钢构桥中无损检测与加固技术的应用

文/陈礼鹏 广西南宁市第二中学 广西南宁 530000

1、引言

钢构桥（steel bridge），全称为钢结构桥梁，该类桥梁的主要承重结构采用钢材。最初的钢构桥诞生于第二次世界大战初期，由英国工程师唐纳德·贝雷设计。近几十年以来，钢构桥在世界范围内取得了迅猛的发展，较为广泛地应用于工业领域。钢构桥的快速发展和广泛应用，客观上增加了其发生质量事故和安全事故的可能性。因此，桥梁领域的专家、政府以及普通民众，越来越注重钢构桥的使用质量和安全运行。本文在总结钢构桥的主要病害类型[1]的基础上，针对性地在阐述钢构桥中所应用的无损检测技术[2][4],从而引出运用加固技术对钢构桥进行加固的需要[3]，最终是为了达到保证钢构桥稳定运行和延长钢构桥寿命。

2、钢构桥主要病害

2.1 组件变形

各种形式的钢构桥所共有的重大潜在病害之一是组件变形。随着时间演变，钢构桥横向刚度降低，同时在重载荷（如重型卡车等）的作用影响下，斜支撑构件等作用点为主梁(桁架)中心的组件，将逐渐发生翘曲或弯曲。车辆通过钢构桥所形成的作用力，由于这垂直杆和桁架对角线等组件相对的刚度较低，而且直径较小比较细长，一旦受到较大的外界作用力，就会形成组件结构的变形或裂缝、甚至导致断裂。

2.2 裂纹裂缝

桥梁产生裂纹或裂缝最常见的情况主要是两个：（1）焊口开裂。钢构桥的主要作业任务之一是桥梁的焊接，几乎遍布桥梁的各个连接位置，而焊接施工或焊接材料的缺陷有可能导致焊口的开裂，严重的焊口开裂除了会引发钢构桥整体力学结构的连锁反应，还会提供开口让水分及酸性气体会渗入，进一步引发钢材的锈蚀；（2）应力集中开裂。腐蚀的部分，或高残余应力，或应力集中，造成钢构桥关键焊接位置的疲劳应力，进而引发开裂。世界范围内大型所发生的钢构桥主梁坍塌事故中，关键问题在于桥梁发生了刚性断裂，追根溯源是由裂缝导致。

2.3 涂层腐蚀

在不透风、有积水的地方，钢构桥的油漆涂层的完整程度（锈斑、起皮和剥落等），可以反应钢构桥的涂层腐蚀情况。对于钢材的剩余厚度的检测，在具有严重锈蚀的区域尤为必要，因为断面经腐蚀后的剩余尺寸对特定的钢结构影响很大 [1]。钢材的腐蚀是湿度和温度的共同作用导致，对钢板的除湿工作是确保桥梁钢板不发生锈蚀的重要基础，保持钢板的表面干燥是防腐的要点。桥梁的承载能力会因此大大降低，主要是因为钢材的刚度受腐蚀的严重影响。质量检测时要全面检测钢构桥的腐蚀情况，因为其各个部位都有可能产生腐蚀。

3、钢构桥无损检测

无损检测，是指在以不损坏目标对象为前提所进行的质量检测[2]，实施手段主要为化学或者物理方法，通过借助科技设备和技术，测试和检测目标的表面以及内部的物理状态和几何结构。本文着重介绍用于钢构桥的射线检测技术、涡流检测技术、超声波检测技术和金属磁记忆检测技术[2][3]，除此之外，无损检测技术还有磁粉检测技术和渗透检测技术等[2][3]。

3.1 射线检测技术

射线机发出射线，由于钢构桥部件中的不均匀厚度差，导致逐渐衰减和被吸收。根据钢结构不同部位所吸收和反射的光子数量不同的原理，将不同的射线强度记录在介质上，能够据此定量分析钢结构构件的缺陷及其程度[3]。包括钢材在内的所有的材料都可使用射线检测，根据底片形成图像，实现精确定量记录缺陷，且易于长期保存。无损性是其突出优点，有广阔的应用范围，可长期保存底片数据，直观清晰地显示结构图像，以供支撑分析日后的潜在相关事故等。然而其弊端也较为明显——（1）射线检测发射的射线，对人体在内的生物体会造成一定程度的损伤，也会对环境造成一定程度的污染；（2）必须要采取适当的防护措施回收特殊液体（用于图像显示），否则将产生较大的环境污染。

3.2 涡流检测技术

由于电磁感应效应，钢构桥的金属材料含有自由电子，会随着交替变化的电磁场而产生在金属材料中循环的电流，即涡流（傅科电流）。涡流检测技术的实施过程，主要是根据涡流的分布以及大小，对比分析金属材料（如钢构桥的钢板和钢管）中的电流变化，靠近其钢结构材料表面的缺陷就能够被发现。

3.3 超声波检测技术

超声波检测技术，是通过激励探头产生超声波，在钢构桥检测过程中，该超声波在其构件上传播，一旦遇到异常介质（夹渣和气孔等），部分超声波会产生异常反射回波[2]。通过处理和放大这些异常反射的超声波，能够迅速定位出缺陷回波。超声波检测的基本流程为：首先，以特定的方式将超声波传入到钢构桥的金属组件内部，或者引导一定的超声波产生于金属组件自身；其次，金属组件内部的超声波在传播时会发生变化，体现在传播方向或速度等方面的变化；接着，检测工具捕捉到超声波并检测到所发生的改变；最后，启动检测设备内的算法程序，对收集到的超声波进行自动分析，提取钢构桥金属组件的结构缺陷特征。

3.4 金属磁记忆检测技术

钢构桥中的金属磁材料，会产生特定的磁场记忆效应，主要是由于荷载作用以及地磁场环境共同作用所形成的。金属构件部位一旦产生缺陷，会形成一种十分特殊的退磁场，将重新具有特别的伸缩性质。通过地磁场和金属材料内部作用产生的微观缺陷特性变化，用来检测和评估金属磁构件的缺陷和寿命，作为无损检测技术之一的金属磁记忆检测技术十分有效[2]。

4、钢构桥加固技术分析

到目前为止，我国20世纪60-70年代所建造桥梁的累计使用时间，基本都达到甚至超过了其设计寿命，继续使用所带来的桥梁病害将越发严重，为了保障既有桥梁的安全使用和稳定运行，在使用无损检测技术探测其钢结构缺陷的基础上，进行桥梁加固是很有必要的。钢构桥的加固技术有很多，以下主要从加大截面加固法和粘贴加固法两个方面进行分析，此外加固方法还有预应力加固技术等[5]。

4.1 截面加固法

截面加固方法，是在原来钢构桥钢结构的基础上，在特定位置浇注一定厚度的钢筋混凝土，以达到增加结构截面的目的，从而提高承载能力，是一种较为常用的钢构桥加固技术。截面加固法的方式主要有：（1）桥面浇筑钢筋混凝土进行加厚；（2）主梁梁肋浇筑钢筋混凝土，增加宽度和高度。使用这种加固方法可以大幅度增加承载能力，显着提高桥梁刚度，延长使用寿命 [5]。

4.2 粘贴加固法

粘贴加固方法，使用一种特殊的材料（树脂、碳纤维增强塑料等）粘贴在混凝土结构上，新材料的表面与原来的结构贴合形成一个整体，粘贴材料分担所承受的总体载荷，从而减少了作用在钢结构上的应力，达到了加固的效果[5]。其主要优点是：保持钢构桥的原有属性的同时，增加了承载力，增强了耐久性和耐疲劳性，提高了耐蚀性。其不足之处在于，弹性模量和强度比较低；在高于60度的材料温度下，用于粘贴加固的环氧树脂等材料将出现软化，针对此问题阻断阳光直射钢构桥是常见手段。

结论：

钢构桥在全世界城市交通具有重要而广泛的应用，起到了稳固连结道路跨越的重要作用。但是由于钢构桥的材料的本身限制，也有一些不足需要克服，以期达到更长的实际使用寿命。本文首先对钢构桥的三类主要病害进行了总结，接着着重分析了无损检测技术在钢构桥中病害检测中的应用,最后进一步地探讨了钢构桥所用加固技术，希望达到保障钢构桥稳定运行和延长钢构桥寿命的重要目标。