聲發射技術在橋梁健康監測中的應用綜述

陳勝軍， 吳 成， 張天舒， 張啟迪， 吳錦麗

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230601；3.合肥工業大學 軟件學院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著橋梁運營時間的增長，以及各種自然環境因素的影響，橋梁結構的工作性能會不斷地下降，甚至發生破壞[1]。因此，需要使用科學的監測方法來實時地對橋梁的健康狀態進行評估，通過監測結構的性能，及時地識別結構損傷發生的位置和程度，從而制定維護計劃，來保證運營過程中橋梁結構的安全、可靠和穩定[2]。

近年來，結構健康監測(structural health monitoring, SHM)在橋梁工程中得到了廣泛應用，旨在對結構的損傷與安全狀態及其演化規律進行實時感知、識別和評估[3]，其形式可以分為全局監測和局部監測[4]。全局監測一般是通過全橋布置的傳感器來獲取結構的動力響應，以動力響應的信息來評估橋梁的整體狀態；而局部監測主要是使用無損測試技術，在結構損傷熱點區域的布置傳感器，更加準確地識別結構的局部損傷。目前大型橋梁的健康監測和狀態評估通常是以全局監測為主，局部監測為輔的方式來進行[5]。隨著橋梁健康監測近40年的發展，雖然監測手段和方式不斷地進步，但還是存在著不足，如何將全局監測和局部監測有機結合、利用有限的傳感器數量獲取高質量的監測數據、充分挖掘監測數據中蘊含的結構信息、提升結構損傷識別的精度和準確性是未來橋梁健康監測的發展方向[6-8]。

聲發射技術作為一種無損檢測技術在機械、航空航天、土木工程等領域有著廣泛的應用和研究，具有無須超聲波激勵、對損傷敏感度高、受幾何構造影響小、探測距離遠等優勢，適用于結構運營狀態下的損傷監測，在橋梁的健康監測具有較高的應用潛力。因此，本文從現有的橋梁健康監測技術出發，綜述現有的基于聲發射技術的橋梁健康監測研究成果，并提出聲發射技術在橋梁健康監測領域的應用難點與發展方向。

1 橋梁健康監測概述

1.1 基于動力響應的橋梁健康監測

1.1.1 加速度

基于加速度的監測方式利用加速度傳感器采集加速度信號來實現損傷監測，Anshuman Kunwar等[9]提出了利用動力加速度響應來實現監測的方法。通過加速度響應可以分析橋梁損傷的存在情況，但是結果易受噪聲等因素的影響。

1.1.2 動應變

基于動應變的監測方式利用動應變來識別出橋梁的振動變形，從而實現健康監測。主要存在兩種方法，一種為擬靜力變形測量法，該方法認為可以通過動應變來反算出對應結構的位移響應；另一種方法為基于位移-應變傳遞函數方法[10]，該方法利用應變模態與位移模態獲得對應結構的位移-應變傳遞函數，進而獲取結構的振動變形。同時，利用動應變來實現橋梁動撓度識別[11]的間接的監測方式也具有可行性。

1.1.3 圖像識別

基于圖像識別的監測方式運用設備采集圖像來監測橋梁表面裂縫情況，現有的自動監測裂縫的圖像處理方法有快速Haar變換(FHT)、Sobel和Canny算子、快速傅里葉變換等。目前采用圖像識別技術實現橋梁損傷的監測[12]是切實可行的，但是存在難以監測橋梁內部損傷的缺陷。

1.2 基于無損檢測技術的橋梁健康監測

1.2.1 紅外線熱像儀檢測技術

基于紅外線熱像儀檢測技術的監測方式利用所監測橋梁的表面溫度、紅外輻射與材料特性的內在聯系，收集紅外輻射時橋梁表面的溫度等相關信息，并使用紅外熱像儀將輻射信息轉換為熱像圖[13]，從而監測出橋梁結構上存在的不連續缺陷。該方法存在易受環境因素影響、分辨率易受覆蓋層厚度影響的缺點。

1.2.2 感應檢測技術

基于感應檢測技術的橋梁監測方式的重點為超聲波深度的應用。該技術可以通過比較超聲波在穿透所監測橋梁后穿透能力的改變情況來判斷橋梁的損傷情況，還可以通過對比超聲波在所監測橋梁表面的反射情況來推斷橋梁結構的均勻性與內部孔洞等損傷狀況。該方法存在著難以對缺陷進行定量判斷以及需要統計并處理相關數據的問題。

1.2.3 無線電檢測技術

基于無線電檢測技術的監測方式利用對無線電[14]發射頻率等信息的測量，主要可以監測橋梁的應力波情況，從而判斷橋梁的具體損傷情況。該方法還適用于對橋梁的鋼結構進行監測。

1.2.4 光纖傳感器技術

基于光纖傳感器技術的監測方式利用光纖傳感器測量橋梁的內部應力、應變特性等信息[15]，從而判斷所監測橋梁的損傷情況。光纖傳感器在橋梁的應變測量中得到結果的差值較小，因此可以獲取具體的損傷位置等情況[16]。該技術的成本較高，因而應用并不廣泛。

2 聲發射技術

2.1 聲發射技術的基本原理

由于受到外力或者內力的作用，材料或結構內部局部能力的快速釋放而產生瞬態彈性波的現象稱之為聲發射[17]。聲發射波沿著固體介質傳播，可以通過相應設備獲取信號，通過對電信號的分析和處理，便能推斷出材料內部的變化情況。聲發射源是在應力作用下發生變形與裂紋擴展的材料，作為結構失效的重要形式，這種直接和變形與斷裂機制有關的源，可以從本質上反映結構存在的缺陷信息。圖1給出了聲發射現象的信息傳遞及處理流程[18]。隨著科技的發展，通過傳感器、信號放大器等設備捕捉聲源，并根據聲發射信號的特點，采用相應的采集和分析軟件，分析出橋梁結構內部變化情況，從而達到健康監測的目的。

圖1 聲發射信號采集原理圖

聲發射的信號可由傳感器、放大器等設備獲取?；趬弘娫淼穆暟l射傳感器具有合適的魯棒性和靈敏度，能夠滿足實際測試的需要[19]。通常情況下，聲發射信號可分為三種不同的類型，分別為突發型、連續型以及兩種類型相結合的混合型?，F有的處理聲發射信號的方法主要為波形分析方法和參數分析方法：波形分析方法直接對信號的波形進行分析，研究其中包含的相關信息；參數分析法則是根據信號的一些特征參數，通過建立相關損傷機理，來分析結構損傷的情況。

2.2 聲發射技術的優勢

聲發射檢測技術是被動、動態的監測技術，對線性缺陷較為敏感，可以實時監測到外加應力下結構缺陷的變化。聲發射探測到的能量來自被測試物體本身，不像超聲導波、射線法等需要外加激勵[20-22]。相對于紅外線熱像儀檢測技術、感應檢測技術以及無線電檢測技術等無損檢測技術，聲發射技術作為一種現代無損檢測技術，不易受被測對象幾何形狀影響，適用于各種復雜構件的測試，同時具有良好的環境適應性以及實時性等特點，能夠準確地反映出結構內部的變化。

由此可見，聲發射技術能有效對結構進行健康診斷和損傷檢測，可以發現并準確診斷結構存在的損傷情況，對結構耐久性評定、剩余使用壽命預測和維修方案選擇具有重要意義，進而到達評估結構健康、提供預警、指導維修與加固等目的[23]，在機械、航空航天、土木工程等領域有著廣泛的應用和研究。

3 基于聲發射的橋梁健康監測

3.1 鋼筋混凝土橋梁健康監測

對于鋼筋混凝土結構的橋梁，細小裂縫產生與小裂縫的擴展是聲發射信號的主要發生源。 聲發射信號在橋梁混凝土中傳播時，幅值呈指數衰減[24]。S Ramadan等[25]使用聲發射技術檢測預應力混凝土結構中高強度鋼的應力腐蝕開裂(stress corrosion cracking,SCC)，實驗發現共析鋼的聲發射信號隨著時間的增長有明顯的分區現象，如圖2所示。其中，A區對應局部腐蝕，B區對應裂紋增長，C區對應鋼結構失效。

圖2 SCC實驗中聲發射信號變化

郭健[26]提出了一種AE定量分析技術，從傳感器直接檢測到的聲發射波解析出從聲發射源發出的原波，并介紹了一種使用射頻數據傳輸的無線傳感技術，通過微粒自持式微電子機械式傳感系統(MEMS)綜合處理聲發射信號，達到監測大型混凝土橋梁的結構損傷的目的。

3.2 鋼結構橋梁健康監測

鋼結構材料強度高、韌性與焊接好，逐漸成為橋梁等公共建設的主流材料。鋼結構材料可以回收再利用，而且使用鋼結構可以減少混凝土的用量，從而減少了在生產水泥過程中二氧化碳的排放，更加綠色環保[26]。在鋼結構橋梁中，除鋼板部分的失效外，焊接部分的損傷也是影響橋梁壽命的主要原因。

在鋼板部分，于洋等針對鋼板的腐蝕，提出了一種分型幾何學結合獨立分量分析的方法檢測鋼板的腐蝕程度。其中，獨立分量分析可以降低提取的聲發射信號中的噪音，分形幾何學方法難以受檢測者主觀判斷的影響，更加標準化[27]。

在焊接部分，汪文有等在復雜噪音的干擾下，成功提取了已開裂焊縫的聲發射信號特征，并且發現突發性信號與裂縫的完整性之間有很大聯系[28]。

3.3 組合結構橋梁健康監測

鋼-混凝土組合橋梁不僅結合了混凝土梁和鋼梁的優勢，又具備了經濟、環保、施工便捷等優點，適合現有橋梁工程的發展方向，在橋梁工程建設中也取得了越來越多的應用，市場前景良好。雖然擁有諸多優勢，但鋼-混組合梁也存在一定的問題。鋼-混組合梁在使用過程中受到環境作用以及各種荷載作用，不同部位構件會受到不同程度的損傷。其中就包括鋼梁的銹蝕、混凝土的開裂、剪力連接件的松動以及出現裂縫等一系列問題。

針對在役鋼-混凝土組合橋梁，榮學亮利用聲發射無損檢測技術，從微觀損失機理入手，基于無網格配點法建立結構聲發射數值模型，再結合由試驗建立了聲發射信號特征參數與鋼構件疲勞損失之間的關聯度模型。該模型研究了組合梁橋栓釘連接件損失過程中的聲發射信號特征，揭示其疲勞損傷演化機理。最后以鋼-混凝土組合梁橋作為研究對象，基于聲發射數值模型，建立了鋼-混組合梁橋疲勞損傷識別與橋梁健康監測評估模型[29]。

3.4 橋梁拉索損傷監測

橋梁拉索基本是由制繩鋼絲組成，鋼絲繩是一種多冗余結構(multi-redundant stucture),能夠承受大量的分布式破壞。在組成橋梁拉索的鋼絲繩內，可檢測到的聲發射的主要來源包括斷線(wire breaks)，線間微動和腐蝕。聲發射技術在鋼絲繩應用中最實際的應用是斷線的檢測和定位，斷線能否成功檢測和定位的關鍵在于繩索的結構、直徑、長度和斷線的數量。大量斷線的出現不利于聲發射技術的應用，但是大量的斷線一般只可能在繩索樣本的疲勞測試實驗中產生，實際應用中不會出現此類情況[30]。

邵永波等[31]研究了制繩鋼絲在高疲勞過程中的聲發射信號的變化情況，也存在明顯的三個階段，并在整個疲勞壽命中，裂紋的孕育合成核階段占70%，裂紋的擴展占30%。李冬生等[32]對國內某斜拉橋換下的服役18年的斜拉索進行疲勞試驗，相較于其他直接在嶄新鋼絲上進行疲勞試驗，分析了多齡期斜拉索的各階段聲發射信號，確定了其聲發射源。何燕等[33]用斷絲因子圖檢測鋼絞線的斷裂，進而用聲發射直線定位法和軟件預測了斷裂發生的位置與時間，誤差在5%上下。進一步說明了聲發射技術在橋梁拉索的損傷的監測可以達到一定的精度[33]。

4 聲發射技術在橋梁健康監測中的應用難點與發展方向

4.1 在線實時檢測橋梁聲發射波

實時檢測橋梁結構聲發射波的意義在于由聲發射波的軌跡分析，捕捉到結構在失效前的損傷演化規律，從而在結構真正破壞前給出預警，為維修方案的確定提供依據，維護橋梁的結構安全[34]。

因此，對裂紋發生前的聲發射信號進行系統研究，充分挖掘監測數據中蘊含的結構信息，找出其中特征強、受干擾小的變化規律，在此基礎上開發出一種直接與傳感器信號實時連接的軟件或算法結構將可對橋梁真正實現實時健康監測，最大程度減少損失。

4.2 針對特殊結構開發聲發射信號處理機制

聲發射是一種有用的實驗室工具，但是該技術在使用中的繩索等特殊結構上的應用可能會受到限制。未來的工作需要集中在工業上最常用的繩索結構上，以及開發可以設計用于未來設備的斷線標志。這可以通過窄帶濾波器實現，將換能器的諧振頻率與斷線和模式識別軟件的主要頻率分量進行匹配[19]。

4.3 多個聲發射信號綜合檢傷

多通道傳感器聲發射信號有機結合，綜合檢傷，此技術難點在于找到各聲發射信號之間存在的關系以及傳感器的布置方式對聲發射信號的影響。聲發射技術是一種將全局監測和局部監測有機結合，利用有限的傳感器數量獲取高質量的監測數據的一種無損檢測技術。傳感器的安裝位置與信號之間的聯系方式對精度與準確度而言至關重要。

4.4 開發經濟型聲發射信號處理系統

在大型橋梁中每時每刻都有數量龐大的聲發射源發出大量的聲發射波，因而開發出廉價的傳感器系統與高效的聲發射波綜合處理系統是聲發射技術應用的重點與難點[34]。

4.5 建立聲發射技術檢測各類橋梁損傷的標準與規范

利用聲發射信號能直接判定橋梁的損傷程度，建立通用的標準可以規范和促進聲發射檢測技術的使用，直接根據收集或處理過的聲發射信號判定橋梁的損傷程度，從而制定修繕方案，延長橋梁的使用壽命。

5 結 論

聲發射技術目前在混凝土橋、鋼結構、斜拉索等橋梁結構損傷識別和監測中都得到了廣泛的研究，并在相關實際應用中具有良好的環境適應性與實時性，能夠反映結構的損傷部位與受損程度，從而推測橋梁安全狀態及其損傷演化規律，在橋梁健康監測領域有廣闊的應用潛力和前景。

聲發射技術作為一種現代的無損檢測技術，目前其在橋梁健康監測領域的應用和相關技術仍然存在著一定短板。雖在實驗研究中取得了一定的成果，但在實地應用的技術仍未成熟。針對這一問題，本文提出了對于聲發射技術在橋梁健康監測領域的應用難點與展望方向，闡述了現有的聲發射技術在各種結構類型橋梁中的研究、實驗與應用，發現實際應用中存在的困難以及難點蘊藏的存在的發展前景，期望通過技術的提升、算法的改進與規范的確立來完善聲發射技術在橋梁健康監測中的應用，提高聲發射在橋梁健康監測應用中的廣泛性、準確性與規范性。