桥梁结构检测技术与量测仪器设备选配分析

2020-06-19张举文

工程技术研究 2020年10期

张举文

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

随着检测技术的发展和应用，桥梁结构检测体系也发生着变革和创新，结合桥梁检测技术与量测仪器设备的应用，探究仪器设备的选择准则与选用组配方法，在提高检验检测工作的效率和质量上具有现实意义。本文拟通过分析桥梁结构检测技术的现状与需求，结合量测仪器设备的技术应用与性能特点，对其与量测仪器设备的选配方法进行研究与探讨。

1 桥梁结构检测技术

1.1 桥梁结构检测技术的发展状况

桥梁结构检测是桥梁工程质量的有效保证，通过桥梁检查和荷载试验检测技术，可评定桥梁技术状况，为桥梁养护、维护、管理提供依据，在检验桥梁结构实际承载能力和使用性能、验证桥梁结构设计与施工质量等方面具有重要意义。在实际检测的过程中，桥梁结构检测需要进行大量的数据采集与处理工作，涉及知识面广泛，需要应用力学、电子、光学、材料、机械、结构、计算机、通信等多学科，同时各学科之间的交叉综合又使得卫星定位、光电成像、无人机、物联网、雷达、无损检测、无线通信等技术加快应用。目前，桥梁结构检测技术的发展趋势是自动化与智能化，利用信息化技术实现对大区域内独立的桥梁的全自动大范围群体检测逐渐成为其未来发展方向之一。

1.2 桥梁结构检测的主要内容

目前，桥梁结构检测主要包括桥梁技术状况评定和荷载试验评定。桥梁技术状况评定主要通过桥梁检查进行，桥梁检查是针对桥梁各部件的表观情况及混凝土结构的检查。荷载试验评定对桥梁的结构稳定性判断至关重要，具体主要包括挠度、应变、变形、裂缝、振幅、频率等参数。根据荷载性质分为静力荷载试验和动力荷载试验，静力荷载试验主要是测量桥梁结构的侧向、竖向挠度、裂缝及扭曲变形、控制界面内的应力分布情况、测量支座的转角、沉降变形和伸缩量等；动力荷载评定内容主要是桥梁自振特性和车辆载荷动力响应参数。这些评定信息都可以为桥梁的工作稳定性提供参考，为后续的管理维护工作提供必要的基础。

2 桥梁结构检测设备

2.1 桥梁结构检测设备量测技术概述

检测设备量测技术的应用对桥梁结构检测的发展有着重要的推动作用。随着科学技术和计算机技术的发展，桥梁检测设备性能也在不断改善，电测技术、光电技术和多功能自动化采集仪得到了广泛应用。虽然它们在外形、内部结构、量测原理及量测精度等方面有很大的差异，但作为量测设备都可划分为感知部分（基于电磁学、光学等原理，将非电量输入信号转换为便于放大处理的电信号）、放大调理部分（对传感器输出的微小电信号进行放大和阻抗变换、微积分运算、滤波等其他处理，便于后续采集记录）和采集分析部分（完成数据采集存储及各种分析功能）。

2.2 桥梁结构检测设备的技术特点和使用范围

目前，桥梁结构检测仪器设备的发展比较成熟，针对不同的桥梁结构检测内容，可以选择相应的检测仪器设备。桥梁荷载试验参数主要包括应变（应力）、变位（挠度等）、裂缝、倾角、索（杆）力、振动（振幅、频率等）、强度等，这些参数对评价桥梁的使用情况等都有着重要的作用。

应变和变位测试是静力荷载试验主要测试内容，常用的应变测试技术有机械位移计法、应变电阻法、振弦频率法、光纤光栅应变测试方法。其中，以应变电阻法应用较多，具体应用时因电阻片粘贴技术会影响测试结果，因而更多采用工具式应变计。振弦式和光纤光栅式应变计的抗干扰性强，适用于中长期观测，但需配合专用的采集仪使用。

变位检测主要是检测竖向（挠度）和水平变位，可采用的检测设备主要有机械百分表和千分表、拉丝位移计、机电百分表、光电式桥梁挠度检测仪、精密光学水准仪和电子水准仪、全站仪、卫星定位系统等。其中，基于不同采集方式的百分表、位移计需要在试验现场搭设支架作基准，适用于净空较低的小型桥梁，精度为0.002～0.01mm，量程一般能达50mm。而光电桥梁挠度仪、精密水准仪、全站仪、卫星定位系统、雷达等属于非接触式，适用于位移较大的大型结构变位及线型测量，可满足大跨度桥梁形变测量需要，精度为 0.01～ 0.5mm，卫星的测量精度较低（水平：5mm+10-6L；垂直：10mm+2×10-6L），量程均不受限。倾角测试仪主要有水准式倾角仪（分辨力为2.5′，量程为20′～1°）、光纤光栅式倾角计（分辨力为5′，量程为±10°）、数显倾角仪（分辨力为1′，量程为±1°～±18°）或双轴倾角仪（分辨力为1′，量程为±30°）等。

桥梁动载试验主要用到振动测试仪器，其中测振传感器最关键，其性能好坏以及选用恰当与否直接影响整个振动测试结果。常用的测振传感器技术特点和适用范围如表1所示。构超低频振动以及振动量值较小的特点，选用灵敏度高、低频特性好的测振仪器。一般上限频率容易满足，而下限频率需要重点考虑。对于小跨径桥梁，下限频率达到1Hz左右即可，而对于大跨径桥梁，则下限频率要求延

表1 常用的测振传感器技术特点及适用范围

除此之外，数显裂缝宽度检测仪得到较多应用，其易用性和准确性都得到较大提高。索力测试一般采用拾振器测频法，倾角仪可采用水准式、光纤光栅式、双轴式等类型，这些设备的应用对桥梁结构检测技术的发展都有很好的帮助。

3 桥梁结构检测设备的选配与需求

3.1 桥梁结构检测仪器设备的选配要点

（1）选配仪器设备的规格、量程及精度时，要符合试验的内容和要求，对使用量大、容易损坏的仪器应有一定数量的备件。在选用仪器量程时，精度不大于预计测量值的5%，预计实测值宜处于仪器量程的15%～85%，以保证测量准确性和防止超量程损坏设备。在量程满足要求的前提下，可选用分辨率高的仪器设备，也应考虑实际结构情况，如对于大跨度桥梁的挠度期望值达几十厘米，选用毫米级的量测设备即可。

（2）应特别关注仪器对环境的适用能力，尽可能避免因环境（如温度、电磁干扰）的变化而带来的试验测量误差。桥梁结构测点很多时，有线设备的布线工作量较大，应估计导线的长短，方便设置测站位置，选用具有合适测点数量的多点测量仪器；若现场有强电磁干扰源时，事先考虑应对措施，必要时可采用机械式仪表测量。试验前要进行现场踏勘，根据现场是否具备仪器安装条件，来选配不同检测原理的设备，如激光挠度仪、全站仪、雷达、GPS等远距离检测设备。

（3）同一试验中选用的仪器种类尽可能少，便于设备调配和量测实施以及精度控制，减少数据处理工作量和避免差错。同时要选用可靠性好的设备，使用安装方便，适应性强，不影响结构工作和不改变结构特性。也要考虑仪器的便携性，尽量采用自动采集系统，以提高效率，减少人为因素影响。

（4）设备在使用之前应进行联机测试、标定或核查，定期检定校准，以确保其技术性能满足试验要求。对于动态试验的量测仪表，除灵敏度、线性范围、幅频特性以及相频特性都应满足要求以外，还须考虑桥梁结伸至0.20～0.50Hz，甚至更低。

3.2 桥梁结构检测仪器设备的需求分析

（1）基于无线技术的智能检测设备应用需求增多。在整桥结构检测的过程中，特别是大跨径桥梁测点较多，有线方式的布设烦琐，灵活性差，系统供电、数据传输有一定局限性。而随着无线传感器网络技术的高速发展其应用可以很好地弥补这些缺陷，特别在桥梁监测方面有较大发展空间，将ZigBee、LoRa等无线技术应用到桥梁检测与监测体系中具有重要研究价值和意义。

（2）不同仪器之间的选择需要具有互通性。尽管目前部分仪器已经具备了同时检测多种信息的能力，但大部分仪器的功能还是比较单一。因此，要完成桥梁结构检测的任务，需要多种仪器的配合工作，数据兼容是保证不同仪器设备共同工作的重要前提。在此过程中，仪器之间的互通性和兼容性十分重要。

（3）需要推动仪器设备的信息自动化和智能集群化应用。信息化、自动化以及智能化发展和应用不仅是时代发展的要求，更是大范围检测网络建设的需求。随着新技术的发展和应用，推动先进检测技术的发展对于桥梁结构检测体系的完善有着重要的影响。