域。武漢科技大學汽車與交通工程學院嚴園等建立了鋼結構表面溫度變化與其應力之間的本構關系，通過測量畸變溫度，實現疲勞裂紋檢測。西南交通大學土木工程學院葉華文等利用熱彈性原理對受拉鋼板試件進行了檢測，試驗結果表明紅外熱成像檢測技術可以準確測定裂紋長度，得到精確的裂尖位置。

綜上所述，磁粉與超聲波檢測是運營期鋼橋疲勞裂紋常規檢測手段，TOFD與超聲相控陣可以應用于頂板與U肋角焊縫內部焊根向頂板發展的裂紋等常規技術難以檢測的部位，紅外熱成像技術具有遠距離非接觸的優點，在鋼橋疲勞裂紋的快速掃查中具有應用價值。

技術三 涂裝檢測技術

鋼橋長期暴露在大氣環境中，經受風吹、日曬、雨淋和濕熱的影響，容易引起腐蝕。涂裝不僅能夠使鋼橋具有抗腐蝕性，還能夠在一定程度上起到美化鋼橋的作用。然而，鋼橋涂裝由于施工質量問題，以及環境的侵蝕，會出現粉化、氣泡、裂縫、銹蝕、剝落等病害，這些都會導致鋼橋涂裝過早失效。

鋼橋涂裝檢測可以保障涂裝施工質量，為涂裝養護維修提供依據，降低涂裝的壽命周期費用。公路鋼橋涂裝檢測施工期主要包括粗糙度檢測、涂層厚度檢測和涂層附著力檢測，運營期主要包括涂裝病害檢測。

磁性測厚儀涂層厚度測試

粗糙度檢測

在進行鋼橋涂裝前，需要對鋼橋表面進行噴砂或者拋丸處理，以獲得足夠的表面粗糙度，保證涂層附著力。依據《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》（JT/T 722-2008），常規檢測方法主要有復制帶法和觸針法。

復制帶法是將復制帶貼在噴射清理后的鋼橋表面上，施加穩定的壓力，將鋼橋表面復制下來，然后使用測厚儀測出鋼橋表面的平均最大峰谷距離，測量方法簡單。

觸針法原理是，用觸針垂直接觸被測表面，并以恒定的速度沿被測表面移動，觸針由于受到被測表面輪廓的微觀不平度的影響，會在垂直于被測輪廓的方向產生上下位移，再通過位移傳感器將位移量轉換成電量，經信號放大并處理后，由指示器指示粗糙度參數值，該方法得到的檢測結果可靠，不需要額外的耗材，但是儀器不易操作且測量區域有限。

典型鋼橋涂裝病害

觸針法測量鋼橋表面粗糙度原理

涂層厚度檢測

在公路鋼橋涂裝體系中，涂層厚度是一項很重要的控制指標。涂層厚度過大會導致成本增加；過小則不能起到保護鋼橋表面的作用，導致鋼橋過早腐蝕。鋼橋涂層厚度的檢測方法主要有磁性法、超聲波法、紅外熱成像法等。

磁性法原理分為磁吸力測厚和磁感應測厚。磁吸力測厚是根據磁體從涂層移開所需要的力與涂層厚度的關系來得到涂層的厚度；而磁感應測厚是根據通過磁體探頭與鋼橋表面之間的磁通量大小與涂層厚度的關系來得到涂層厚度，涂層越厚，則磁阻越大，磁通量越小。

超聲波法原理是，聲速在涂層中是相同的，但是與底材中的聲速有顯著差異，根據這種特性，可建立聲音傳播時間與涂層厚度的關系模型，然后就可以通過測量超聲波脈沖從發射至接收的間隔時間來換算成涂層的厚度。該方法方便快捷、操作簡單、適用范圍廣。但是當涂層厚度太薄時，會發生波形混疊現象而無法準確區分出上下表面回波，使得該方法失去效果。為解決這個問題，北京理工大學林祺提出了一種基于Welch譜估計的涂層厚度超聲無損測量方法，并將該方法的測量結果與顯微測量法的結果進行對比，結果表明：該測量方法結果與顯微測量法結果的相對誤差小于6%。

聲波法測量涂層厚度

紅外熱成像法測量涂層厚度

涂層附著力檢測

隨著紅外技術的發展進步，紅外熱成像技術逐漸應用到涂層厚度檢測領域。南京諾威爾光電系統有限公司江海軍將鎖相熱波成像技術應用在涂層厚度測量，通過不同厚度涂層檢測結果表明：該技術可有效測量厚度20微米至150微米的涂層，且涂層厚度檢測結果重復性好，相對誤差低，其檢測原理是利用調制光源對涂層表面施加正弦波形的熱源，涂層與基底材料的不同使熱波在界面處傳播速度發生變化，導致涂層表面反射熱波波形發生變化。對入射波與反射波的相位結果進行分析，可以得到涂層厚度信息。電子科技大學何棱云等搭建了持續熱流激勵紅外無損檢測平臺，并設計了三種涂層厚度檢測方法，通過實驗分別從溫度信號中提取出與涂層厚度相關的特征信息，結果表明：三種基于紅外熱波的無損檢測方法都能夠有效地測量出涂層的厚度。

涂層附著力檢測

涂層附著力是指漆膜與鋼板表面之間的結合力，如果鋼板表面有污染或者水分，會導致涂層附著力的下降，降低涂裝的使用壽命。對于普通涂層附著力的檢測，當檢測的涂層厚度不大于250微米時，可以采用劃格法。劃格法是用劃格器將涂層切成許多小方格，貼上膠帶迅速拉開，使用放大鏡對照標準與說明附圖進行對比定級。當檢測的涂層厚度大于250微米時，附著力檢測按照拉開法進行。拉開法用膠黏劑將試柱直接黏結到涂層的表面，用拉力試驗機通過黏結的試柱將涂層拉開，測得的破壞涂層附著所需的拉力即為涂層附著力。JT/T 722-2008要求涂層附著力不小于3兆帕，用于鋼橋面的富鋅底漆涂層附著力不小于5兆帕。

涂層外觀檢測

運營期鋼橋涂裝外觀檢測常規做法是使用橋檢車作為作業平臺，人工觀測和記錄涂層的受損情況，但是該方法需要消耗大量人力，且容易受到人的主觀影響。近年來在公路鋼橋涂裝外觀檢測技術方面，基于圖像處理和人工智能的檢測方法得到了較快發展。ASTM和SSPC標準提供了一個無損的涂裝評估模型，該模型利用圖像處理和神經網絡作為分析、識別和分類的工具，可以識別和測量橋梁在保修期內可能出現的涂層缺陷，包括生銹、起泡、開裂等。哈爾濱工業大學徐陽基于機器視覺提出了一種在役拉索高強鋼絲腐蝕狀態的識別方法，能有效地提高對拉索涂裝損傷區域的識別準確率。長安大學安朗等在鋼橋涂裝檢測過程中引入多分辨率圖像分類技術，為銹蝕識別和涂裝缺陷率計算提供了一條準確、有效的途徑。

綜上所述，在公路鋼橋涂層檢測方面，幾種方法各有特點。磁性法與超聲波法技術成熟、操作簡便，磁性法檢測速度快、精度高，適用于磁體基材上非磁性涂層的厚度測量，是目前公路鋼橋應用最廣泛的方法，紅外熱成像法具有適用范圍廣、單次檢測面積大、快速、非接觸、精度高等優點，在公路鋼橋涂層檢測方面具有較好的工程應用前景。

技術四 高強螺栓檢測技術

高強度螺栓具有施工簡單、受力性能好、可拆換、耐疲勞等優點，目前在我國鋼結構橋梁構件中廣泛使用。然而，施工過程中的欠擰和超擰問題常常導致高強度螺栓松弛或斷裂脫落，給結構連接處帶來隱患。目前高強度螺栓預緊力檢測采用的扭矩法受摩擦系數影響，測量誤差可達30%，國內外專家研發了聲彈性法、壓電阻抗法實現了預緊力的測量。

聲彈性法

聲彈性法原理是，超聲波的速度會因材料中的應力變化而產生微小的變化，通過研究螺栓軸向應力與超聲波傳播時間變化率的關系，可以得到螺栓中的預緊力。

西南交通大學賈雪等建立了應力聲時差關系擬合曲線，設計了試驗標定系統，并且研究成果表明測量重復準確度達2%至5%。浙江大學張俊開發了一套超聲螺栓緊固力測試系統，通過試驗驗證該系統測量的螺栓預緊力精度優于5%，可滿足絕大多數鋼橋施工現場的要求。

聲彈性法螺栓預緊力測試

壓電阻抗法

壓電阻抗法將壓電材料黏附于螺母外側，通過分析壓電材料的電導納譜峰值頻率和螺栓預緊力之間的變化規律，可以得到螺栓中的預緊力。武漢科技大學邵俊華結合試驗使用壓電阻抗法，分別研究了潔凈環境和油污環境中壓電材料導納譜中的峰值頻率隨螺栓預緊力的變化，并得到了螺栓預緊力與峰值頻率的擬合曲線，分析結果表明：壓電導納譜中的峰值頻率隨著螺栓預緊力的增大而降低，且兩者具有較好的線性關系，可以通過測定峰值頻率來精確獲得螺栓預緊力。

綜上所述，在公路鋼橋高強螺栓檢測方法中，扭矩法操作簡單，但測量誤差很大。聲彈性法檢測精度高，壓電阻抗法抗干擾能力強，但這兩種方法目前缺少經濟可靠的儀器設備，限制了其在工程中的推廣應用。

隨著公路鋼結構橋梁檢測需求的增加，各種新型檢測技術在鋼橋檢測中得到長足的發展和應用。本文對公路鋼結構橋梁檢測技術應用與發展現狀進行了總結，重點闡述了鋼橋焊縫檢測技術、疲勞裂紋檢測技術、涂裝檢測技術，以及螺栓檢測技術的研究進展。

焊縫檢測是鋼橋質量檢驗與評定的重要內容，磁粉檢測和超聲波檢測對角焊縫內部缺陷與熔深檢測難度大；射線檢測速度慢、費用高、對人體有輻射；超聲相控陣可以實現U肋角焊縫缺陷與熔深的快速檢測；TOFD檢測技術對于焊縫內部缺陷的檢出率與射線檢測相近，并且檢測速度更快。

常規檢測技術難以對U肋角焊縫焊根往頂板擴展的疲勞裂紋進行有效檢測，超聲相控陣檢測技術彌補了傳統技術的不足，在隱蔽位置的疲勞裂紋檢測具有獨特優勢；紅外熱成像檢測技術具有遠距離、非接觸、大面積的優點，適用于鋼橋疲勞裂紋的快速掃查。

基于紅外熱成像技術的涂層厚度測量具有非接觸、大面積的優點，適用于施工期橋梁涂裝質量檢驗；基于圖像識別的運營期涂裝檢測方法效率高、不需要橋檢車等檢測平臺，成為橋梁未來涂裝病害檢測的有效方法。

由于運營期螺栓扭矩系數會隨時間發生變化，常規扭矩法對于螺栓緊固力檢測不準確，聲彈性法與壓電阻抗法具有較高的檢測精度，但是目前缺少成熟的儀器設備，限制了其在公路鋼橋高強螺栓緊固力檢測中的應用。