基于被动敲击扫描式检测方法的工程桥梁损伤检测

林 萍 * 胡祝友 ** 郭 河 * 乔 磊 * 向志海 **

*(中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011)

†(中交路桥检测养护有限公司，北京 101300)

**(清华大学航天航空学院，北京 100084)

桥梁的健康状态关乎交通运营以及过往车辆的人身安全。传统的桥梁检测技术可以准确地定位损伤并对桥梁的健康状况做出评定[1-5]，但往往需要中断交通，费时费力，且检测效率较低。随着桥梁数量的日益增长，对高效的桥梁检测技术的需求越来越强烈。借助移动车辆，可以很方便地得到桥梁的频率、模态振型、阻尼、损伤等多种特性。因此，基于该思路的桥梁快速检测方法成为近年来研究者关注的热点[6]。

车辆行驶在桥面时会引起桥梁的振动，而桥梁的振动也会对行驶的车辆产生影响，从而将桥梁的信息传递给车辆。利用这种车–桥耦合振动特性，就有可能从移动车的振动信号中提取出桥梁结构的信息。Yang 等[7]首先建立了这种方法的车–桥耦合模型，并根据移动车的振动响应提取出桥梁的基频。经过多年的研究，采用该方法已经可以提取更丰富的桥梁特性，如高阶频率、模态振型、阻尼、路面粗糙度等[8-9]。在此基础上，Zhang 等[10]提出基于梁模态的平方对桥梁的损伤进行检测。随后基于模态提取技术的桥梁损伤检测得到了众多研究者的关注[11-12]。

在基于移动车的桥梁损伤检测中，路面粗糙度会对车–桥耦合系统的振动响应产生干扰，从而增加了提取桥梁结构信息的难度[13-14]。为了提高信噪比，文献[15-16]提出了敲击扫描式损伤检测方法。该方法通过移动车上的敲击装置对桥梁施加检测车敏感频率附近的敲击力，从而提高车辆加速度对损伤的灵敏度。另外，当检测车的敏感频率高于环境噪声频段时，损伤检测结果不受周围环境的影响，从而可以实现在不中断交通情况下的正常检测。为了进一步简化检测车的硬件系统，还可以利用车轮的敲击齿被动地产生敲击力，从而发展出被动敲击扫描式损伤检测理论[17]。在研究被动敲击扫描理论的过程中，Hu 等[18]还发现移动车的加速度对桥梁刚度的不连续性更敏感，并给出了移动车加速度和桥梁弯曲刚度变化率的定量关系。

目前，上述基于移动车的桥梁检测方法多用于实际桥梁的振动特性测试，在实际桥梁损伤检测方面的报导很少[6]。为了验证被动敲击扫描式损伤检测方法的工程实用性，本文对两座实际桥梁进行了测试。实验结果表明，该方法不但可以找到人工检测发现的损伤，而且可以给出这些损伤的定量评估指标。另外，使用该方法还可以找到一些肉眼容易忽视的隐蔽损伤。

为了便于读者理解，本文首先简单介绍被动敲击扫描式检测方法的原理，并用一个T 梁实验进行说明。在此基础上，再介绍两座实际桥梁的检测结果。最后给出对该研究工作的总结和展望。

1 被动敲击扫描式检测方法的原理

被动敲击扫描式检测方法通过测量移动车的加速度信号，提取相应功率谱密度图中的异常点，获得梁结构刚度突变位置及其变化程度。该方法的理论模型如图1 所示。

图1 车–桥耦合系统Fig.1 Vehicle–bridge interaction system

基于Euler–Bernoulli 梁模型和单自由度移动车模型，车–桥耦合系统的运动方程为[18]

图1 和式（1）中，MV为移动车的质量，kV为悬挂系统的刚度，µV为悬挂系统的阻尼常数，EI为梁的弯曲刚度，m为梁单位长度的质量，µB为桥梁的阻尼常数，r为路面粗糙度，v为移动车的速度，g为重力加速度。yV和yB分别代表移动车和梁在y方向的位移，F为梁对车轮的y方向支承力。FT是车轮敲击齿与梁之间的敲击力，可表示为

式中，A是敲击力幅值，ω0是敲击力的圆频率。

桥梁的局部阻抗Z(x)=-(F+MVg)/[yB(x,t)δ(x-vt)]包含了桥梁的损伤信息。根据式（1）～式（3）可知，移动车的加速度中显式包含局部阻抗

这样，就可以从移动车的加速度信号中提取出桥梁的损伤信息。

桥梁的损伤可看作梁截面弯曲刚度的变化。本文中将损伤位置处的弯曲刚度记为(EI)D。但是图1 的模型中的梁是完整的，并不包含损伤信息。为了仍然采用图1 的模型进行分析，可以引入损伤等效模型[18]，即将桥梁的损伤转换为移动车等效刚度k(x)的变化

式中，θ(x)≡(EI)D/(EI) 是梁弯曲刚度比，Ds是和梁位置相关的系数。

基于上述等效关系，就可以用Duhamel 积分方法求解运动方程，得到移动车位移中的主要成分

式中，U,V和W是与车桥特性有关的待标定参数。

根据以上原理可以建立被动敲击扫描式损伤检测方法，其流程如图2 所示。

图2 敲击扫描方法的检测流程Fig.2 The detection process of the tap-scan damage detection method

2 损伤检测车及标准预应力T 梁检测实验

根据上述理论模型以及检测方法的要求，可以设计出基于被动敲击扫描式方法的损伤检测车（如图3 所示）。损伤检测车主要由外壳、车身、驱动轮以及敲击装置4 部分构成。在敲击装置（图3(a)）中，敲击轮通过均匀分布在车轮上的敲击齿对路面产生具有稳定频率的敲击力；轮轴上的采集点则用于收集敲击装置在检测过程中的振动数据。由于敲击装置的固有频率远高于路面粗糙度的主要频段，所以可以达到很高的检测信噪比。基于上述设计要求，首先开发了一台原理样车（图3(b)）用于一根预应力混凝土T 梁检测实验，并对式（8）中的参数进行标定。在该原理样车的基础上，为了保证在实际桥梁上的操作安全性，又设计了工程检测车，增加了醒目的车身和闪光报警灯（图3(c)）。

图3 损伤检测车Fig.3 Damage detection vehicle

为验证检测方法和检测车的合理性与可靠性，利用原理样车对一根标准预应力混凝土T 梁（图4(a)）从左至右进行扫描测试。根据定点敲击方法，原理样车在T 梁上静置时的敏感频率约为136 Hz，所以在测试中通过调整车速将原理样车的敲击频率设定为138 Hz。根据T 梁的结构性质，梁在沿长度方向有7 个刚度突变点。检测车从启动位置出发会经历加速行驶阶段再达到匀速行驶状态，在检测第3～7 个刚度突变点（即图4(a)中的STP1～STP5 点）时，检测车处于匀速阶段且敲击频率较稳定。从采集信号中可以捕捉到梁弯曲刚度的突变对于检测车加速度的影响，如图4(b)所示，5 个刚度突变点所处位置的功率谱密度显著高于其他位置。同时，实验结果也表明归一化后检测车的加速度YE和梁刚度比θs 之间存在二次多项式的关系（相关系数为0.85），和式（8）的理论预测一致。

图4 检测结果Fig.4 The detection results

基于式（9），STP1～STP5 的实际刚度比分布如图4(c)所示。其中STP2 位于梁的横隔板处（如图4(a)），因此其刚度比显著大于其他刚度突变点。

3 实桥测试

使用上述被动式敲击扫描检测车对两座在役桥梁的部分桥跨进行了损伤检测，并将检测结果和人工检测进行对比，以验证检测车的科学性和实用性。

3.1 京津高速某桥

该桥梁位于京津高速，是一座预应力混凝土连续小箱梁桥，如图5 所示。桥梁全长1 721.5 m，共57 跨，桥面总宽20.5 m，横向有6 片主梁，支座形式为板式 + 盆式橡胶支座。用原理样车对桥梁右幅的第8 跨至22 跨的右侧第1 片梁（标准编号为R8-1#～R22-1#）进行了快速筛查。每跨为长度30 m 的小箱梁，标准横断面以及检测车道如图5(b)所示。

图5 京津高速桥梁概况Fig.5 Brief information of the bridge on Jingjin high way

如图5(b)所示，在用原理样车对桥梁进行扫描检测过程中仅封闭了待检测车道，其余车道均保持正常通行。根据定点敲击方法，原理样车在该桥梁上静置时的敏感频率约为141 Hz，所以在测试中通过调整车速将检测车的敲击频率设定为138 Hz。为了保证检测结果的可靠性，对待检测车道进行了4 次检测。

图6 为检测区域中包含的15 处支座的检测情况。正常情况下，支座是一个刚度突变点。在4次检测中如果至少有3 次能发现刚度突变点，则可以判断该支座是正常的，否则很可能有支座脱空现象。对4 次检测结果做平均处理，各支座位置处是否有刚度突变以及突变程度如图6(a)所示。在4 次测试中，2 次测试的检测结果中都未在R9#支座的位置捕捉到刚度突变点，故图6(a)中无该支座的刚度比结果，由此可以判断该支座可能已经脱空。如图6(b)所示，在现场照片也发现该支座的确有脱空现象。其余支座位置在4 次检测中均有至少3 次在检测信号中出现刚度突变点，人工检测也未发现脱空现象。需要说明的是，在最初的人工检测报告中并没有提到R9#支座脱空的问题。当敲击扫描结果提示该处可能出现支座脱空后，再去复检时才确认了这个损伤。这说明敲击扫描方法有可能发现一些容易被人工检测所忽视的损伤。

图6 支座检测结果Fig.6 Detection result of supports

对于桥梁上的其他位置，当4 次检测中出现2 次及以上的显著信号时可判定该位置有刚度缺失的情况。根据上述标准，检测结果表明检测区域内有3 处损伤，其中两处刚度折损较小，一处刚度折损较大。图7 为刚度折损较大位置的平均检测结果，位于第18 跨主梁。人工检测也发现该处有锈胀露筋的情况，如图7(b)所示。

图7 损伤检测结果Fig.7 Detection result of damage

3.2 贵阳某桥

该桥位于贵阳市，是一座先结构简支后桥面连续的小箱梁桥，如图8 所示。桥梁全长256 m，跨径组合为6×40 m，桥面宽度为17.25 m，横向有5 片主梁，图8(b)所示为标准横断面以及检测车道。该桥常有重型车辆经过，因此路面情况较差，主梁上也存在较多结构性损伤。采用图3(b)中的工程检测车对桥梁左幅的第4 跨和5 跨的第5 片梁进行了5 次检测。根据定点敲击方法，工程检测车在桥梁上静置时的敏感频率约为125 Hz，所以在测试中通过调整车速将工程检测车的敲击频率设定为127 Hz。

图8 贵阳市桥梁概况Fig.8 Brief information of the bridge in Guiyang city

综合5 次测试，当其中出现4 次及以上的显著信号时可判定该位置的刚度存在较大突变。图9为工程检测车对第4 跨主梁的平均检测结果，快速检测方法在4 m，8 m 以及36 m 处发现了损伤。在人工检测中，第4 m，第8 m 和第36 m处也都发现了锈蚀露筋的情况。对于第5 跨主梁，在位置约13 m，33 m 处至少在4 次检测中捕捉到了刚度突变点，如图10 所示，人工检测也发现在对应位置处有露筋现象。

图9 第4 跨检测结果Fig.9 Detection result of span 4

图10 第5 跨检测结果Fig.10 Detection result of span 5

4 结论和展望

本文简要介绍了被动敲击扫描式检测理论以及基于该理论研制的桥梁损伤快速检测车。使用这种检测车对两座在役桥梁进行了实地检测，可得到以下结论。

(1) 被动式敲击扫描检测车结构简单、操作便捷，可在不完全中断交通的情况下快速完成桥梁损伤检测。

(2) 检测车不但可以准确地定位表现在桥梁外部的损伤，而且能够找到支座脱空这类比较隐蔽的损伤，另外还可以给出刚度变化的定量评估结果。

限于激振功率、便携性要求等限制因素，本检测车目前只适用于中小型混凝土梁式桥梁的损伤检测。在后续的研究工作中，将进一步考虑不同路面情况对检测结果的影响，并讨论所检测出来的损伤指标对桥梁承载力评估的作用。