大跨钢管混凝土拱桥拱肋检测与评估研究综述

王红伟 蓝日彦 刘家庆 何廷全

摘要：文章对大跨钢管混凝土拱桥拱肋的检测与评估研究进展进行了综述。从检测方法、检测设备、评估方法等方面，分析了拱肋检测与评估中已解决和尚未解决的问题。指出今后应在已有研究工作基础上，深入开展拱肋全长的脱空高效无损检测方法研究，研发能够适应不同构造尺寸的拱肋脱空智能检测设备，提高拱肋檢测的效率和准确度。细化拱肋的状态评估指标体系，建立能够高效利用有限检测数据的拱肋状态评估方法，提高拱肋状态评估的科学性和合理性。

关键词：钢管混凝土;拱肋;脱空;检测;评估;综述

0 引言

近十年来，我国在大跨度钢管混凝土拱桥（Concrete-filled Steel Tube，简称CFST）建设方面取得了巨大成就，无论是数量还是跨径[1-2]都取得了快速发展[3-7]。2020年建成通车的广西平南三桥（主跨575 m）为建成时世界上跨度最大的拱桥，在建的川藏铁路也将涌现多座大跨度拱桥，目前我国已建和在建的CFST拱桥超过400座。

CFST拱桥多位于复杂艰险山区，服役环境严酷，现场检测与维护非常困难。虽然CFST拱桥在极限承载力、检测方法和设备、评估体系与方法等方面取得了较多的进展，但关键受力构件拱肋还存在部分问题有待进一步深入研究，包括拱肋脱空的检测方法、检测设备和评估方法等。

在此背景下，本文对CFST拱桥拱肋的检测与评估研究进展进行综述，从检测方法、检测设备、评估方法等方面，分析了现有研究已解决和尚未解决的问题，指出今后的研究方向，可为CFST拱桥拱肋的管养决策提供借鉴和参考。

1 拱肋检测方法的研究进展

1.1 拱肋线形的检测方法

拱肋线形能够间接地反映CFST拱桥的受力状态和安全性。传统拱肋线形检测多是采用人工的方法，具有检测效率低、实时性差、不易布设测点等局限性，尤其是拱肋高度大且无检修通道的时候，测点布设更加困难。[=XQS（]大跨钢管混凝土拱桥拱肋检测与评估研究综述/王红伟，蓝日彦，刘家庆，何廷全[=JP2] 为了克服传统人工检测拱肋线形存在的问题，GPS和北斗等技术在拱肋线形检测中的应用逐渐增多[8]，显著提升了拱肋线形的检测效率与自动化程度，但同样存在布设测点的问题。除部分特大桥安装有健康监测系统外，大部分CFST拱桥由于桥梁规模、经济性等因素，没有安装和布设线形测点，仍需在日常检测中采用人工检测方法。

近些年来，检测机器人在桥梁检测中的应用逐渐增多，集成GPS模块或北斗模块的拱肋智能检测机器人是拱肋线形检测的一个重要发展方向。

1.2 拱肋表观病害检测方法

表观病害直接影响拱肋的耐久性，间接威胁拱肋的安全性。2011版《公路桥梁技术状况评定标准》和2004版《公路桥涵养护规范》对拱肋的表观病害检测项目给出了具体规定。目前拱肋表观病害的检测仍然以人工检测为主，具有检测效率低、全长检测难度大、检测作业安全性弱等诸多问题。

与拉索表观病害检测不同，拉索表观病害检测可以通过机器人沿着拉索实现或通过无人机检测，而拱肋由于全长呈曲线变化、构件尺寸大、交叉连接部位多等特点，无人机检测的范围受到限制。而智能自动检测机器人的研发存在较大难度，主要集中在智能检测机器人与拱肋的可靠接触和脱空状态的精准识别方面，不仅影响检测设备的研发，更影响桥面交通的安全性，相关的研究开展得还比较少，亟须深入开展研究。

此外，针对智能检测设备获得的表观病害图像，相关的图像识别算法比较多[9]，但被广泛接受和认可的图像识别算法还比较少，病害识别的精度与病害训练样本的数量紧密相关，构建大量数据的拱肋病害检测样本库仍存在较多困难，相关的实际工程应用还比较少，识别精度有待进一步提高。

1.3 拱肋脱空的检测方法

脱空是影响CFST拱肋承载力最为主要的一种病害，其会削弱拱肋的承载力，威胁整桥的安全性[10-11]，针对拱肋脱空进行检测具有重要的工程价值（如图1所示）。

针对拱肋脱空的检测技术进行调研可知，相关检测的理论研究[12-14]还比较少，而检测方法及其应用则比较多，主要为有损（钻芯取样）和无损两种。无损检测方法主要包括人工敲击法、超声波检测[15-16]、冲击回波法[17-18]、红外热成像法、光纤传感检测法[19]、表面波法[20]、压电陶瓷检测法[21-22]等。直接钻芯取样等有损检测方法虽然检测结果可靠，但对结构的损伤较大，且检测效率比较低，多用于人工敲击法和超声波法确定位置后的定点检测。无损检测法虽然检测准确度弱于有损检测方法，但不损伤结构，可以实现拱肋的大范围高效检测，在实际中应用较广[23-24]。

（1）超声波检测法。该方法可以检测荷载作用下钢管混凝土的损伤状态和密实程度[25-26]。相关的研究成果非常丰富。檀永杰等[27-28]建立了超声波对测法检测脱空的参数取值;董军锋等[29-30]提出了脱空缺陷声速判断方法。对该方法分析可知，其存在检测效率低、检测成本高、实现拱肋全长脱空检测难度大的问题，较难定量分析脱空，且检测操作繁琐，亟须一种高效、便捷和可以实现拱肋全长脱空检测的检测方法和检测设备。

（2）冲击回波法。Pan等[31]提出了一种基于加速度谱能量的钢管混凝土脱空分析方法和判断准则;张东方等[32]利用傅里叶变换将时域波形图转化为频谱图，采用频率峰值与脱空层厚度关系式计算脱空厚度;高远富[33]进行了基于瞬态冲击法的方钢管混凝土柱脱空检测试验，利用采集到的加速度信号作WVD和频谱变换，得出了有脱空和无脱空时的WVD时域分布对比。该方法检测结果受构件形状和尺寸影响较大。

（3）表面波法。表面波法主要是利用缝隙能够显著影响表面波在钢管混凝土脱空分界面附近传播的特性，已有研究表明该方法与小波分析结合可用于检测脱空，缺陷长度<5 cm[34-35]。

（4）红外热成像法。基于红外热成像技术，王文元等[36]提出利用橡胶加热带检测钢管混凝土密实度的方法;杨鸿玉等[37]提出利用入模温差检测钢管混凝土密实性的方法;陈禾等[38]将红外热成像法与超声波法相结合检测钢管混凝土内部空洞。该方法同样存在检测效率低、检测成本高、实现拱肋全長脱空检测难度大的问题，实际工程中应用较少。

（5）光纤传感监测检测法。混凝土灌注完成后，外界信号场（被测场）以一定的空间分布方式对预布于拱肋钢管内的光纤中的光波进行调制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，通过检测调制信号谱带即可测量出外界信号场的大小及空间分布，从而确定混凝土内部损伤状态。丁睿等[39-41]依托巫峡长江大桥对比分析了超声波检测及光纤传感检测钢管混凝土内损伤状态，结果表明超声波检测结果离散性较强，依赖于检测点布置，且检测工作耗资耗时，而光纤传感能较好地实现对钢管混凝土内部状态的在线实时监测，及时发现并确定混凝土内部损伤的位置和发生、发展程度，监视损伤区域的扩展。但该方法需要布设监测系统，成本高昂，且容易被破坏。

综上所述，目前脱空检测方法较多，均有一定的局限性，实现拱肋全长脱空高效检测难度非常大，针对CFST拱桥拱肋的检测技术有待进一步研究。

2 拱肋的检测设备

为促进桥梁检测向更智能、更高效、更精确的方向发展，机器人、无人机等逐步得到应用，实现复杂、隐蔽、高空部位的检测[42]，有效解决了人工检测效率低和范围小等问题，提高了检测可靠性。

无人机检测方面。目前，装备摄像头的无人机（UAV）在土木工程中应用增长迅速[43]，其可搭载激光雷达、相机多种类型传感仪器和装置，能实现桥梁整体和局部的多角度拍照，Xu、Morgenthal等[44-48]对无人机相关技术及应用进行了研究，取得了丰富的研究结果。此外，无人机与3D技术结合也得到有效发展，实现了桥梁信息的三维重构和病害直观显示，基于图像识别方法和相关规范开展桥梁结构性能的评估[49-50]。综上，虽然无人机检测技术与设备取得了快速发展，但受限于拱肋检测方法和技术的水平，目前的无人机只能实现拱肋线形、拱肋表观病害等检测，无法实现拱肋脱空、拱肋静力特性和拱肋动力特性的检测，且无人机检测时受环境因素影响大，续航也是其面临的一个重要问题。

机器人检测方面。检测机器人能弥补无人机检测的不足，实现桥梁近距离的检测评估。目前，国内外研发的检测机器人比较多，例如Phillips等[51]研发了地面机器人来配合移动检测机器人的使用，提高了检测效率;Xu等[52]设计了一种双侧爬电缆机器人，具有较高的障碍物超越能力。对这些检测机器人分析可知，其外观、质量、功能和性能等各不相同，适用性方面有待进一步验证。在CFST拱桥中，应用较多的是拉索检测机器人，其主要实现拉索的表观病害检测、内部锈蚀断丝检测和拉索索力检测[53-54]，实桥应用也比较多。受限于拱肋结构特点、拱肋尺寸、检测技术等因素影响，目前针对拱肋研发的检测机器人还比较少，有待进一步深入开展研究。

3 拱肋状态评估体系与方法

科学合理的评估体系和高效准确的评估方法对掌握拱肋安全状态和制定拱肋管养决策至关重要。针对目前的桥梁状态评估体系和方法进行调研可知，常规综合评估法仍然是实际桥梁状态评估的主要方法，此外还有蒙特卡罗法[55]、荷载试验法[56]、层次分析法、模糊综合评估法[57]、神经网络法[58]、灰色关联度评估法、遗传算法[59]等，评估方法在实际桥梁中应用呈增多趋势。

随着桥梁信息化和智能化的发展，评估方法在桥梁中的应用越来越多，相关的研究成果也比较丰富。郭晓等[60]提出层次分析法和模糊理论相结合的模糊综合评估方法，在评估模型中拱肋的评估指标包括位移、倾角、应变和振动频率;沈培文等[61]建立了递阶层次模型的CFST拱桥评定方法;崔凤坤等[62]提出了基于混合算法的大跨度CFST拱桥正常使用可靠度评估方法;黄侨等[63]建立了CFST拱桥4层次评价模型，通过正态关联函数进行关联度的计算，确定了模型的评价指标和分级标准，形成成套的考虑不确定性的CFST拱桥评价指标体系及方法;郝天之等[64]提出了基于云重心理论的桥梁技术状态评定方法;宗周红等[65]提出结合群判断理论、加权集值统计理论的变权桥梁综合评定方法，该评定方法可以考虑评定过程中的随机性与模糊性;Sasmal等[66]利用模糊理论结合层次分析法，提出了既有桥梁状态等级评定方法，在桥梁构件组成优化一致向量的基础上采用多目标决策模型（MADM）对单个构件进行状态评定。这些研究有力地促进了桥梁状态评估体系和评估方法的发展。

综上所述可知：

（1）评估体系方面，目前建立的评估体系多是针对CFST拱桥整桥的，单独涉及拱肋的评估体系比较少，拱肋脱空也没有被纳入到评估体系中，评估体系的科学性和合理性有待进一步开展研究。

（2）评估方法方面，受限于拱肋检测技术和设备的发展水平，拱肋实桥获取的检测数据往往比较少，而目前常用的评估方法各有优缺点和适用范围，对有限实测数据的利用率还不高，亟须提出一种高效利用检测数据的拱肋评估方法。

4 结语

通过对CFST拱桥拱肋的检测与状态评估进行统计与分析可知，CFST拱桥拱肋的检测与状态评估存在以下几个方面问题亟须解决：

（1）传统拱肋脱空检测方法主要是敲击法和超声波检测法，存在检测效率低、成本高和拱肋全长检测难度大等问题，制约拱肋脱空智能检测设备的研发，亟须提出一种高效无损的拱肋脱空检测新方法。

（2）受检测设备与拱肋之间连接等技术瓶颈影响，对拱肋进行智能高效检测的机器人比较少，制约了拱肋的检测效率，增加了检测成本，需进一步开展深入研究。

（3）针对拱肋的评估多集中在表观病害方面，较少涉及拱肋脱空，如何量化拱肋脱空和构建考虑拱肋脱空的拱肋状态评估体系需进一步开展研究。

（4）受限于拱肋检测方法和检测设备，拱肋获取的实际检测数据往往有限，现行评估方法对有限检测数据的利用率不高，亟须建立能够高效利用有限检测数据的新评估方法。

参考文献：

[1]韩 玉，杜海龙，秦大燕，等.平南三桥施工重难点及关键技术研发[J].公路，2019，64（10）：140-146.

[2]郑皆连，王建军，牟廷敏，等.700 m级钢管混凝土拱桥设计与建造可行性研究[J].中国工程科学，2014，16（8）：33-37.

[3]陈宝春，杨亚林.钢管混凝土拱桥调查与分析[J].世界桥梁，2006（2）：73-77.

[4]陈宝春，刘福忠，韦建刚.327座钢管混凝土拱桥的统计分析[J].中外公路，2011，31（3）：96-103.

[5]Jielian Zheng，Jianjun Wang.Concrete-Filled Steel Tube Arch Bridges in China[J].Engineering，2017，4（1）：143-155.

[6]陈宝春，韦建刚，周 俊，等.我国钢管混凝土拱桥应用现状与展望[J].土木工程学报，2017，50（6）：50-61.

[7]鄭皆连，王建军.中国钢管混凝土拱桥[J].Engineering，2018，4（1）：306-331.

[8]余加勇，邵旭东，晏班夫，等.基于全球导航卫星系统的桥梁健康监测方法研究进展[J].中国公路学报，2016，29（4）：30-41.

[9]郑远攀，李广阳，李 晔.深度学习在图像识别中的应用研究综述[J].计算机工程与应用，2019，55（12）：20-36.

[10]叶 勇，李 威，陈锦阳.考虑脱空的方钢管混凝土短柱轴压性能有限元分析[J].建筑结构学报，2015，36（S1）：324-329.

[11]叶 勇，韩林海，陶 忠.脱空对圆钢管混凝土受剪性能的影响分析[J].工程力学，2016，33（S1）：62-66，71.

[12]陈 逵，李骅庚，曹智雄，等.超声法检测建筑工程钢管混凝土缺陷试验研究[J].施工技术，2017，46（3）：65-68.

[13]石世赛，官 权.钢管混凝土缺陷定量的超声波检测方法[J].无损检测，2011，33（3）：66-67.

[14]骆勇鹏，谢隆博，廖飞宇，等.基于时序分析理论的钢管混凝土脱空缺陷检测方法研究[J].工业建筑，2019，49（10）：48-53.

[15]曹国辉，祝 新，刘 辉.超声法检测钢管混凝土质量[J].四川建筑科学研究，2010，36（1）：80-83.

[16]程 波，张绍原，王振宇.超声法检测钢管混凝土缺陷的研究及工程应用[J].混凝土，2008（4）：108-110，114.

[17]张东方，王运生.冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究[J].工程地球物理学报，2009，6（3）：364-367.

[18]周先雁，肖云风.用超声波法和冲击回波法检测钢管混凝土质量的研究[J].中南林学院学报，2006，26（6）：44-48.

[19]丁 睿，刘浩吾，罗凤林，等.钢管混凝土拱桥界面脱空光纤传感研究[J].实验力学，2004，19（4）：493-499.

[20]黄政宇，周伟刚，李 瑜.超声反射法单面检测钢混凝土粘结界面质量的研究[J].湘潭大学学报（自然科学版），2007，29（1）：102-107.

[21]邓海明，李彦贺，王鸿章，等.钢管混凝土柱断面界面剥离缺陷检测试验研究[J].压电与声光，2016，38（1）：166-169，173.

[22]许 斌，蔡 萍，周 宇，等.基于嵌入压电技术的钢管核心混凝土缺陷检测[J].压电与声光，2015，37（3）：489-492，496.

[23]Beutel R，Reinhardt H W，Christian U.Comparative performance tests and validation of NDT methods for concrete testing[J].Journal of Nondestructive Evaluation，2008（27）：59-65.

[24]程 波，张绍原，王振宇.超声波检测钢管混凝土缺陷的研究及工程应用[J].混凝土，2008（4）：108-110.

[25]刘永前，张彦兵，邹振祝.超声波检测钢管混凝土拱桥密实度的试验研究[J].北方交通大学学报，2004，28（4）：54-57.

[26]Beutel R，Reinhardt H W，Grosse C，et al.CoMParative performance tests and validation of NDT methods for concrete testing[J].Journal of Nondestructive Evaluation，2008，27（1）：59-65.

[27]檀永杰，徐 波，吴智敏，等.基于超声对测法的钢管混凝土脱空检测试验[J].建筑科学与工程学报，2012，29（2）：102-110.

[28]Dong Wei，Wu Zhimin，Zhou Xiangming，et al.Experimental studies on void detection in concrete-filled steel tubes using ultrasound[J].Construction and Building Materials，2016，128（12）：154-162.

[29]董軍锋，王耀南，昝 帅.超声波检测矩形钢管混凝土脱空缺陷的研究[J].建筑科学，2018，34（1）：103-107.

[30]董军锋，王耀南，昝 帅.足尺圆形钢管混凝土试件超声波检测脱空缺陷及处理研究[J]. 工业建筑，2017，47（7）：166-169.

[31]SS Pan，XF Zhao，H Zhao，et al.Experiment on Interface Separation Detection of Concrete-Filled Steel Tubular Arch Bridge Using Accelerometer Array[J].Biotechnology，2013，8（9）：1 311-1 317.

[32]张东方，王运生.冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究[J].工程地球物理学报，2009，6（3）：364-367.

[33]高远富，王仲刚，周 凌，等.钢管混凝土叠合柱弹性波CT空洞与脱空缺陷检测分析[J].物探化探计算技术，2015，37（1）：89-96.

[34]王靖涛，黄新国，丁美英，等.钢管混凝土表面波检测的小波分析方法[J].岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1 878-1 880.

[35]刘福生，张 彬.浅谈钢管混凝土拱桥及质量检测的研究现状[J].黑龙江交通科技，2008（12）：105-107.

[36]王文元，王桂玲，危 鼎，等.利用橡胶加热带检测钢管混凝土密实度的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2018（8）：74-77.

[37]杨鸿玉，刘卫东，危 鼎，等.利用入模温差检测钢管混凝土密实性试验研究[J].混凝土与水泥制品，2018（5）：78-81.

[38]陈 禾，秦 迎，陈 劲，等.基于红外热成像法和超声波法的钢管混凝土无损检测技术试验研究[J].建筑结构，2020，50（S1）：890-895.

[39]丁 睿，刘浩吾，罗风林，等.光纤检测钢管混凝土界面脱空模型的试验研究[J].压电与声光，2004，26（4）：268-271.

[40]丁 睿，刘浩吾，侯 静，等.拱桥钢管混凝土无损检测技术研究[J].压电与声光，2004，26（6）：447-450.

[41]丁 睿，刘浩吾，罗风林，等.钢管混凝土拱桥界面脱空光纤传感研究[J].试验力学，2004，19（4）：493-499.

[42]钟继卫，王 波，王 翔，等.桥梁检测技术研究与应用[J].桥梁建设，2019，49（S1）：1-6.

[43]鲍跃全，李 惠.人工时代的土木工程[J].土木工程学报，2019，52（5）：1-11.

[44]Yiye Xu，Yelda Turkan.BrIM and UAS for bridge inspections and management[J].Engineering，Construction and Architectural Management，2019，27（3）：785-807.

[45]MORGENTHAL G，HALLERMANN N，KERSTEN J，et al.Framework for automated UAS-based structural condition assessment of bridges[J].Automation in Construction，2019（97）：77-95.

[46]钟新谷，彭 雄，沈明燕.基于无人飞机成像的桥梁裂缝宽度识别可行性研究[J].土木工程学报，2019，52（4）：52-61.

[47]梁亚斌，蔡思佳，冯 谦，等.基于无人机航拍的武汉天兴洲长江大桥桥索PE外观检测技术[J].大地测量与地球动力学，2019，39（11）：1 207-1 210.

[48]Lin Weiguo，Sun Yichao，Yang Qiaoning，et al.Real-time comprehensive image processing system for detecting concrete bridges crack[J].Computers and concrete，2019，23（6）：445-457.

[49]Chen Siyuan，Laefer，Debra F，Mangina Eleni，et al.UAV bridge inspection through evaluated 3D reconstructions[J].Journal of Bridge Engineering，2019，24（4）：05019001.

[50]方留杨，陈华斌，吴晓南，等.基于无人机三维建模技术的桥梁检测方法研究[J].中外公路，2019，39（1）：109-113.

[51]Phillips S，Narasimhan S.Automating data collection for robotic bridge inspections[J].Journal of Bridge Engineering，2019，24（8）：04019075.

[52]Xu F Y，Jiang Q S.Dynamic obstacle-surmounting analysis of a bilateral-wheeled cable-climbing robot for cable-stayed bridges[J].Industrial Robot：the International Journal of Robotics Research and Application，2019，46（3）：431-443.

[53]王曉琳，陆绍辉，李东平，等.一种轻型碳纤维爬索机器人及其检测系统研究[J].广西科技大学学报，2017，28（4）：25-31.

[54]叶晓乐，刘 洋，叶觉明.韩国桥梁缆索检测机器人研究[J].世界桥梁，2017，45（5）：54-59.

[55]郭 彤，李爱群，卞朝东.基于蒙特卡罗数值模拟的大跨桥梁状态评估[J].公路交通科技，2005（8）：26-32.

[56]黄平明，陈万春.桥梁养护与加固[M].北京：人民交通出版社，2008.

[57]郭 晓，王红伟，谢开仲，等.基于模糊理论的钢管混凝土拱桥状态评估方法[J].桥梁建设，2019，49（4）：58-63.

[58]崔凤坤，王虎军，徐 岳，等.基于BP神经网络和粒子群算法的钢管混凝土拱桥可靠度分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2016，39（8）：1 103-1 109.

[59]Mares C，Surace C.An application of genetic algorithms to identify damage in elastic structures[J].Journal of Sound and Vibration，1996，195（2）：195-215.

[60]郭 晓，王红伟，谢开仲，等.基于模糊理论的钢管混凝土拱桥状态评估方法[J].桥梁建设，2019，49（4）：58-63.

[61]沈培文，丁永灿，周水兴，等.钢管混凝土拱桥安全评估方法研究及系统开发[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（1）：22-26.

[62]崔凤坤，杜岳涛，徐 岳，等.基于混合算法的大跨度钢管混凝土拱桥正常使用可靠度评估[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2016，48（6）：874-880.

[63]黄 侨，唐海红，林阳子.钢管混凝土拱桥上部结构综合评价方法[J].哈尔滨工业大学学报，2010，42（1）：115-118.

[64]郝天之，谢正元，陈齐风，等.基于云重心理论的桥梁技术状态评定方法[J].土木工程学报，2017，50（8）：78-87.

[65]宗周红，朱三凡，夏樟华.大跨径连续刚构桥安全性评估的综合分析方法[J].铁道学报，2011，33（7）：110-117.

[66]Sasmal S，Ramanjaneyulu K.Condition evaluation of existing reinforced concrete bridges using fuzzy based analytic hierarchy approach[J].Expert Systems with Applications，2008（35）：1 430-1 443.