公路桥梁内外缺陷与几何力学特性检测研究

（安徽交通职业技术学院 安徽 合肥 230051）

0.引言

截止至2018年年底，我国已完成公路桥梁建设84.17万座，并以每年3.5%的速度持续增加。然而，随桥梁服役年限的不断增加，以及材料老化、自然环境、施工问题、超负荷工作等因素，导致多种公路桥梁出现程度不同的损害，对其运行安全和稳定造成严重负面影响。近年来，我国基础建设由施工期逐渐向稳定期转化，桥梁检测技术进展幅度较大，但无损检测技术尚未成熟，加之结构力学性能检测技术难度极高。因此，为使检测结果切实助力于桥梁修复，公路桥梁检测技术仍有待提高。

1.公路桥梁内外缺陷检测

1.1 公混桥梁外观缺陷检测

由于桥梁本身的载荷作用、现实施工误差导致的施工缺陷以及建筑材料特性、外部环境因素等影响，现役混凝土桥梁普遍存在蜂窝、开裂、水蚀、麻面、保护层不同程度脱落等问题。尤其桥梁结构裂缝，成为混凝土桥梁最为常见的病害。国家《桥梁综合性能评价指标》以及国际建筑领域关于公路桥梁的性能评价体系，对公路混凝土桥梁服役时期不同部分的裂缝峰值宽度均有明确限制，其分布特征和具体宽度对评价公路桥梁整体结构可靠性、安全性起到决定性作用。由此可见，裂缝始终是公混桥梁外观检测的关键内容。

在常规的检测方法中，普遍是利用专用前测设备、检测支架等辅助工具，与小型裂缝测量器、数码相机、钢尺等形成配合，通过靠近结构表层，进行人工观察测量、记录裂痕具体分布情况和特点。上述方法实际操作需要投入大量人、物成本，检测时间周期较长、劳动强度高、产生资金成本高昂，大规模的测量记录需要通过人工进行整理和统筹。因此，此检测方法是制约桥梁外观缺陷检测向先进、扎实方向发展的重要因素。

在人类生产力不断提高的背景下，国内外相关学者针对桥梁外观缺陷无损检测技术开发做出大量研究。美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）教授澳玛等通过无人机负载热成像系统，对现役美国部分现役混凝土桥梁进行检测。研究结果显示，具有高分辨率的热成像系统，能够方便、准确、快速的发现桥面板异常情况。

1.2 公路钢桥外观缺陷检测

钢桥工程项目施工采用大量的金属建材，导致其外观缺陷普遍表现在桥体结构腐蚀、部件的焊接疲劳性开裂、连接结构疲劳性失效等。腐蚀与连接失效等问题危害性明显，在常规检测中比较容易记录。但是，桥体开裂与部件焊接缝分离等问题具有较高的隐蔽性，常规检测技术时常难以发掘，对钢桥结构稳定运营带来大量安全隐患。尤其是正交钢桥面板在国际公路桥梁领域的广泛应用，导致世界范围内疲劳开裂性案例屡禁不止，对桥梁结构整体使用性能造、安全性能与服役质量造成极大负面影响。

基于公路钢制桥梁的特点、焊接缺陷、残余应力与施工误差等因素，连接部分伴随高强度应力集中，进而逐渐形成疲劳预警区，最终造成疲劳性问题的发生。由此可见，为确保桥钢制桥梁的安全稳定，需在早期发现疲劳开裂问题，并及时采取合理应对措施，遏制开裂现象的进一步恶化。在焊接检测技术层面，现阶段业内主要方式包括超声检测、热成像检测和射线检测等。其中，超声检测方式是目前最为常见的疲劳性问题检测技术，其原理在于利用仪器向被检测焊接发出超声，通过反射效果获得被检对象内在缺陷数据，并经过计算机处理后形成彩色图像。热成像检测是运用探测仪器测量被测对象自身与背景间的红外线差距，得出差异性红外图像，反馈出相同目标的表层温度具体分布情况。利用热成像检测方法，可以实现目标的远距离测温和成像，并加以后期处理分析。

近年来，相关领域学者开发出一种全新无损热成像检测方法，用于钢制桥梁裂缝检测。此技术运用裂缝的热能隔断效应，使桥梁部件表面产生温度间隔，实现无损裂缝检测。同时，并利用此技术在公路桥梁实施现场实验，验证此技术的真实性、有效性。此外，巴特利等学者运用红外线热成像遥感技术，远程测量钢制桥梁疲劳性裂缝，以热弹性应力检测为基础，对桥梁性能完成量化评估。除此之外，利用X射线与γ射线的射线检测技术，也是当今较为流行的焊缝缺陷测量方式之一。其原理在于利用射线差异性性能，穿过金属上下表层，进而使胶片出现感光效应。在射线检测方法对桥梁进行具体检测的过程中，由于焊接缝缺陷不同程度的影响，射线穿透焊接缝抵达胶片的感光度存在差异，进而测量人员利用该原理，完成钢结构焊接缝隙缺陷的有效检测。

综上所述，超声检测、热成像检测和射线检测均为钢制桥梁焊接缝检测的主要方式，并均记录于国家相关文件中。然而，超声法相对其他两种检测方式，在微型缺陷检测、形状检测以及建筑材料内部检测方面，仍存在一定不足，其技术水平需要科研人员进一步提升。

1.3 公混桥梁内部缺陷检测

公混桥梁在混凝土建筑施工时期，由于存在混合物料的离析、漏震以及碎石架空问题，时常出现夹层、蜂窝、空洞等施工质量问题，导致混合物料凝固后强度大幅下降。在预应力公混桥梁方面，不仅物料浇筑质量对钢束安全性产生一定负面影响，而且压浆密实度、预应力道孔建造情况也可降低钢束耐久性。因此，内部缺陷作为导致公混桥梁质量大幅下降的关键因素，是现阶段混凝土桥梁检测中极为重要的内容，同时，当今常见的无损方法包括超声检测、冲击波检测等。

1.3.1 超声检测方法

超声检测方法是混凝土桥梁常见的无损检测技术之一，其作业原理在于利用仪器测量低频率超声波在混凝土结构中的传导效率、主要频率以及首波幅度等相关参数，进而对混凝土缺陷类型、位置和面积进行判断。超声波在与裂缝、蜂窝等病害遭遇时，多数脉冲波将在问题部位散射或反射，大幅降低换能设备接受的声波能量，出现声波主要频率降低、生程增加等现象，进而致使波形产生异化。基于检测对象与检测内容的差异性，超声检测技术大致分为对测、斜测和平方法。

1.3.2 冲击回波检测方法

冲击回波检测方法是通过接受瞬时冲击弹性波信息，对信息进行波速分析、波形分析以及频率分析等，判断混凝土桥梁中的缺陷。冲击回波检测方法适用于公混桥梁部件内部缺陷检测、厚度缺陷检测、波纹管压浆密度检测以及结合面的密度检测等。冲击回波检测方法的检测原理在于利用锤击，使桥梁混凝土结构表层出现secondary wave和primary wave，并传输于混凝土主结构内不。secondary wave和primary wave受声阻抗差影响或外部表层界限影响出现反射现象。在混凝土反射波回弹至其结构表层时，接受传感设备将对而这位移进行准确测量。当传感设备与冲击点较为靠近时，反射主要体现出primary wave反射波位移情况。由于primary wave在桥梁混凝土中发生多次反射现象，传感设备可以检测出一个系统性的低振动波谱，进而实现混凝土内部缺陷的有效检测。

1.3.3 声波CT检测方法

声波CT检测又称计算机透析城乡检测，其原理在于利用声波透过桥梁混凝土，在混凝土内部蜂窝、密实度等的作用下，导致声波出现能量衰变，根据能量衰变特点和投射波透过波(transmitted wave)走时，利用计算机技术重构声波穿越桥梁混凝土时的吸收系数和速度分布，完成混凝土结构内部成像。基于混凝土剪切、弹性模量、波速和密度等因素，当混凝土出现内部疏松或孔隙时，将造成声波在穿越混凝土结构时波速降低。由此可见，声波传导速度是判断桥梁混凝土密实、强度指标的有效方式。

1.4 桥梁钢筋腐蚀问题检测

桥梁钢筋的腐蚀是导致混凝土稳定性、耐久性、安全性等综合性能降低的主要原因，由于混凝土开裂、氧离子腐蚀、氯离子腐蚀、碳化腐蚀等作用，造成混凝土内部钢筋出现电化学反应，进而出现锈蚀现象。锈蚀现象的发生，不但可以使钢筋横截面缩减，也可导致钢筋体积出现一定程度的膨胀，使原本紧密相连的钢筋和混凝土结构丢失握裹力，进而使桥梁失去应有承载能力。

桥梁钢筋的检测技术无损方法分为物理检测法和电化学检测法两种。物理检测方法是利用测量钢筋腐蚀而引发的物理性能转变，反馈出钢筋锈蚀程度。其中，物理检测方法包括射线法、电阻棒法、热红外法等。然而，上述方法多数处于试验阶段，缺乏实用性论证依据，并且其检测内容存在单一性。在电化学检测方法方面，利用测量钢筋腐蚀体系的电化学特性，进而实现钢筋锈蚀程度的清晰掌握。电化学检测方法包括交流阻抗法、电阻率法以及电位法等。现阶段，电位法是电化学检测技术中最为常见的，一种测量混凝土钢筋腐蚀度的检测技术无损方法。

2.公路桥梁几何力学特性检测

2.1 混凝土强度

桥梁混凝土强度结构作为桥梁结构的关键力学参数，对确保桥梁整体结构稳定以及桥梁安全性能均具有直接影响，同时还是评定桥梁建筑施工质量的重要指标。桥梁混凝土检测技术主要包含钻孔取芯检测、回弹检测以及超声与回弹结合检测等。在上述检测方法中，钻孔取芯检测为有损法，其它为无损法。

钻孔取芯检测技术是通过取芯设备对桥梁混凝土结构展开的钻取工作，得到圆柱形混凝土样本，利用压力机对其进行破坏性检测，测量出当前服役时间混凝土的强度的一种有损检测方法。此方法具有操作便捷、信息直观性高、结果精度高等优势，但其也存在成本过高、耗时较长的缺陷，是一种相对久远的传统检测技术。回弹检测技术诞生于上世纪四十年代末期，由瑞士学者施密特发明，至今已有六十多年的历史。回弹检测技术由于其操作简单、方便、速度快、价格低廉等优势，广受公路混凝土桥梁检测领域好评，其工作原理在于使用重锤，通过弹击杆弹击混凝土表层，测量重锤弹射长度，使用回弹值推断出混凝土强度的一种检测方法，同时回弹检测技术属于一种混凝土表面硬度测量法。在具体测量阶段，由于混凝土结构表层硬度和骨料的型号、种类、配合比等影响，再加之回弹法检测技术国家规范与地区实际测量存在一定差异，造成检测精准度不足。此外，回弹检测技术对于混凝土检测的匹配龄期为七天到一千天，对回弹检测技术的测量范围产生极大的限制作用。因此，在传统公混桥梁检测过程中，回弹检测技术仅能作用于结构强度分布检测的途径，其绝对强度检测结果智能作为数据参考。

超声和回弹相结合的综合检测方式，是利用非金属超声设备与回弹设备之间的配合工作，分别对混凝土回弹值和声时值进行测量，继而依据相关数学公式预算出被检测区域混凝土强度。此方式由Romanian Academy of Architectural and Economic Sciences首次提出，并对相关技术进行规范，受全世界大量技术人员的重视。综合检测法以两个具体参数映射出桥梁混凝土表层和内部的性能，是对单一性超声检测法和回弹检测法的功能性弥补，可以有效降低混凝土含水量和龄期的影响，具有测量精准度较高、应用范围广泛等优势。并且，可以全方位、立体化反映出桥梁混凝土结构的现实质量，大幅降低测试偏差，同时该技术对回弹检测法水平要求较高。

2.2 结构应力

由于施工中的误差、预应力缺失以及混凝土徐变等原因，公混桥梁混凝土应力铺设与理论数据具有差异。虽然现阶段工程荷载实验可以检测出桥梁具体承载水平和基本使用状态，然而加载实验能通过应力提升量推测活载效应，对应力总值难以进行准确推测。因此，预应力混凝土桥梁永久荷载前提下的永存应力检测意义重大。

应力释放检测技术是处理永久荷载前提下结构应力检测的可行性方式之一，广泛用于钢制桥梁预应力检测，其基本原理在于利用机械切割，首先，对原始约束应力测试部件实施切割，使应力得到释放。其次，对切割前和切割后的部件变化进行检测，得出部件现实应力情况。现阶段，常见的应力释放检测技术主要有截条检测、切槽检测以及钻孔检测等方式。通过对应力释放实验的研究，结合截面应力情况等得出基于应力释放的评估方法。试验显示，钻孔取芯检测技术内外干扰因素较多，试验效果较差。应力释放检测技术受内外干扰因素影响较低，实验结果较为理想，利用测量机遇与释放位置可以有效降低切割生热问题对其造成的影响。

2.3 索力

现代化大跨度悬索桥、系杆拱桥吊杆等均采用柔性索力架构，其索力值对桥梁内力起到关键的控制性作用。鉴于此，利用合理、准确、快速的无损检测技术，对吊杆力和索力进行检测，是保障桥梁施工质量、安全性能等的必要方式。现阶段盛行的主要索力测试包括以下两种。

2.3.1 压力表检测方法

压力表检测技术是依据油压千斤顶推算张力和液压的一种手段，张力和液压之间存在一定关系，利用油压千斤顶指标，可以精准的反映出上述关系具体内容，进而实现索力的推测。压力表检测技术具有简单、直观性高等优势，是控制桥梁索力的有效方法。然而，由于检测设备体型笨重，导致压力表测试技术又存在便捷度低、设备移动不便等缺点。由此可见，该检测技术适用于服役期桥梁测试，但不适用于施工阶段的索力测试。

2.3.2 压力传感检测方法

为精确测量既定拉索拉力数值，应在锚座和锚头之间加装测力设备，也就是常见的压力传感检测方法。此技术需要在施工时期加装压力传感设备，实现对桥梁索力实时监控。压力传感检测技术普遍利用振弦压力传感设备与专用读数器的配合，达到索力实时监控的目的。同时，该方法对精度要求较高，并且设备价格昂贵，因此，该方法普遍用于其他检测方法的补充。

3.结语

综上所述，桥梁检测技术已成为融合多种学科理论的交叉式科研项目。桥梁内外缺陷检测技术是检验桥梁实际情况的关键内容，利用热成像的检测方式优势明显，为桥梁外观检测指明方向；超声和回弹检测技术将单一性超声检测与回弹检测优点结合，具有可准确、快速的实现大型混凝土结构内部缺陷检测的特点；压力表检测方法是桥梁索力检测的重点，是检测PC桥梁综合性能的有效方式。