公路桥梁无损检测技术及应用

景运峰

0 引言

近年来，随着我国现代化建设事业的快速发展，桥梁使用年限的增长，以及交通荷载的增加，桥梁出现病害和损伤的数量越来越多。对旧桥梁结构进行维修和改造之前，必须完成对桥梁结构状况进行监测、检测与评价。

传统的外观肉眼检测不能提供可靠的损伤证据，传统的钻孔检测对桥梁结构有一定的损害且检测精度受钻孔位置的制约，难以准确全面反映桥梁的整体健康状况。因此，桥梁的无损检测技术(NDT)有较大的发展空间，包括超声检测、红外检测、声发射、自然电位检测、冲击回波检测、X射线检测、光干涉、脉冲雷达、振动试验分析等。

在公路桥梁结构中应用NDT，可以提高新建结构质量的安全性;可以提供结构损伤的标志，例如，污染程度，钢筋混凝土桥梁的氯侵蚀程度;可以记录支座处的声发射，反映了裂纹或过大的摩擦力或从垫层支座正在扩展的裂纹。无损检测的这些结果可以作为结构评估的辅助。

在一些情况下，与侵入检测相比，无损测试更快捷，缩短了测试期间的交通管制时间，从而降低了成本。雷达可以快速扫描潜在的结构空洞，雷达在NDT中的使用证明了NDT的速度和便捷性。声传播的使用进一步说明了调查的有效性。声传播可以用于检测长护栏的潜在腐蚀。随后可对疑似区进行更细致的检测，例如使用钻孔、直接量测和超声技术来确定未腐蚀厚度。NDT间接测量了外形特征，测试结果依赖于信号在结构内非连续区的反射时间。该信号的速度依赖于结构材料的性质，该性质不一定明确。因此，需要专业知识和经验来解释收集的数据，并判断在物理特征或材料性质方面的意义。

通常情况下，进行无损测试时，将无损测试设备置于结构附近，正对结构或固定结构表面。无损测试最大的优点在于对结构不会造成损伤，从而避免了对可能已有损伤的结构的削弱。NDT技术并没有确定性的答案，还应该参考其他信息来评估结构的整体情况。

通常，为了校正NDT的结果，有必要对结构物进行选择性损伤检测。本文主要介绍了几种在桥梁检测中典型NDT测试方法，以推广NDT在桥梁结构检测中的应用。

1 回声波检测法

回声波法检测原理是:通过在结构上作用一个短的持续作用，产生应力(声)波，通过结构，并由缺陷和外表面反射。假如声阻力不同，这些低频率应力波以不同速度传播。采用传感器记录表面移置，表面移置是由反射波到达冲击表面引起的。将振幅和频率保存于后处理中。空洞检测的准确性可以用可检测到的最小侧向空洞尺寸来表示。根据冲击器直径的变化，出入频率有所不同，即冲击器直径越小，冲击器的频率越高，分辨率越高，但是穿透深度越小。

回声波具有显著的优点。因为没有放射性或X射线的危险，该方法的使用安全能够得到保证。该方法能够检测到在金属和塑料管道中空洞的出现、空洞的深度、与加强区的距离及单元的厚度。回声波法检测法风险低，仅需要一面的检测通路，能检测金属和塑料管道中的空洞。然而，该方法仅能检测到大尺寸的空洞。

回声波可检测到空洞的最小尺寸往往大于很多管道中空洞的直径，并且大于对钢筋耐久性有重要影响的空洞尺寸。在关键截面区，很多管道都不能从下端背面进行检测。如果仅限制到从一面观察，这进一步减小了潜在的缺陷范围。不能检测到水充满于空洞的情况。除了初始空洞表面信息以外，不能提供其他结构信息，如果假定从底部表面和水平表面测量，可能导致管道尺寸减小。该方法并不像冲击雷达一样速度很快，并且需要管道尺寸等信息来帮助解释说明。布置拥挤的管道和加固区都可能给检测增加困难。

2 探地雷达(GPR)检测法

GPR是一种电磁回声方法。采用一个传感器(发射器或者接收器)，该传感器以某一指定速度穿过结构表面。声波较短的持续脉冲能量得以传播，同时接收器接收从材料表面和结构特征处探测到的反射信号。这些信号带有不同的介电常数，例如被埋藏的金属物体或者空洞。收集到的数据是一个有效的连续截面。信号的振幅，阶段和连续性受到材料类型这一因素的影响，信号的连续性受到构件形状的影响。无线脉冲传播时间受到层厚度或者埋藏特征的影响。GPR是一种低风险的检测方法，主要应用是在使用其他可选方法前，定位管道和加固区。

GPR检测法产生高频电磁冲击脉，通过天线在结构内传播。这些电磁波有一部分在界面改变处反射和折射，因为在界面改变处介电常数有所改变，并且由一个接收器记录下来。如果接收天线是常用的单声道操作(反射模式)，发射天线可以和接收天线布置于同一外壳。集合系统往往在表面扫描而过，来确定反射信号的雷达追踪。各种典型的天线频率在100mHz～1 500mHz之间，用于调查不同结构形式和材料状况。

GPR检测法能够有效绘制空洞或剥离程度，速度快，覆盖范围广。因为没有放射性X射线的危害，GPR检测方法的使用安全可以得到保证，尤其适用于检测很多通道条件苛刻的结构，或者适用于不能有损伤的内部结构。GPR检测法能很好的确定金属管道的位置，并且很可能成为后张混凝土桥梁结构应用的主要方法。在完全灌浆的塑料管道中，该方法能够定位金属管道，加固区和钢筋。

GPR检测法的适用范围如下:

1)用于低分辨率下的深度探测;

2)在浅穿透下用高分辨率;

3)用于检测“隐藏”特征，例如，拱肩墙。

GPR检测法的应用在一些条件下受到了限制。GPR检测法不能够穿过金属检测空洞，结果对空洞的深度很敏感，对突出的小尺寸不是很敏感。此外，GPR检测法在潮湿环境中不能工作，不能用于低于0℃以下，在深度浅处需用高分辨率。

对于其他NDT技术方法而言，例如回声检测法和超声波传输法，设备的选择、数据的解释、准确定位管道和加固都是重要的工作内容。所以，在决定使用这些方法之前，应该在现场处理GPR数据，作为参考。对于和金属管道中空洞交叉的钻孔，GPR也有意义，并且可以减少无效钻孔，也可以减少钢筋的损伤。

3 射线探伤法

射线探伤法将底片置于混凝土构件后，通过对敏感底片发射X射线或伽玛射线，从而生成含空洞的图片。射线探伤法可以确定空洞程度和断裂钢筋的位置。适用于桥梁交通开放的情况，并可以从图书馆在线快速获取图像。理想条件下，图片准确无异议。这种方法所需的操作人员数量较少。但射线探伤法需要很多强有力的探射源穿透厚截面，或者获得实时图像，从而增加了成本，使结构健康和安全预防措施更加严格。采用射线探伤法可以获得清楚的图片，但如果截面厚，或与管道或钢筋交错布置时，就不宜用图片说明。放射源放射出的伽玛射线最大能够穿透150mm的铱，400mm的钴，并且必须能机械化的放置于带有护套的盒子中。X射线源的穿透能力达1 500mm，并且能够自动关闭，这是该方法的一个显著安全优势。当通道便捷，并且安全情况理想时，射线探伤法能提供便于解释说明的图片。证明了这种方法是一个适用性很强的NDT技术。

4 工程应用

以后张混凝土梁为研究对象，用回声波法进行无损检测。在后张法中，钢筋的作用是承受荷载。混凝土干了之后，将钢筋植入事先埋入的管道内，然后进行张拉，固定于构件的两端。之后在高压下将水泥灌浆注入管道，在钢筋和混凝土之间形成粘合剂，并填充所有空洞。灌浆中留下的任何孔洞都可能导致钢筋的腐蚀和结构的最终倒塌。这个案例的目的在于，进行实验室试验，分析冲击作用下反射信号，探测后张混凝土梁中的孔洞。

为了模拟不同的检测过程，建造了若干已知缺损的试验性测试横梁。横梁为具有现实代表性的后张桥横梁。通过比较分辨率，选择合适的球轴承，以及所需波长(高分辨率=短波长=较小球轴承)和穿透深度(较强穿透性=长波长=较大球轴承)。横梁上所用的较合适的球轴承是直径为10mm的球轴承。

试验过程中，通过一个传感器计算混凝土的速度，记录通过固体混凝土区域的频率，由此测量速度。在实地探测时，测试的是横梁的侧面而非顶部，因为实地探测时很难接近顶部。测试发现，被测的所有横梁上的后部墙的频率(fT)与同批混凝土所铸造的横梁的频率相同。

由试验得出中空管道的频率响应。试验结果表明，初始峰值(fT)已经从4.9(普通混凝土)开始变动，在更高频率处会产生一个峰值，这典型代表了中空管道。中空管道和灌浆管道之间的差别很容易辨别。纯净输入信号和有效反应信号的成功利用率是变化的，这取决于操作员。无效波形很容易从较好的重复性波形中区分出来。接着测试另一种横梁，它一半灌满灌浆，另一半是空的(通常，管道上部的一半是空的)。探测横梁的总长度，以确定这种方法是否能鉴别部分灌注的管道的位置。这些测试的结果表明，即使管道是用塑料制成的，也能辨别出完全充注管道和完全中空管道的差别。

5 结语

桥梁检测是一个多学科交叉的系统工作，需要各个环节协调配合才能达到一个有效的效果，本文主要介绍了几种无损检测技术的概念、原理和特点，并通过实例进行无损检测的应用说明，为工程人员提供桥梁无损检测技术信息参考。

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