水下RC結(jié)構(gòu)檢測與安全評價(jià)技術(shù)綜述

王圣賢，姜紹飛

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州 350108； 2. 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步使得我國交通基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，截止2020年底，中國已建成公路橋梁91.28萬座[1]. 橋梁水下RC(reinforced concrete)結(jié)構(gòu)作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由于其所處環(huán)境比陸上更加復(fù)雜惡劣，除了承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，還長期承受波浪、 海流等隨機(jī)荷載的作用，加之環(huán)境與水生物的侵蝕，導(dǎo)致水下結(jié)構(gòu)不可避免發(fā)生病害，嚴(yán)重威脅橋梁運(yùn)營安全. 由于目前橋梁檢測與安全評價(jià)多集中在橋梁上部結(jié)構(gòu)，因此開展水下RC結(jié)構(gòu)的病害檢測與安全性評價(jià)，顯得尤為迫切和重要.

目前，水下結(jié)構(gòu)多以人工檢測和判讀為主，工作強(qiáng)度大、 效率低，且對檢測人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)要求較高. 近年來，很多非接觸式檢測方法如聲吶法、 雷達(dá)探測法、 電磁波法、 圖像識別法等得到了一定程度的應(yīng)用. 這些現(xiàn)代檢測技術(shù)的引入，加之管養(yǎng)政策的推進(jìn)，產(chǎn)生了海量結(jié)構(gòu)多樣、 來源復(fù)雜的多源數(shù)據(jù)和圖像等信息. 而國家現(xiàn)行橋梁養(yǎng)護(hù)和技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)則多基于打分制，缺乏對多源大數(shù)據(jù)與圖像信息的分析、 處理和應(yīng)用[2]. 如何從這些多源海量的數(shù)據(jù)與圖像之中挖掘出有用的信息和特征，并結(jié)合水下結(jié)構(gòu)的材料性能檢測數(shù)據(jù)，開展橋梁水下結(jié)構(gòu)安全性評估成為學(xué)術(shù)界和工程管養(yǎng)部門當(dāng)前需要迫切解決的難題. 近年興起的人工智能、 深度學(xué)習(xí)技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)方面的成功應(yīng)用，推動了在役混凝土橋梁水下結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)技術(shù)的發(fā)展.

與陸上結(jié)構(gòu)相比，水下結(jié)構(gòu)的使用條件和環(huán)境非常惡劣，水下結(jié)構(gòu)的檢測內(nèi)容、 方法及設(shè)備等都無法直接移植陸上結(jié)構(gòu)的，研發(fā)實(shí)用有效的水下結(jié)構(gòu)病害檢測方法與安全評價(jià)體系尤為迫切. 因此，本文結(jié)合最新的無損檢測技術(shù)與大數(shù)據(jù)、 AI信息技術(shù)，重點(diǎn)開展了水下結(jié)構(gòu)病害檢測技術(shù)及安全評價(jià)技術(shù)的應(yīng)用與研究進(jìn)展，并對今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望.

1 水下結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)對橋梁水下結(jié)構(gòu)的檢測內(nèi)容及規(guī)范要求[3]，結(jié)合水下常見的病害，本文主要從水下混凝土外觀缺陷檢測、 基礎(chǔ)沖刷檢測、 水下結(jié)構(gòu)組成材料材質(zhì)檢測3個(gè)方面展開討論.

1.1 水下結(jié)構(gòu)外觀缺陷檢測

由于荷載作用、 海水侵蝕、 長期沖刷以及施工缺陷和材料本身特性等的影響，加上各種災(zāi)害及惡劣環(huán)境作用，水下RC結(jié)構(gòu)不可避免會產(chǎn)生保護(hù)層剝落、 露筋、 孔洞、 沖蝕、 裂縫等外觀缺陷. 水下人工攝影、 人工探摸是水下結(jié)構(gòu)外觀缺陷的主要檢測方法，近年來國內(nèi)外學(xué)者在該方面做了大量研究，聲吶技術(shù)、 光纖光柵等現(xiàn)代技術(shù)被用于水下樁柱檢測. 目前，水下結(jié)構(gòu)外觀缺陷檢測主要有： 聲波探測法、 水下探摸法、 分布式光柵傳感檢測法、 磁膜探傷法等非成像法及水下光學(xué)成像法、 激光成像法、 聲吶成像法. 各檢測方法的檢測方式/特點(diǎn)與不足見表1.

表1 水下結(jié)構(gòu)外觀缺陷檢測方法比較Tab.1 Comparison of testing technology for appearance defects of underwater structures

可以看出，水下探摸法、 磁粉檢測法需潛水員潛水作業(yè)，對潛水員自身素質(zhì)要求高，且存在一定的安全隱患，只適用于持續(xù)探摸時(shí)間短且最大下潛深度60 m的工況[4]； 光學(xué)成像法易受水質(zhì)影響，同時(shí)僅能局部成像，后續(xù)圖像處理困難； 光纖光柵檢測法需要大范圍組網(wǎng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行布設(shè)，才會避免對于缺陷的漏檢，但大范圍地布設(shè)，造成工程量與耗資巨大； 超聲波檢測法檢測穩(wěn)定性較差，受到發(fā)射聲波聲源的影響，也較難進(jìn)行精確的定量化檢測.

比較而言，聲吶在渾濁、 能見度很低的水下惡劣環(huán)境具有良好的成像適應(yīng)性，故聲吶成像法最適合水下結(jié)構(gòu)外觀病害檢查. 據(jù)此，付傳寶等[6]較早應(yīng)用聲吶成像方法進(jìn)行水下橋墩外觀檢測的可行性研究，先用聲吶圖像檢測橋墩厚度與缺陷，并考慮橋墩病害聲學(xué)圖像特征的解讀與誤差的影響，最后用光學(xué)攝像圖對橋墩缺陷進(jìn)行驗(yàn)證，論證了掃描聲吶探測水下橋墩的可行性. 根據(jù)產(chǎn)生的圖像分為二維(2D)和三維(3D)聲吶儀，前者價(jià)格便宜、 掃描面積大、 質(zhì)量粗糙； 后者昂貴、 掃描面積小，多用于細(xì)節(jié)掃描. 由于聲吶成像機(jī)理與光學(xué)成像不同，其圖像并非“所見即所得”，如圖1所示. RC墩柱的孔洞病害(圖1(a))在水下不同測點(diǎn)位置和角度(圖1(b))所形成的2D病害特征是不同的(圖1(c)、 1(d))，需要結(jié)合它自身的聲學(xué)成像規(guī)律進(jìn)行解讀、 3D重構(gòu)，且聲吶圖像質(zhì)量與病害成像機(jī)理及測位有關(guān).

圖1 水下混凝土剝落、 露筋的聲吶2D成像與不足Fig.1 Sonar 2D imaging and deficiency of spalling and exposed tendons for underwater structures

為了提高聲吶成像質(zhì)量，楊志等[7]用BV5000-1350三維聲吶系統(tǒng)對碼頭樁柱現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能展示水下3D結(jié)構(gòu)，可在含沙量大、 能見度低的環(huán)境中有效探測誤差為±4 cm. 借助三維顯示技術(shù)，張順洋等[8]將3D聲吶系統(tǒng)應(yīng)用在碼頭水下部分的檢測，直觀、 清晰地獲得了碼頭樁柱的水下3D結(jié)構(gòu)輪廓. 此外，郭樹華等[9]將3D聲吶系統(tǒng)與多波束及側(cè)掃聲吶掃測相結(jié)合應(yīng)用在水工建筑物水下結(jié)構(gòu)檢測中，既可以彌補(bǔ)多波束和側(cè)掃聲吶部分區(qū)域數(shù)據(jù)缺失的問題，又能實(shí)現(xiàn)渾濁水體下水下結(jié)構(gòu)細(xì)部情況探查. 本文開展了混凝土剝落(圖1)、 平面裂縫成像研究(圖2)，將聲吶儀的布設(shè)區(qū)域劃分為網(wǎng)格，研究不同網(wǎng)格內(nèi)裂縫的精度及檢測的最優(yōu)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)能夠識別出5 mm寬度的裂縫，極大地提高了裂縫檢測質(zhì)量和精度.

圖2 裂縫墻構(gòu)件與聲吶識別效果Fig.2 Crack wall and sonar recognition results

為了兼顧成像質(zhì)量與檢測效率，Guerneve等[10]開展了聲吶圖像的重構(gòu)方法研究，提出兩種3D重建的方法，可從任何孔徑的聲吶圖像進(jìn)行3D重建： 第一種方法采用線性公式作為盲反卷積與空間變化的核心，第二種方法使用非線性公式進(jìn)行近似重建. 兩種方法解決了水下檢測車上需要安裝數(shù)量眾多的傳感器問題，并通過自動水下航行器收集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的可行性.

可見，聲吶技術(shù)在水下結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用為水下結(jié)構(gòu)外觀缺陷的檢測難題提供了良好的技術(shù)手段，但其應(yīng)用過程中仍存在諸如聲吶圖像質(zhì)量、 聲吶檢測效率以及群樁檢測中聲場遮擋等問題，相信隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展及人工智能圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，可以極大提升水下結(jié)構(gòu)外觀缺陷的檢測技術(shù)水平.

1.2 水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷檢測

沖刷是導(dǎo)致橋梁毀壞的主要原因之一. 據(jù)調(diào)查，沖刷是美國近一半橋梁失效的原因[11]，它改變了橋梁的靜力和動力特性，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致生命財(cái)產(chǎn)損失[12]. 目前，對水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷的研究主要集中在沖刷機(jī)理、 沖刷坑的模擬，內(nèi)容體現(xiàn)在基礎(chǔ)范圍土體沖刷深度、 局部沖刷坑、 水流沖刷作用力對地下結(jié)構(gòu)物的影響及水流沖刷對基礎(chǔ)的侵蝕作用. 下面從基于振動的檢測方法和直觀檢測方法兩個(gè)方面展開介紹.

1.2.1基于振動的沖刷檢測法

水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷實(shí)質(zhì)上是對結(jié)構(gòu)有效約束的削弱，可作為一種損傷形式通過跟蹤上部結(jié)構(gòu)動力特性去識別. 水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)特性變化僅發(fā)生在基礎(chǔ)處，將其特性變化作為損傷進(jìn)行識別，相比較識別其他上部結(jié)構(gòu)局部損傷，無需定位損傷可降低其識別難度且具有較高的準(zhǔn)確性. 基于此原理，Prendergast等[13]對現(xiàn)有沖刷監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測方法進(jìn)行了評述. Chen等[14]先對高平溪大橋主梁和局部墩的各種模態(tài)頻率進(jìn)行識別，然后建立該橋的有限元模型并進(jìn)行了模態(tài)分析，通過擬合塔架處已知沉降的橋梁臨界頻率來確定最優(yōu)土剛度； 之后通過改變橋墩支護(hù)土層的深度以適應(yīng)橋墩模式的兩個(gè)敏感頻率，來估算橋墩的沖刷深度； 最后，提出了估算沖刷深度的方法. 熊文等[15-16]提出基于上部結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的橋塔沖刷狀態(tài)分析方法，并通過杭州灣大橋橋塔沖刷評估驗(yàn)證了方法的有效性. 基于振動檢測橋梁沖刷的關(guān)鍵是傳感器位置、 沖刷坑的形狀，據(jù)此，Bao等[17]通過試驗(yàn)測試與數(shù)值模擬，對這些問題進(jìn)行了深入的討論，首次提出非對稱沖刷孔深度識別準(zhǔn)則，對推進(jìn)基于振動的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)際意義. 但基于振動的沖刷檢測法，由于是間接測量法，難以將沖刷導(dǎo)致的“后果”(即頻率的變化)與成因(即沖刷程度)建立直接的聯(lián)系.

1.2.2沖刷直觀檢測法

為了直觀掌握基礎(chǔ)沖刷深度與外貌狀況，過去，人工測深、 超聲波測深儀或兩者相結(jié)合是檢測沖刷深度的主要方法，近來聲吶、 探地雷達(dá)、 光纖光柵等傳感器被引入沖刷監(jiān)/檢測測試中[18-22]. 部分常用沖刷檢測方法檢測方式或特點(diǎn)與不足見表2.

表2 水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷檢測方法比較Tab.2 Comparison of testing technology for scour of underwater structures

可以看出，上述方法尚存在一些不足： 1) 測量的數(shù)據(jù)較為離散，檢測效率低且難完整還原樁基周圍沖刷坑的地形信息； 2) 設(shè)備維護(hù)使用成本高，如雷達(dá)設(shè)備、 光纖光柵往往較昂貴，而區(qū)域信號反射法(TDR)的電纜容易受到浮木樹干等雜質(zhì)的影響而損壞. 近來一些學(xué)者采用干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)進(jìn)行橋梁沖刷監(jiān)測，Selvakumaran等[26]利用小基線子集InSAR方法，分析了坍塌前兩年橋上48個(gè)地形雷達(dá)X場景，發(fā)現(xiàn)橋梁在倒塌發(fā)生之前一些區(qū)域已有明顯移動，這表明InSAR可以作為橋梁發(fā)生沖刷風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警系統(tǒng). 此外，Chen等[27]開發(fā)了方向未知/已知的兩類智能巖石來監(jiān)測橋梁沖刷效應(yīng)，橋面鋼筋和鋼梁的存在改變了智能巖石中地磁場的分布，可以較好地定位，精度較高.

為了比較各種檢測技術(shù)在水下基礎(chǔ)沖刷中的應(yīng)用效率，楊曉明等[4]以山區(qū)、 平原、 水庫3種地理環(huán)境的7座橋梁水下基礎(chǔ)病害檢測為背景，采用3D激光掃描、 聲吶掃描、 GPS結(jié)合水深儀進(jìn)行橋墩基礎(chǔ)沖刷狀態(tài)檢測，考慮了地理環(huán)境、 水流速度、 渾濁度、 透明度等多種環(huán)境和水文參數(shù)對檢測效果與效率的影響，比較了各種方法的特點(diǎn)與適用范圍. 研究發(fā)現(xiàn)3D激光掃描基礎(chǔ)必須完全裸露，它適合于枯水期的基礎(chǔ)沖刷檢測； GPS結(jié)合水深儀雖然具有實(shí)時(shí)性、 全天候、 精度高等優(yōu)點(diǎn)，但需對橋梁基礎(chǔ)周邊一定區(qū)域的水下地形進(jìn)行掃描，其沖刷識別效率不高，無法實(shí)施水下快速檢測； 對于水下環(huán)境復(fù)雜、 危險(xiǎn)區(qū)域的基礎(chǔ)沖刷檢測，唯一的方法就是聲吶掃描來生成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水下狀態(tài)圖像并檢測，它除了可用聲吶圖像直接識別基礎(chǔ)沖刷狀態(tài)外，還可識別基礎(chǔ)暴露情況、 填筑面積、 雜物堆積和其他水下結(jié)構(gòu)物缺陷. 此外，在潛水前或過程中，聲吶掃描技術(shù)有助于水下檢測員發(fā)現(xiàn)潛在缺陷及繞過水下危險(xiǎn)區(qū)域，直接針對待檢橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行掃描，快速、 高效、 對天氣與水文環(huán)境要求低[4]. 可見，聲吶法在水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷檢測上具有較好的適用性.

為了深入研究聲吶儀對水下基礎(chǔ)沖刷坑的成像與整體情況，F(xiàn)alco等[28]對實(shí)際工程中的兩座橋墩分別布設(shè)3個(gè)聲吶沖刷監(jiān)測點(diǎn)來監(jiān)測出洪水期間橋墩沖刷的最大沖刷深度和其他監(jiān)測點(diǎn)位沖刷坑的沖刷演變情況. Topczewski等[29]通過掃描聲吶采集了三種類型的2D聲吶圖像，對沖刷坑底總體情況進(jìn)行掃描，在樁周圍布設(shè)測點(diǎn)掃描得到樁墩壁和底部沖刷坑的側(cè)面輪廓線，精確地定位了檢測波束范圍各點(diǎn)的沖刷深度和距離墩壁的距離，壁面掃描清晰顯示了樁墩和基礎(chǔ)、 沖刷坑的整體情況. 同時(shí)，對掃描的圖像進(jìn)行分析，選取沖刷坑較深的位置進(jìn)行長期監(jiān)測的測點(diǎn)布設(shè)，發(fā)現(xiàn)聲吶對樁墩的沖刷檢測有著良好的檢測效果. 近年來，Rogers等[30]利用附在滑動機(jī)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)頭聲吶掃描儀，研究了模擬橋墩的垂直圓柱周圍清水條件下局部沖刷坑的復(fù)雜沖刷特性.

以上工作雖然驗(yàn)證了聲吶儀在沖刷坑檢測中的可行性，但大都集中于單樁的監(jiān)/檢測，而未考慮到群樁基礎(chǔ)的現(xiàn)實(shí)，且僅掃描了樁墩的部分輪廓，沒有還原出整體的沖刷坑模型，也無法給出直觀的沖刷坑三維模型及信息，難以反映沖刷隨時(shí)間和空間的發(fā)展. 為此，借助聲吶等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)開展水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷檢測，構(gòu)建水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷坑的三維圖像，有利于預(yù)測沖刷的未來發(fā)展以及精確有限元模型的建立. 因此，將基于振動的沖刷檢測方法與直觀檢測方法進(jìn)行融合，做好優(yōu)勢互補(bǔ)，研發(fā)簡單實(shí)用且與結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷破壞機(jī)理相一致、 基于聲吶成像沖刷檢測方法就顯得尤為迫切.

1.3 水下RC結(jié)構(gòu)組成材料材質(zhì)檢測

導(dǎo)致水下RC結(jié)構(gòu)失效的原因除了外觀缺陷及基礎(chǔ)沖刷外，水下RC結(jié)構(gòu)組成材料材質(zhì)的下降也是重要因素. 一方面，鋼筋銹蝕會導(dǎo)致鋼筋截面面積減小、 鋼筋屈服強(qiáng)度降低及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力降低等[31-32]； 另一方面，混凝土一旦強(qiáng)度不夠，即會造成混凝土層裂紋、 破損，鋼筋直接承受過大的載荷. 鋼筋與混凝土材質(zhì)下降將導(dǎo)致RC結(jié)構(gòu)的承載能力、 剛度與耐久性下降，嚴(yán)重時(shí)直接可導(dǎo)致水下RC結(jié)構(gòu)垮塌斷裂，是橋梁結(jié)構(gòu)損壞的直接原因. 下面從混凝土強(qiáng)度檢測和鋼筋銹蝕檢測兩個(gè)方面展開介紹.

1.3.1混凝土強(qiáng)度檢測

水下混凝土抗壓強(qiáng)度一般采用鉆芯取樣法，即在水下結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)件相應(yīng)部位鉆取一定尺寸的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來評定強(qiáng)度. 但這種水下鉆芯取樣也存在其缺陷，一方面水下鉆芯工藝復(fù)雜，耗費(fèi)人力物力大； 另一方面鉆芯取樣對結(jié)構(gòu)有損傷，后期的修補(bǔ)難度加大，若恢復(fù)不好，可能會留下缺陷，成為結(jié)構(gòu)后期破壞的誘發(fā)點(diǎn).

陸地上應(yīng)用比較廣泛和成熟的無損檢測方法，也是部分現(xiàn)行國家規(guī)程給出的方法，主要是回彈法、 超聲法及超聲回彈綜合法. 雖然部分國家規(guī)程提到了應(yīng)用這些強(qiáng)度無損方法進(jìn)行檢測，但是都沒有給出具體的細(xì)節(jié)如指標(biāo)、 公式、 強(qiáng)度預(yù)測模型[3,33]. 同時(shí)這些方法雖然可以借鑒使用，但由于水下的工作環(huán)境與陸地上完全不同，不適合直接移植用于水下檢測. 故需要對現(xiàn)行陸地上檢測的儀器進(jìn)行防水改造，檢測指標(biāo)、 評估方法與操作步驟等需要重新建立. 為此，學(xué)者們作了嘗試，Park等[34-35]、 向衍等[36]以及張臣等[37-38]為合理評估水下結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度狀態(tài)，分別采用金屬防水外殼和彈性橡膠包裹回彈儀、 將回彈儀構(gòu)件間的距離縮小至微米級并在回彈儀內(nèi)部通入高壓氣體的方式對常規(guī)回彈儀進(jìn)行改裝，成功實(shí)現(xiàn)了回彈儀的水下測試. 除回彈法之外，超聲回彈綜合法由于該方法對混凝土結(jié)構(gòu)無損傷，且綜合考慮了回彈值和聲速值兩種物理指標(biāo)，是另一種在水上結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度無損檢測中廣泛使用的方法. 為了能將該方法用于水下，Park等[34-35]除了對回彈儀進(jìn)行防水改裝外，還對非金屬超聲波檢測儀進(jìn)行了防水改裝，并開展了水下超聲回彈綜合法試驗(yàn)研究，建立了可有效推定水下結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度的水下超聲回彈測強(qiáng)法. 作者所在課題組也作了相關(guān)的嘗試，研發(fā)了適用于水下混凝土檢測的回彈儀(圖3(a))和超聲儀(圖3(b))，并開展了水下混凝土強(qiáng)度的回彈、 超聲及綜合檢測方法的初步研究，結(jié)合大數(shù)據(jù)的信息，利用課題組在AI領(lǐng)域的優(yōu)勢，運(yùn)用回彈數(shù)據(jù)、 超聲數(shù)據(jù)、 聲吶圖像等數(shù)據(jù)結(jié)合，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度評估研究(圖3(c))，取得了預(yù)期的成果[39]. 由于混凝土在水下環(huán)境狀態(tài)的變化，現(xiàn)行國家規(guī)范[40-41]給出的測強(qiáng)及評價(jià)方法已不適用. 為了提升水下回彈、 超聲回彈綜合檢測方法在檢測水下混凝土強(qiáng)度的適用性并提高檢測精度，參照陸上回彈法及超聲回彈法的修正方式，水下回彈、 超聲回彈綜合檢測方法應(yīng)做好相關(guān)的修正： 如水下回彈值角度、 澆筑面、 水深等的修正，同時(shí)應(yīng)建立可靠的、 精確的混凝土水下回彈值或超聲回彈值與混凝土實(shí)際強(qiáng)度之間的關(guān)系.

圖3 水下混凝土強(qiáng)度檢測試驗(yàn)[39]Fig.3 Testing of underwater concrete strength[39]

1.3.2鋼筋銹蝕檢測

混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕有3個(gè)必備條件： 鋼筋表面存在電位差、 鋼筋表面鈍化膜遭到破壞、 鋼筋表面有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散所需要的水和氧氣. 海水環(huán)境下RC墩基礎(chǔ)都具備，因此開展水下結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕，可用專門防水設(shè)備進(jìn)行極化電阻法、 自然電位法進(jìn)行抗腐蝕和耐久性性能研究[42-46].

第一類是物理檢測法. 通過測定鋼筋銹蝕引起的電阻、 電磁、 熱傳導(dǎo)、 聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋的銹蝕狀況，常用方法有(超聲)射線法、 聲發(fā)射探測法、 紅外線熱成像法、 電阻層析成像技術(shù). 前兩種方法研發(fā)比較早、 應(yīng)用廣，但是量化損傷程度比較困難[45]，后兩種是近年研究比較熱的成像檢測方法，結(jié)果形象直觀. 鄭帆等[47]采用微米級X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(XCT)對砂試塊內(nèi)鋼筋通電加速銹蝕進(jìn)行監(jiān)控，建立了一套基于 XCT技術(shù)的鋼筋銹蝕無損測試方法，實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹蝕過程中鋼筋和銹蝕產(chǎn)物形貌變化的3D可視化表征和銹蝕損失量化，但銹蝕速率與Faraday定律理論值不一致. 近來一些學(xué)者嘗試采用光纖光柵、 聲發(fā)射、 超聲波等融合來檢測鋼筋腐蝕，也用PZT壓電材料開展鋼筋銹蝕發(fā)展過程研究[48]. 由于壓電陶瓷(PZT)具有較好的壓電特性，既可以作為驅(qū)動元件采用主動監(jiān)測，也可以作為傳感器采用被動監(jiān)測，結(jié)合阻抗儀、 聲發(fā)射儀等一起進(jìn)行鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)控成為一種選擇[43, 49]. 這些工作雖然一定程度上解決了鋼筋銹蝕發(fā)展和腐蝕率預(yù)測問題，但是仍然存在以下問題： 1) 鋼筋銹蝕率預(yù)測不夠準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響了鋼筋、 混凝土構(gòu)件/結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與壽命； 2) 鋼筋“脫鈍”是鋼筋性能退化的標(biāo)志，雖然很多學(xué)者取得了大量基于陸地上的研究成果，但尚不清楚海水下鋼筋的脫鈍及其損傷演化規(guī)律； 3) 目前的研究與成果多數(shù)基于陸地上的研究，而海水下的鋼筋性能退化、 銹蝕等損傷演化規(guī)律是否可以直接移植使用，有待于深入研究.

第二類是電化學(xué)檢測法. 通過測定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定混凝土中鋼筋的銹蝕程度或速度，常用方法有極化電阻法、 自然電位法. 電化學(xué)監(jiān)測法利用鋼筋銹蝕電流與電位的變化估算混凝土內(nèi)部筋材銹蝕情況，雖然采用該方法研發(fā)了GECOR8鋼筋銹蝕測定儀[50-51]，但該方法對現(xiàn)場和環(huán)境要求高，預(yù)測銹蝕率偏大. 此外，這些方法都是基于地面上的鋼筋銹蝕研究，且傳感器探頭多為電類，要在水下檢測使用，首先需要進(jìn)行傳感器探頭的防水處理，其次再確定相關(guān)的檢測指標(biāo)與操作方法，否則不適合直接移植使用.

考慮到單一的檢測方法和傳感器通常不能獲取足夠的銹蝕特征信息，以至于難以準(zhǔn)確判斷鋼筋的銹蝕狀況，申家瑋等[52]融合探地雷達(dá)、 半電池電位法、 溫納法及微波濕度法所測得的鋼筋反射的脈沖能量、 銹蝕電位電阻率和銹蝕濕度，并利用基本的邏輯回歸、 決策樹和Boosting模型等機(jī)器學(xué)習(xí)算法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合評價(jià)，其結(jié)果表明，對于小型的異構(gòu)數(shù)據(jù)集來說，邏輯回歸算法比決策樹算法具有更好的適用性，Boosting模型則能使預(yù)測結(jié)果具有更高的靈敏度和更小的誤報(bào)率.

1.4 存在問題

綜上分析發(fā)現(xiàn)，上述的檢測方法為水下結(jié)構(gòu)的安全檢測提供了多樣、 先進(jìn)的技術(shù)手段，然而在實(shí)際應(yīng)用中各檢測技術(shù)的效能還未得到充分發(fā)揮，存在以下5個(gè)方面的問題.

1) 水下結(jié)構(gòu)檢測設(shè)備的檢測效率問題. 水下結(jié)構(gòu)的檢測設(shè)備往往針對各自離散、 獨(dú)立的項(xiàng)目，而水下結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估又需整合這些項(xiàng)目. 這會造成檢測過程的重復(fù)進(jìn)行、 檢測設(shè)備的重復(fù)使用，同時(shí)各項(xiàng)目的檢測數(shù)據(jù)又很難進(jìn)行有效融合，導(dǎo)致檢測效率不高，難以為后續(xù)的評估給出全面、 有效的數(shù)據(jù).

2) 各檢測設(shè)備/技術(shù)的協(xié)同工作問題. 盡管目前以機(jī)器人技術(shù)為載體，可以結(jié)合水下圖像技術(shù)、 水下聲吶及定位技術(shù)等幾種檢測技術(shù)的ROV檢測方法已在水下結(jié)構(gòu)檢測中得到應(yīng)用[53]，但所搭載的各檢測設(shè)備/技術(shù)之間的協(xié)同工作仍是目前ROV檢測方法亟待解決的難題，特別是在水體渾濁、 水情復(fù)雜、 水下結(jié)構(gòu)復(fù)雜(群樁基礎(chǔ))時(shí)，此時(shí)單一檢測技術(shù)無法對水下結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確、 精細(xì)檢測.

3) 光學(xué)與聲吶成像檢測法的融合及病害自動化判定問題. 光學(xué)成像、 聲吶成像檢測獲取的圖像豐富了病害信息，但不同病害的光學(xué)、 聲學(xué)輪廓特征完全不同，而相同病害在不同測量參數(shù)下的輪廓卻有一定程度的相似，這無疑增大了病害檢測與判定的難度. 如何選擇合適的模式分類器模型來融合處理這些圖像與信息，完成病害的自動判定與定位就顯得非常重要.

4) 不同尺度檢測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用問題. 微細(xì)觀尺度檢測結(jié)果，可用于結(jié)構(gòu)局部材料和構(gòu)件損傷表征和推斷，并用于修正有限元計(jì)算模型； 宏觀尺度檢測結(jié)果，可用于判別結(jié)構(gòu)損傷及整體計(jì)算模型的修正. 因此，將宏觀尺度檢測與微細(xì)觀尺度檢測聯(lián)合應(yīng)用才能揭示水下結(jié)構(gòu)性能退化本質(zhì)或其損傷演化機(jī)理，進(jìn)而開展相關(guān)預(yù)后工作研究，但該內(nèi)容的理論研究還不成熟.

5) 現(xiàn)行國家規(guī)范所規(guī)定的檢測指標(biāo)體系的完善問題. 當(dāng)前檢測評估標(biāo)準(zhǔn)中沒有圖像檢測與信息挖掘的任何內(nèi)容，如何將這些檢測技術(shù)與方法及其獲取的信息整合最終形成規(guī)范以指導(dǎo)現(xiàn)場檢測，是目前亟待解決的問題.

2 水下結(jié)構(gòu)的安全評價(jià)技術(shù)

水下結(jié)構(gòu)檢測的目的是為了評定其當(dāng)前狀態(tài)以保障正常運(yùn)營，基礎(chǔ)是監(jiān)測/檢測數(shù)據(jù)，核心和關(guān)鍵是評定模型與方法，需要采取合適的評定模型和評價(jià)方法對水下結(jié)構(gòu)安全狀況及承載能力進(jìn)行評定，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營. 因此，如何有效利用這些反映水下結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間性能的檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)而對水下結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行評分，由此來有效地對橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)作出準(zhǔn)確評估.

2.1 安全評價(jià)方法

近年來橋梁水下結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估得到了人們的重視，主要分為： 打分排序法、 層次分析法、 荷載試驗(yàn)評定法、 專家系統(tǒng)評定法、 可靠度理論評定法和模糊綜合評定法等. 各評估方法對比見表3.

表3 水下結(jié)構(gòu)安全評估方法比較Tab.3 Comparison of safety assessment methods for underwater structures

可以看出，這些評估方法一定程度上解決了水下結(jié)構(gòu)的安全評定問題，而我國現(xiàn)行規(guī)范[2]主要采用打分排序法對橋梁水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)，即首先根據(jù)規(guī)范給定的各項(xiàng)檢測指標(biāo)的評分表對各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)來評定，確定各構(gòu)件指標(biāo)病害的等級； 然后根據(jù)各構(gòu)件的指標(biāo)等級相對應(yīng)的扣分值，計(jì)算各類構(gòu)件、 部件的綜合得分，進(jìn)而給出水下結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況，并將技術(shù)狀況等級劃分為五類.

然而，僅僅依靠專家經(jīng)驗(yàn)或單一的、 固定的數(shù)學(xué)、 力學(xué)模型及層次分析理論、 模糊理論、 可靠度理論等分析模型進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)評估不夠準(zhǔn)確，這是由于水下RC結(jié)構(gòu)受到復(fù)雜環(huán)境、 材料性能退化、 災(zāi)害等不確定因素的影響，實(shí)際評估中主觀因素影響大，隨意性大，缺少明確、 可靠的規(guī)定. 為此，許多學(xué)者在上述評估方法/理論的基礎(chǔ)上，考慮到諸多的不確定性研發(fā)了多種水下結(jié)構(gòu)綜合評價(jià)方法. 蘭海、 史家鈞[58]將灰色關(guān)聯(lián)分析和變權(quán)綜合原理引入到層次分析法中，用變權(quán)綜合原理確定評價(jià)指標(biāo)評語和其他層次指標(biāo)評語，并對其進(jìn)行量化. 很好解決了橋梁各構(gòu)件狀況和綜合決策之間均衡性問題. 考慮到水下結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的特殊性與不確定的系統(tǒng)評估，陳陽等[59]根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合橋梁材料性能退化及病害類型，應(yīng)用層次分析法建立了橋梁水下RC結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的評估模型，并通過專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造了層次分析法判斷矩陣及各個(gè)參數(shù)的權(quán)重，最后進(jìn)行了評估. 而吳松華[60]結(jié)合層次分析法確定各影響因素的權(quán)重，采用模糊綜合評定法，建立了橋梁水下結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)體系. 該體系可以在缺乏大量前期研究基礎(chǔ)和資料的前提下來保證該體系有較客觀且準(zhǔn)確的評定結(jié)果. 近年來，李杰等[61-62]在概率守恒原理基礎(chǔ)上提出了概率密度演化法，并實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)結(jié)構(gòu)的動力可靠度分析，且數(shù)值結(jié)果表明該方法比蒙特卡羅模擬法精度、 效率更高，為解決隨機(jī)概率可靠性問題提供了新思路. 此外，考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與模糊理論在處理不確定信息方面的先天優(yōu)勢，徐建勇等[63]基于《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)(JTG/T H21—2011)》[2]建立了水下結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)將模糊理論與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)橋梁水下結(jié)構(gòu)性能自動評估，一定程度上解決了不確定因素的影響因子問題，減少了主觀判斷對結(jié)構(gòu)安全評定的影響，但其評估模型、 評估體系、 拓?fù)湫问缴形从幸粋€(gè)確定性的結(jié)論，而且其處理過程類似暗箱操作，因此在應(yīng)用過程中的認(rèn)可度還不高.

考慮到目前我國現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范有關(guān)橋梁水下結(jié)構(gòu)評估的規(guī)定較為單一，評估指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)不精細(xì)，評估方法多依賴于決策者的知識與經(jīng)驗(yàn)，評估結(jié)論受人員主觀性影響較大. 作者課題組[64]將正向思維和逆向思維應(yīng)用于水下樁基的安全評估指標(biāo)劃分中，并結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)程的評估指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，制定了一套評估標(biāo)度統(tǒng)一為5類、 區(qū)間劃分清晰的橋梁水下樁基安全評估指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，其主觀權(quán)重見下式：

UW′=λmaxW′

(1)

(2)

(3)

式中：λmax為判斷矩陣U的最大特征值；W′為最大特征值對應(yīng)的特征向量；w′i為病害對應(yīng)的主觀權(quán)重值；n為判斷矩陣的階數(shù)；uij為指標(biāo)值.

同時(shí)為削弱決策者的偏好性，利用熵權(quán)法引入客觀權(quán)重值，見下式:

(4)

(5)

(6)

(7)

最后利用下式綜合考慮兩種權(quán)重值的影響.

(8)

式中：β為權(quán)重線性組合參數(shù)，滿足 0≤β≤1.

其評定模型如圖4所示. 對比《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)(JTC/T H21—2011)》[2]得到的結(jié)果，其評估結(jié)果更有利于發(fā)揮樁基結(jié)構(gòu)的承載性能.

圖4 橋梁水下樁基安全評估模型[64]Fig.4 Safety assessment model for underwater pile foundation of bridges[64]

此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來以鋼筋混凝土非線性有限元分析為基礎(chǔ)的橋梁承載能力分析計(jì)算評定方法有所發(fā)展，該方法的關(guān)鍵是如何用有限元來模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況，如材料本構(gòu)關(guān)系的真實(shí)反映、 損傷位置及損傷程度的真實(shí)模擬、 復(fù)雜作用在簡化結(jié)構(gòu)上的合理表達(dá)、 結(jié)構(gòu)破壞模式的確定等. 上述問題一旦得到解決可省去昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用，避免在實(shí)際試驗(yàn)中對結(jié)構(gòu)造成再次損傷.

2.2 存在問題

以上分析表明，橋梁水下結(jié)構(gòu)安全評估方法取得了長足的發(fā)展，為解決水下結(jié)構(gòu)安全評估問題提供了良好的理論與方法，但仍存在以下不足：

1) 現(xiàn)階段用于指導(dǎo)橋梁評估的相關(guān)規(guī)程的評估過程，嚴(yán)重依賴專家知識和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，主觀性大，病害評估等級不統(tǒng)一, 有些僅是定性描述，未能就水下結(jié)構(gòu)給出詳細(xì)的評估規(guī)定，尚缺乏一套專門針對橋梁水下結(jié)構(gòu)安全的評估方法.

2) 受限于現(xiàn)有的檢測技術(shù)，單一檢測方式難以準(zhǔn)確、 可靠地獲取病害、 缺陷信息，難以進(jìn)行有效評價(jià)，同時(shí)現(xiàn)代檢測技術(shù)的引入，加之橋梁養(yǎng)護(hù)管理的推進(jìn)，產(chǎn)生了海量多源的數(shù)據(jù)和圖像信息，此時(shí)借助單一的理論模型建立的評價(jià)方法難以有效地對水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)評價(jià)，如何融合處理這些海量數(shù)據(jù)并借助各評估理論的優(yōu)勢來評定結(jié)構(gòu)安全是目前所缺乏的.

3 展望

本文對水下結(jié)構(gòu)檢測及安全評價(jià)技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，其研究方法和實(shí)際應(yīng)用得到了長足的發(fā)展. 水下結(jié)構(gòu)具有病害復(fù)雜性、 影響因素不確定性、 檢測技術(shù)多樣性和信息多源性等特點(diǎn)，但目前缺少相關(guān)的處理技術(shù)及融合理論，導(dǎo)致水下結(jié)構(gòu)的檢測評估還有許多難題需要解決.

1) 集多種檢測技術(shù)的檢測設(shè)備研發(fā). 水下結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)評估的準(zhǔn)確與否取決于檢測數(shù)據(jù)全面性與可靠性，為此水下結(jié)構(gòu)檢測需包含多個(gè)項(xiàng)目，為避免檢測過程的重復(fù)進(jìn)行、 檢測設(shè)備的重復(fù)使用，考慮檢測目的(業(yè)主需求)、 檢測技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、 適用條件及相對成本等，研發(fā)具有小巧靈活、 操作簡易、 搭載功能強(qiáng)大等特點(diǎn)的集多種檢測技術(shù)為一體的新型檢測儀器設(shè)備和檢測技術(shù)，使其能在復(fù)雜水域環(huán)境下實(shí)施水下作業(yè)，并能準(zhǔn)確定位、 還原水下結(jié)構(gòu)病害三維尺寸，顯得越發(fā)重要，也是今后重要研究方向.

2) 多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)的研究. 現(xiàn)代檢測技術(shù)的應(yīng)用及橋梁管養(yǎng)政策的推進(jìn)，使得水下結(jié)構(gòu)具有海量的多源數(shù)據(jù)和圖像等檢測信息，最大限度地利用這些數(shù)據(jù)/圖像信息的價(jià)值，深入挖掘數(shù)據(jù)和圖像信息蘊(yùn)含的巨大價(jià)值等將是重要的研究方向，其中，多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)和異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究有利于提升水下結(jié)構(gòu)多源信息的應(yīng)用水平.

3) 多尺度有限元模型研究. 能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的有限元模型是開展結(jié)構(gòu)安全評估及預(yù)后的基礎(chǔ)，為此，結(jié)合多尺度的檢測手段，利用獲取的材料層次各組分微、 細(xì)觀力學(xué)本構(gòu)參數(shù)，賦值予有限元模型，確保有限元模型各單元參數(shù)能夠反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，同時(shí)利用宏觀構(gòu)件層次獲取的數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的有效性，進(jìn)而揭示水下結(jié)構(gòu)性能的退化機(jī)理，開展安全評價(jià)及預(yù)后研究，是另一研究方向.

4) 融合多源數(shù)據(jù)的水下結(jié)構(gòu)安全評價(jià)模型研究. 水下結(jié)構(gòu)的檢測過程累積了海量的光學(xué)圖像/視頻、 聲吶圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及力學(xué)指標(biāo)、 材質(zhì)指標(biāo)、 缺陷尺寸等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，改變當(dāng)前單一檢測數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估，利用多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，提出能充分挖掘和融合這些多源海量數(shù)據(jù)/圖像信息的水下結(jié)構(gòu)安全評估理論模型和方法，是未來的發(fā)展趨勢.

5) 融合多種評估理論的水下結(jié)構(gòu)安全評價(jià)研究. 水下結(jié)構(gòu)評估考慮的因素繁雜，僅依靠固定的數(shù)學(xué)、 力學(xué)模型及單一的專家經(jīng)驗(yàn)、 模糊理論、 可靠度理論等評估方式不能有效、 準(zhǔn)確地開展水下結(jié)構(gòu)安全評估，為此，結(jié)合各評估方法和評估理論的優(yōu)勢，并引入現(xiàn)今先進(jìn)的計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)，提出融合多種評估方法和理論的水下結(jié)構(gòu)安全評價(jià)方式，建立一套智能化水下結(jié)構(gòu)評估方法是亟待研究的內(nèi)容.

總之，水下結(jié)構(gòu)檢測和安全評價(jià)技術(shù)研究需多學(xué)科理論和方法的交叉融合，突出機(jī)理機(jī)制研究與理論方法創(chuàng)新，充分利用好人工智能和信息融合技術(shù)，才有利于提升水下結(jié)構(gòu)檢測與安全評估的技術(shù)水平，降低橋梁水下結(jié)構(gòu)服役過程中的風(fēng)險(xiǎn).