王毅娟    王健

　�。ū本┙ㄖ�工程學(xué)院   北京市，100044）

　　摘要：為了確保已建的橋梁具有良好運營(yíng)狀態(tài)和正常使用功能，應利用橋梁檢測與監測技術(shù)及時(shí)發(fā)現和控制早期病害。本文扼要說(shuō)明了一般橋梁檢測的方法與內容，并著(zhù)重介紹了近年來(lái)檢測與監測技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用。

　　關(guān)鍵詞：橋梁    結構    檢測     監測    技術(shù)

　　引言

　　對已建橋梁進(jìn)行檢測的技術(shù)主要包括兩個(gè)內容，即橋梁檢查和荷載試驗評定。

　　橋梁檢查是進(jìn)行橋梁養護、維修與加固的前期工作，是決定維修與加固方案可行和正確與否的可靠基礎。其目的在于：通過(guò)對橋梁的技術(shù)狀況、缺陷和損傷進(jìn)行全面、細致、深入地現場(chǎng)檢查，查明缺陷或潛在缺陷和損傷的性質(zhì)、所在部位、嚴重程度及發(fā)展趨勢，分析產(chǎn)生缺陷、發(fā)生損傷的原因，以便正確評價(jià)缺陷和損傷對橋梁質(zhì)量及承載能力產(chǎn)生的影響，并為橋梁加固和改造技術(shù)提供具體技術(shù)資料。與此同時(shí)，還能隨時(shí)掌握結構的技術(shù)狀況和安全狀態(tài)，總結設計、施工、使用和維修的經(jīng)驗和教訓，指導對橋梁的正確使用、管理和維修。

　　橋梁檢查一般根據方法的不同可分為直接接觸式檢查和不接觸的檢查兩種。前者就是對結構損壞部位進(jìn)行接觸量測、標記、安設檢測儀器的檢查。后者則是在視野所及的范圍內憑目力（或望遠鏡）眺望掃視。

　　根據檢查重要程度的不同以及時(shí)間間隔的長(cháng)短，橋梁檢查工作又可分為和定期檢查。一般檢查也叫經(jīng)常性的檢查，可每個(gè)月或幾個(gè)月一次，屬于一般性的巡視檢查，在我國通常由養護道班來(lái)完成。定期檢查也叫詳細檢查，可幾年一次（一至三年），或周期更長(cháng)一些（五至七年）一次。定期檢查要較為詳細地檢查橋梁結構各個(gè)部位的使用狀況，必須采取接觸檢查，且需要動(dòng)用特殊的機械設備與測量?jì)x器。還有一種特殊檢查是指在特殊情況，如：暴雨、洪水、地震等災害發(fā)生之后對橋梁結構進(jìn)行的檢查。

　　對于橋梁的管理、評估或修復計劃來(lái)說(shuō)，“一般檢查”所收集的信息太概括、太主觀(guān)、太定性，因它多是通過(guò)表觀(guān)檢查，以及一些有限的機械方法如聽(tīng)錘敲的聲音所得到的，而且它難以發(fā)現不可見(jiàn)的老化、損壞和危險情況。但要頻繁實(shí)施詳細的“定期檢查”也是不現實(shí)的。另外，通過(guò)檢查發(fā)現損傷后，要進(jìn)一步判斷是否需要修補，還應進(jìn)一步觀(guān)察損傷的進(jìn)展狀況；而且進(jìn)行補修后，為確認其補修效果，也必須對橋梁結構繼續監測。因此，對橋梁結構進(jìn)行“長(cháng)期跟蹤監測”, 以便獲取綜合的、定量的檢測信息，已成為橋梁工程界提高通行質(zhì)量、進(jìn)行資產(chǎn)管理、對實(shí)際橋梁壽命周期的分析或制定橋梁性能方面的規范等方面的迫切需要。

　　1.雷達與紅外熱象儀檢測技術(shù)

　　用于預測橋面病害的一般方法是：測量氯化物含量和電勢，并進(jìn)行肉眼觀(guān)測，這樣既費時(shí)又妨礙交通。更糟的是它不能就瀝青橋面鋪裝的整個(gè)病害情況提供準確數據。因只把注意力集中在由于腐蝕而導致的頂面鋼筋保護層的層裂上，而忽視了由于凍/融循環(huán)造成的瀝青鋪裝層下的混凝土裂崩的檢測。

　　使用雷達、紅外熱象儀、激光光學(xué)、超聲波和其它一些心得技術(shù)手段可在僅僅一天之內就能準確地測量成百上千公里路面或幾十座橋的橋面。

　　“紅外熱象儀”是利用一臺紅外攝像機來(lái)產(chǎn)生一幅橋面溫度圖的。這種溫度圖象揭示了在陽(yáng)光照射下混凝土裂層之上哪個(gè)的橋面“熱點(diǎn)”.這種溫度較高的“熱點(diǎn)”是由于薄的充滿(mǎn)空氣的裂層就象絕熱體一樣，使得其上的混凝土的溫度上升得更快些而形成的。“雷達”的工作原理是發(fā)射短促的電磁脈沖，然后由這些電磁脈沖形成的電磁波可被混凝土中的各種異質(zhì)界面反射回來(lái)而產(chǎn)生回波。雷達回波的交替變化之波形和混凝土發(fā)生病害及出現層裂后狀況有密切的對應關(guān)系（但解釋判讀困難）。將雷達檢測混凝土的凍/融裂崩和高含水量以及紅外熱象儀在干燥情況下檢測混凝土層裂這兩種方法結合起來(lái)就可以創(chuàng )造一種有效地檢測大多數病害類(lèi)型的檢測方法。

　　2.光纖傳感器監測技術(shù)

　　一般用于結構監測的傳統傳感器，其測量能力只局限于逐點(diǎn)檢測，當臨界斷面檢測得不準確時(shí)，其結果就會(huì )很不理想。當需要對大型結構如橋梁的狀況進(jìn)行評估時(shí)，傳感器具有的大面積檢測的能力就顯得最為重要。任何監測系統都必須具備在較長(cháng)時(shí)期內提供可靠、精確和長(cháng)期的檢測結果，這樣才能保證結構處于高度的安全狀態(tài)。       安裝了這種監測系統后，任何結構存在的問(wèn)題都可以較早地被發(fā)現，以便采取必要的修復措施，從而保證結構使用的連續安全性，使結構的性能得到最佳管理，并減少使用費用。

　　光纖傳感器是運用了光纖的兩個(gè)特性來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)測量的。

　　2.1  股絞光纖傳感器

　　運用光纖的 第一個(gè)特性：光損矢量的測量，這是因為纖維某些局部產(chǎn)生微上彎曲后所造成的。通過(guò)比較傳感器在拉緊和放松狀態(tài)下其出射光的密度，就可確定入射光在整個(gè)傳感器中所發(fā)生的變化。這種傳感器被稱(chēng)為“股絞光纖傳感器”.

　　光損法（LAM）可以測量出整個(gè)傳感器上任何位置的動(dòng)態(tài)狀況，其精度為±0.02mm,長(cháng)達30m的單個(gè)傳感器都可達這一精度。但卻無(wú)法提供傳感器內部的應變分布情況，即哪些部位正產(chǎn)生變形。而使用光時(shí)反射計設備（OTDR）就可達到要求，該設備將光脈沖（毫微秒長(cháng)）傳入傳感器，然后測出光從變細（形）位置處反射后的傳輸時(shí)間，光脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的這些反射使變形位置得以確定。其誤差為±0.75m,從而提供了整個(gè)傳感器長(cháng)度內的主要變形情況。

　　2.2 改型股絞光纖傳感器的應用

　　股絞光纖傳感器（SOFS）可以較容易地改型，使能適于監測結構的長(cháng)期性能。

　　該SOFS以節點(diǎn)式附在結構上，讓它來(lái)確定傳感器中變形分布情況�？芍苯佑铆h(huán)氧樹(shù)脂將節點(diǎn)附著(zhù)混凝土表面，或被固定在擰緊和粘結在結構物的薄板上。節點(diǎn)可設計成移動(dòng)式的，以便在最后調試階段根據需要可以重新校準傳感器。在每個(gè)傳感器的末端可直接用一個(gè)盒子連接并固定或粘結在結構物薄板上，這種盒子用于傳感器之間的連接（這種傳感器具有3根纖維）。延長(cháng)的光纖可傳輸光往返于數據記錄儀，這些傳感器本身也被裝入一根起保護作用的硅管中，這樣，整個(gè)傳感器系統被固定在管道中，然后再將該管附著(zhù)在結構物的表面，或固定在在結構物表面上的線(xiàn)道或鑲鑄的槽中，再用適當的修理灰漿進(jìn)行覆蓋。

　　股絞光纖傳感器具有很低的熱脹率，與不脹鋼類(lèi)似。通過(guò)監測相關(guān)的溫度斷面即可得知混凝土中高溫運動(dòng)的情況并給予調整。因而掌握了結構性能的最新需求情況，監測結果提供了與非高溫下結構的反應及荷載條件相關(guān)方面的信息。

　　2.3  多層反射傳感器（MRS）

　　運用光纖的第二個(gè)特性就是利用光沿傳感器到達部分反射竟，再反射回光源處的傳輸時(shí)間。OTDR設備也可用于測量，但是，MRS可獲得更理想的精度。沿傳感器長(cháng)度方向安置了許多反射鏡，每個(gè)反射鏡的位置都可以確定。這些反射鏡位置的測量精度在±0.15mm內，無(wú)論是長(cháng)期測量或是短期測量，這一精度是不變的。通過(guò)用這些傳感器來(lái)替換由7根鋼索組成的預應力股絞的中心鋼索可以監測到股絞中的應變分布：這種股絞被稱(chēng)作“智能股絞”.結構受力部位由于其本身已安置有測量設備，因而使得鋼筋束（股絞是其中一個(gè)重要組成部分）能在整個(gè)使用期內和其整個(gè)長(cháng)度上得到監測。對于多層反射傳感器的長(cháng)度是沒(méi)有限制的，這種傳感器唯一受限制是反射鏡的數目，最多為30個(gè)。

　　利用光損法（LAM）和光傳輸時(shí)間的原理可以制成許多傳感器--如裂縫寬度傳感器和光能轉換器。

　　3.無(wú)線(xiàn)電檢測與評估系統

　　對于年代較早的鋼橋（舊鋼橋）來(lái)說(shuō)，“疲勞破壞”是一個(gè)大問(wèn)題。因此，隨時(shí)監測（測量）并描述橋梁所承受（發(fā)生）的隨機振幅變化、周期性壓力變化是（非常必須的）必不可少的。目前的檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以有助于控制鋼橋疲勞破壞的階段。例如，美國聯(lián)邦公路局開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)電橋梁檢測和評估系統，是一個(gè)便攜的、電池供電、使用無(wú)線(xiàn)電遙控技術(shù)的數據收集系統。它非常像一個(gè)數字式多分支的電話(huà)網(wǎng)絡(luò )，用以收集數據并傳遞到一個(gè)筆記本電腦上。這種特殊的無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )對靜電和障礙物是“免疫”的（靜電和障礙物對這種特殊的無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有影響）。除了收集數據之外，每個(gè)模塊充當了地區無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )中無(wú)線(xiàn)電波上的一個(gè)結點(diǎn)。這對于鋼橋是十分重要的，鋼橋在長(cháng)度上往往大于1.6公里，而較長(cháng)的橋上往往有大量的電磁干擾和復合反射，用這種技術(shù)可以迅速地測量出一座鋼橋上每個(gè)有疲勞傾向的部位、破損（危險）的部位，或者探測出橋梁在車(chē)載和風(fēng)載作用下的工作狀況。

　　無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以定量的確定有疲勞傾向部位的疲勞荷載方式，但是它不能確定疲勞裂縫是否在此荷載作用下的生長(cháng)。就象反復彎曲一根金屬絲可以讓它斷開(kāi)一樣，反復的周期性的疲勞荷載可以導致鋼橋結構（構件）出現裂縫。這些裂縫不會(huì )連續“生長(cháng)”,而是以很細微的程度在擴大。裂縫的擴大在（結構）構件表面（層）會(huì )伴隨著(zhù)能量的釋放，產(chǎn)生出應力波。利用專(zhuān)門(mén)根據上述原理改造的感測器，就可以發(fā)現應力波。

　　聲發(fā)射檢測（AE）方法已經(jīng)在能源和加工工業(yè)中使用了很久。盡管如此，AE儀器，在過(guò)去還是不適于長(cháng)期監測公路橋梁的疲勞裂縫。大多數橋梁上缺少電源，儀器接近橋梁的每個(gè)地方也有困難，非常大的路面噪音以及最重要的原因--橋上的任意荷載中的極大荷載會(huì )使裂縫伸長(cháng)，都會(huì )影響AE在橋上的工作。但是，最近一種由電池供電、有8個(gè)頻道、用于檢測橋梁的AE已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且正在美國聯(lián)邦公路局的非破壞評估論證中心進(jìn)行測試和評估。這個(gè)系統可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )調制解調器和無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )傳送信息。

　　雖然上述兩個(gè)系統非常的好用，但它們造價(jià)十分昂貴，而且由于是電池供電使它們只能進(jìn)行短期監測。為此，一種全無(wú)（電）源的、便宜的感應器開(kāi)發(fā)出來(lái)，滿(mǎn)足了測量橋梁疲勞的長(cháng)期需要。這種感應器貼在橋上并且與橋梁一起承受應變。它由一個(gè)特殊的應變增幅裝置和兩個(gè)預先裂開(kāi)的樣片合成一個(gè)整體去測量裂縫長(cháng)度。樣片由兩個(gè)開(kāi)裂增長(cháng)長(cháng)度不同的材料組成。這些“人造疲勞裂縫”隨橋上因隨機振幅而改變的應變而產(chǎn)生變化（反應）。通過(guò)一個(gè)特殊的雷達測量?jì)蓚�(gè)樣片的裂縫長(cháng)度，可以得到預先確定的應力范圍內的有效周期值。這個(gè)感應器就像一個(gè)疲勞程度的里程表。

　　4.感應檢測技術(shù)

　　公路橋梁的感應檢測技術(shù)的應用是廣泛的。在華盛頓特區，Whitehurst高速公路上的一座立交橋的翼墻因較大的靜水壓力而產(chǎn)生了位移。對此，有關(guān)方面已經(jīng)采取了補救措施。業(yè)主還希望能設法監測到翼墻相對于橋臺的位移�？紤]到周?chē)�的環(huán)境對技術(shù)要求和結構的部位，因此需要一種可靠而且便宜的感應器。在幾周的時(shí)間內，非破壞性評估驗證中心構思、設計、制造并安裝了一種便宜的位移感應器。這個(gè)感應器由一個(gè)扁平的鋁板粘到混凝土上并且相距鋁板有很短一段距離設置了一個(gè)小的印刷電路板線(xiàn)圈。線(xiàn)圈和鋁板形成感應的振蕩器部分。振蕩器的頻率隨鋁板與線(xiàn)圈之間距離的改變而改變，百分之一英寸的距離都可以檢測出來(lái)。感應器是溫度補償型的。對翼墻的監測已經(jīng)進(jìn)行兩年多了，十分有效。

　　當預應力混凝土梁中的高強鋼筋由于銹蝕斷裂時(shí)，會(huì )釋放出突然且巨大的能量，其產(chǎn)生的應力波會(huì )在建筑物中向外傳播。因此，根據這一原理，利用象加速計一類(lèi)的感應器是可以探測到鋼筋的斷裂狀況。通過(guò)分析信號到達的次數，可以確定出斷裂發(fā)生狀況，而且可以確定斷裂發(fā)生的位置。這種方法很象利用地震儀的網(wǎng)絡(luò )系統，確定地震發(fā)生的位置和地震的強度。這樣的系統目前已經(jīng)可以買(mǎi)到，并且已經(jīng)開(kāi)始在橋上使用了。

　　探測到鋼筋的斷裂狀況，無(wú)疑是非常有用的。而在破壞發(fā)生前，探測出并確定銹蝕程度的技術(shù)更有用。一種新型埋入式銹蝕感應器已經(jīng)在美國聯(lián)邦公路局的參與下開(kāi)發(fā)出來(lái)了。這種感應器可以澆筑在混凝土中，在混凝土中測量鋼筋銹蝕的比率、混凝土的導電率、氯離子濃度等。這種感應器很小并最終由無(wú)線(xiàn)電頻率來(lái)加強。系統可以根據需要來(lái)定做電路，使其小型化�？梢园葱枰獙�幾百或幾千個(gè)這樣的感應器埋置在橋內，在（大規模）大的損害發(fā)生前提供銹蝕的定量性信息。

　　目前橋梁的維修自動(dòng)化需要的基本信息，被當作美國基礎研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，這必須由感應和測量的高科技技術(shù)來(lái)提供。

　　5.其他新技術(shù)

　　在世界上許多地方，對整座橋梁狀況的監測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到在大型結構物上安裝系列大規模的監測系統。例如，橫跨特拉華連接賓夕法尼亞和新澤西的巴里橋上就已經(jīng)安裝并運行著(zhù)這樣的一個(gè)系統。然而，盡管這種方法很有前途，但這種技術(shù)的全部潛在可能尚沒(méi)有被完全發(fā)現或肯定，并且其重要的部分仍處于研究階段。這種系統的傳感器網(wǎng)絡(luò )傳遞出的大量數據信息，由計算機進(jìn)行收集、儲存、分析、檢索等，然后提供檢測信息。事實(shí)已經(jīng)證明，該系統所提供的信息是非常有用的。例如，這些系統檢測到了未曾預料到的受彎構件由于暴露在陽(yáng)光下，所受光照輻射程度不同而產(chǎn)生的彎起，并且確定了彎起量的大小。

　　此外，對橋梁結構的承載能力的“非侵入式”檢測也是橋梁工程界的迫切需求。通常，一座橋梁如果不符合標準承載要求，說(shuō)明該橋有某種結構上的缺陷。美國聯(lián)邦公路局為此將激光檢測系統用于檢測橋梁的承載能力。這套系統由一個(gè)電腦控制的反射器將紅外線(xiàn)的激光束（該激光束不會(huì )對人眼產(chǎn)生危險）瞄準橋梁上的（監測）某點(diǎn)。當激光檢測到橋梁結構上的某個(gè)點(diǎn)，系統就會(huì )馬上給出該點(diǎn)相對于當地坐標系統的三維坐標。僅幾分鐘的時(shí)間內，系統可以測量橋結構上不同的點(diǎn)幾百次。它對目標沒(méi)有特別的規定，在普通鋼材、混凝土和木材表面上都可以很好的工作。用這個(gè)系統可以迅速地測量大型卡車(chē)作用在橋上使其產(chǎn)生的三維變形。這個(gè)系統還可以用于迅速確定橋上每一部分對應先前（上次）檢查的（變位）位移情況，結果可以精確到毫米。該系統還能探測到沉降或預應力損失。

　　另一項新技術(shù)是“智能橋梁支座”,通過(guò)它人們可以收集到許多必不可少的橋梁工作信息。我們知道某個(gè)支座失效和由此導致的結構中的巨大應力變化，是橋梁毀壞的一個(gè)很普遍的因素。智能支座能通過(guò)支座上的活載和恒載的分布發(fā)現并判斷出橋梁結構體系的工作狀況。因為如果結構構件的強度由于遭受斷裂、沖擊或其他影響而有明顯變化時(shí)，也會(huì )使支座上的荷載分布發(fā)生改變。智能支座可以“感受到”橋梁的破壞。這種技術(shù)是復雜的，但其概念是簡(jiǎn)單的。支座的“智慧”由多個(gè)縱向的光學(xué)纖維感應器提供，它們能測量垂直應變和剪力，并且被綜合到一塊控制板上。專(zhuān)門(mén)的控制板轉而被組合到支座上，控制板通常壓成薄片，再將薄片置于常用于公路橋梁的氯丁橡膠支座墊層之間，通過(guò)它還可以測量從橋梁上部結構傳遞下來(lái)的豎向和橫向壓力。

　　6  結語(yǔ)

　　隨著(zhù)道路交通建設的發(fā)展，以及橋梁使用年齡的增長(cháng)，結構老化的數量越來(lái)越多。舊橋梁結構的維修和改造都需要事先對結構狀況進(jìn)行監測、檢測與評價(jià)。雖然目前已有不少可以應用的檢測評價(jià)方法，但有些技術(shù)仍需進(jìn)一步完善才能達到普遍應用的階段。特別是為隨時(shí)了解橋梁結構的工作狀態(tài)，確保其長(cháng)期使用性能，必須使用永久的監測設備。因此，橋梁結構的長(cháng)期監測與診斷技術(shù)目前變得越來(lái)越重要了。橋梁檢測工作者們還需繼續努力，研究與開(kāi)發(fā)出更加實(shí)用方便的橋梁檢測技術(shù)與監測設備。

　　參考文獻：

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　　[2]光纖傳感器在橋梁監測中的應用 《國外橋梁》1994.4

　　[3]張紅  編譯  介紹一種用傳感器預測瀝青橋面鋪裝病害的新方法   《國外橋梁》1994.1

　　[4]楊文淵 《橋梁維修與加固》人民交通出版社1997.6

　　Tracing the Development of Technology

　　of Inspection for Bridge in Modern Times

　　Wang yijuan   Wang jian

　�。˙eijing Institute of Architectural and Civil Engineering, Beijing 100044,China）

　　Abstract: To insure built bridge to keep good running status and normal functionality, it's important to find out and control early diseases in time by using the technology of inspection of bridge structure. The paper discusses current status of method of inspection and emphasizes the development and application of long-term inspection technology for bridge structure.

　　Key words: Bridge; Structure; Inspection; Supervision; technology