桥梁内部钢结构病害检测研究与应用

周建庭，夏润川，张 洪

(1. 重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

我国桥梁总数超过100万座，桥梁总长度超过6 500 万米，均稳居世界第一，是名副其实的世界桥梁大国。但在内部因素(部分桥梁建设标准偏低、建设质量问题、材料与结构自然老化)和外部因素(自然灾害频发、交通量持续增长、车辆超重现象严重)的共同影响下，桥梁的管理压力和养护压力不断升级，桥梁安全面临巨大威胁，一系列桥梁垮塌事故令人痛心。因此，如何实现桥梁结构安全状况的有效预测和科学管养，成为国内外研究学者共同关注的话题，且对于促进我国社会、经济的高质量发展具有重大社会意义和巨大经济价值。

贯穿桥梁整个服役过程，桥梁病害具有形态各异、成因复杂、分布不均等特点，而桥梁内部钢结构病害由于隐蔽性强而不易察觉，且此类病害将造成突发性的结构破坏，目前仍然是桥梁管养中的痛点和难点。聚焦于桥梁常用钢材，内部钢结构病害主要包括桥梁钢筋锈蚀、拉索腐蚀断裂、钢筋应力破坏3类：

1)桥梁钢筋锈蚀

桥梁钢筋锈蚀产生于混凝土保护层的局部开裂。外界的空气、水和腐蚀性物质侵入结构内部，促使钢筋发生化学反应、出现浮锈甚至有效截面损失，而体积膨胀的锈蚀产物又会对周围混凝土产生膨胀力，混凝土裂缝扩宽将加速钢筋锈蚀进程，促使钢筋锈蚀状况继续恶化。由于钢筋锈蚀深藏于混凝土保护层内部，病害程度难以预见。一旦混凝土裂缝和表面锈迹可明显观测，桥梁钢筋已接近失效边缘。

2)拉索腐蚀断裂

拉索腐蚀断裂产生于拉索保护层的老化开裂。与钢筋锈蚀的机理相似，拉索内部钢丝、钢绞线同样存在腐蚀的风险。断丝则是腐蚀的极致表现形式，隐藏于拉索保护层中难以观测。另外，拉索承受交变荷载作用，应力腐蚀、钢材疲劳等因素亦会加剧拉索的腐蚀断裂。

3)钢筋应力破坏

钢筋应力破坏产生于钢筋内在的复杂受力状态。在应力和环境的共同作用下，钢筋极易出现低于材料强度极限的脆性断裂现象。由于钢筋深埋于桥梁内部，因此钢筋应力破坏成为桥梁承载力降低、结构失效的直接影响因素。

针对上述3类桥梁内部病害，现有方法主要利用钢筋、钢绞线等钢材的多种物理特性，依靠磁场、声波、热像仪、射线、雷达等非接触无损检测技术，在定性检测方面取得了较大进展，但定量检测效果仍存在较大发展空间，无法对内部病害程度进行准确评估，极大地限制了桥梁内部病害检测技术的发展进程。据统计，因桥梁内部病害导致的危桥数量占总危桥数量的80% 以上，一旦内部病害通过表观病害或结构破坏形式出现，桥梁结构已濒临危险失控的状态。因此，对桥梁内部病害进行及时检测和精准诊断，成为亟待解决的重大科学技术难题。

笔者团队基于自发漏磁检测原理，揭示了磁场变异特性与钢材损伤的相关性，并利用此共性特征，重点针对钢筋锈蚀、拉索腐蚀断丝和钢筋应力破坏3种桥梁内部病害，开展了检测方法、装置及其应用研究。

1 自发漏磁检测原理

当铁磁性材料(钢筋、钢丝、钢绞线等)发生应力集中或缺陷损伤时，在地磁场和载荷共同作用下，由于铁磁性材料具有高磁导率，在损伤处出现磁导率跃变、材料磁化不均匀现象，影响了材料原磁化强度的均匀分布，损伤位置产生自发漏磁场，导致自发磁场局部发生变异，如图1。图1中：磁感应强度切向分量Bx沿长度方向的分布在腐蚀区域发生凸凹，离钢筋(丝)越近凸凹越显著，凸凹区段长度与损伤区域有着明显的一致性；未发生损伤时，Bx在垂直方向呈单调变化，损伤后呈非单调变化，出现反转极值点，其反转极值点出现的位置与损伤程度具有良好的相关性。

图1 自发漏磁检测原理示意Fig. 1 Schematic diagram of self-magnetic flux leakage detection

因此，笔者利用自发漏磁检测原理，剖析铁磁性材料损伤前后的自发磁场变异特性，并研究变异特征与损伤之间的相关性，实现桥梁内部钢结构病害(锈蚀、应力集中)范围及程度的精准诊断。

2 桥梁内部钢筋锈蚀检测方法研究与应用

2.1 钢筋锈蚀检测方法研究

在钢筋锈蚀检测影响因素研究方面，笔者团队理清了提离高度、混凝土保护层厚度、箍筋、钢筋初始磁场等因素对钢筋锈蚀检测的影响规律。杨茂等[1]、周建庭等[2]开展了Φ20、Φ25螺纹钢筋、钢筋外包混凝土锈蚀检测试验，通过分析不同锈蚀状态、不同空间位置的磁信号分布规律，发现混凝土保护层覆盖下的钢筋锈蚀仍能被较好地识别，但由于提离高度越大，对应的磁感应曲线特征越不明显，故实际检测中需保持较小的提离高度；由于混凝土的磁导率和空气磁导率相同，故从理论层面，混凝土保护层并不会对钢筋锈蚀检测产生影响。张元恒[3]对带箍筋的钢筋混凝土矩形梁进行了磁场测量，得到不同提离高度下的磁场切向分量扫描曲线，结果表明，箍筋的存在仅会让曲线发生周期性的波动，且波峰位置与箍筋相对应，故在实际检测工程中，可通过该检测方式获取箍筋位置，其产生的磁场变化亦可相应扣除。YANG Ding等[4]针对40根钢筋进行了固定区域、不同程度的锈蚀模拟，通过分析钢筋周围的磁感应强度空间分布规律，提出了基于Bz-x曲线一阶导数的锈蚀检测磁分析参数G，结果表明，参数G与钢筋锈蚀度存在较大的离散性，由此提出了排除钢筋初始磁场影响的磁分析参数K，研究发现，钢筋的初始磁场对参数的影响较大，而在扣除初始磁场后的参数与锈蚀度之间离散性变小，线性关系增强。

在钢筋锈蚀量化表征研究方面，重点研究了钢筋锈蚀区域和锈蚀程度的判定问题。张洪等[5-7]采用自主研制的三轴磁场扫描装置对锈蚀钢筋进行顺筋扫描和竖向扫描，结果表明，锈蚀区域的切向磁感应强度Bx均出现明显的异变特征，其中，不同提离高度(H)的磁场竖向扫描曲线(Bx-x)出现“相交点”，且交点间距与钢筋锈蚀宽度较为吻合(图2)，由此提出了基于Bx-x曲线“相交点”的钢筋锈蚀区段长度辨识方法；钢筋锈蚀区域的顺筋扫描曲线(Bx-z)出现“反转点”，且反转点横坐标z′与钢筋锈蚀程度存在相关性(图3)，由此提出了基于Bx-z曲线“反转点”的钢筋锈蚀程度表征方法。吉祥等[8]结合钢筋混凝土试验梁的磁场测试数据，揭示了漏磁信号切向分量的极值增量ΔBx与钢筋锈蚀深度h之间的线性规律，提出了基于漏磁信号切向分量极值和梯度极值的钢筋断裂判别方法。邱俊澧等[9-10]探究了钢筋混凝土梁抗弯强度随锈蚀程度的变化趋势，并将其与自发漏磁建立联系，初步提出了钢筋混凝土梁抗弯强度完全丧失的磁特征判据。

图2 磁场顺筋扫描曲线与钢筋锈蚀宽度的相关性Fig. 2 Correlation between magnetic scanning curve along steel barand corrosion width of reinforcement

图3 磁场竖向扫描曲线与钢筋锈蚀程度的相关性Fig. 3 Correlation between magnetic scanning curve vertical tosteel bar and corrosion width of reinforcement

2.2 钢筋锈蚀检测装置研发与应用

为了便于工程应用与实桥测试，笔者团队自主研制了桥梁内部钢筋锈蚀无损量化检测装置(图4)，为国内外首创。该装置由磁感应强度传感器阵列与便携式数据采集系统组成，同时记录扫描路径各处的位置信息和自发漏磁场数据，可探测混凝土中埋深20 cm的钢筋锈蚀状况，攻克混凝土桥梁钢筋锈蚀长期以来只能定性不能定量检测的难题。

图4 钢筋锈蚀检测装置应用Fig. 4 Application of steel corrosion detection device

该装置已成功应用于广西12座桥梁的内部钢筋锈蚀无损量化检测。以石湾特大桥为例，测试结果如图5。结果表明，1#～4# 检测路径的磁信号大概每隔200 mm处有峰值交替出现，并且存在两条磁信号交叉现象，可推断该处箍筋绑扎不牢导致箍筋向下微弱偏移。由于所有检测数据并未出现判据所描述的现象，故不存在较大程度锈蚀情况，对桥梁安全状态无影响。

图5 石湾特大桥锈蚀状况评估Fig. 5 Evaluation of corrosion condition of Shiwan Super-large Bridge

2.3 与其他检测方法的比较分析

目前的钢筋锈蚀检测法[11]主要分为3类：电化学法、分析法、物理法。电化学法主要研究钢筋锈蚀过程中的电化学过程及变化特征，成为反映钢筋锈蚀程度的常用手段，包括半电池电位法和混凝土电阻率法。分析法主要通过混凝土的碳化深度、氯离子侵蚀浓度、表面裂缝等参数，根据经验来反向推测分析内部钢筋锈蚀情况，包括混凝土氯离子浓度分析法、混凝土开裂后裂缝反推法、综合经验分析法。物理法主要通过测量由钢筋锈蚀所引起的声、光、电、磁、热、波等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况。笔者团队研究了基于自发漏磁原理的钢筋锈蚀检测方法及装置，与其他检测方法的比较分析见表1。

表1 桥梁内部钢筋锈蚀检测方法的比较分析Table 1 Comparative analysis of detection methods of reinforcement corrosion in bridges

3 拉索内部腐蚀断丝检测方法研究与应用

3.1 拉索腐蚀断丝检测方法研究

在拉索腐蚀断丝检测影响因素研究方面，笔者团队明晰了地磁场、提离高度、试件长度、传感器间距等因素对拉索损伤检测的影响规律。李志刚[11]率先开展了钢绞线腐蚀检测与断丝监测试验，采用电化学法和万能试验机静力加载法，探究了钢绞线的腐蚀断丝形态、断丝发展过程及瞬间的漏磁信号分布规律及定性特征，研究表明，钢绞线腐蚀区域的磁信号切向分量梯度值出现波峰和波谷、法向分量梯度值出现波谷，而发生断丝瞬间的磁信号各分量均出现跳跃式突变；屈英豪等[12]采用磁屏蔽和结构退火的试验手段，并结合COMSOL软件的磁场分析及仿真研究，剖析了地磁场和自身磁化强度对磁记忆检测技术的影响机制，研究表明，稳定地磁场不会改变漏磁信号的变化规律，而结构自身磁化特性是产生自发磁场的主要原因；赵亚宇等[13]通过分析地磁场中铁磁性材料完好或带缺陷时的磁场分布组成，揭示了基于磁记忆的拉索腐蚀检测机理；周建庭等[14]开展了15根镀锌钢绞线的静力拉伸破坏系列试验，通过对空间磁场信号的实时监测，剖析了钢绞线破坏全过程的自发漏磁信号变化规律，明晰了磁极方向、护套、传感器间距等因素对拉索断丝诊断技术的影响，研究表明，磁极方向、有无护套对磁场分布规律影响较小，而传感器间距的影响较大，实际检测中需要选取合理的检测距离，从而保证拉索检测结果的准确性。

在拉索腐蚀断丝检测及表征研究方面，笔者团队利用相关理论模型，剖析了拉吊索腐蚀断丝区域、损伤程度与自发漏磁分布特征值的相关性。赵亚宇等[13]获取了磁信号切向分量归一化峰值与腐蚀时间的Boltzmann分布规律，拟合度R2达到0.994；夏润川等[15-16]针对拉索表面出现矩形和梯形腐蚀缺陷的情形，建立了拉索检测磁偶极子理论模型，并选取磁感应强度切向分量Bx曲线“极值点”作为研究特征值，构建了腐蚀自发漏磁切向分量极值的表征模型，通过引入Logistic增长模型并结合钢绞线腐蚀检测试验数据，获取了模型参数A随腐蚀深度h的变化规律(图6)，拟合度R2超过0.95，由此揭示了漏磁切向分量极值与腐蚀深度h的量化关系；屈英豪等[17]选取磁感应强度切向分量Bx曲线“相交点”作为研究特征值，构建了相交点间距Dx的表征模型，揭示了间距Dx与提离高度x的线性规律，研究表明：传感器越靠近结构表面(y→0)，间距Dx越靠近腐蚀宽度真实值，因此对Dx-x曲线1/4和3/4分位数进行线性拟合分析(图7)，提出了基于拟合公式“截距”的拉吊索腐蚀宽度诊断方法；夏润川等[18]结合工程应用中拉索的实际检测形态，获取了7根钢绞线索结构自发磁场的轴向分布和环向分布规律，提出了基于轴向扫描曲线相交点、环向扫描曲线极值点的拉索腐蚀缺陷位置识别方法，剖析了环向扫描曲线磁信号归一化极值与腐蚀程度的三次函数拟合规律。

图6 极值特征参数与腐蚀深度的相关性Fig. 6 Correlation between extreme value characteristics parameterand corrosion depth

图7 相交点间距与提离高度的相关性Fig. 7 Correlation between intersection point’s distance andlift-off height

3.2 拉索腐蚀断丝检测装置研发与应用

基于拉索出现腐蚀断丝时的自发漏磁特性，笔者团队自主研制了拉吊索腐蚀断丝无损量化检测装置(图8)，该装置为我国首个免励磁拉吊索腐蚀断丝无损量化检测装置，可实时展现拉索结构的保护层表观图像，对拉吊索腐蚀断丝的状况进行立体化检测与诊断。

图8 拉索腐蚀断丝检测装置应用照片Fig. 8 Picture of the application of cable corrosion/broken wiredetection device

该装置已成功应用于贵州、重庆等地的4座斜拉桥，以贵州红水河大桥为例，测试结果如图9。结果表明，靠近拉索锚固端，Bx(切向)、By(环向)和Bz(法向)3个方向的磁信号分量变化幅值较大；远离锚固端，磁信号变化平稳。采用无量纲化分析指标λ值对Bx测试数据进行深入分析，发现指标λ值变化平稳且均处于Ⅰ级区域，判断拉索内部无腐蚀断丝状况。

图9 贵州红水河大桥拉索状况评估Fig. 9 Evaluation of cable condition of Guizhou Hongshui River Bridge

该装置的成功应用，为桥梁拉索腐蚀状态的精准诊断提供了丰富的研究数据，研究成果具有广阔的应用前景。

3.3 与其他检测方法的比较分析

早期，对拉吊索损伤的检测主要采用人工目测法或机器观察法，即通过检测人员或携带摄像头的拉吊索检测机器人[19]，对拉吊索保护层的外观状况进行仔细观察，并根据破损情况初步判断结构内部出现腐蚀断丝的可能性。由于该类方法无法准确、高效地诊断腐蚀断丝损伤，因此，近年来，无损诊断方法逐渐崭露头角，成为难题攻关的主流研究方向，主要包括声发射监测法[20]、磁致伸缩导波检测法[21]和漏磁检测法[22]。无损诊断方法通过获取各物理参数(声信号、磁信号)，对拉吊索内部钢索的腐蚀情况进行表征。其中，漏磁检测法在应用中较为广泛，其利用磁化器将拉索磁化到饱和状态，通过对局部缺陷处漏磁信号的捕捉与分析，实现拉索内部腐蚀、断丝缺陷的无损诊断。笔者团队研究了基于自发漏磁原理的拉索腐蚀断丝检测方法及装置，与漏磁检测法的比较分析见表2。

表2 拉索内部腐蚀断丝检测方法的比较分析Table 2 Comparative analysis of detection methods for cable corrosion/broken wire

4 桥梁内部钢筋应力检测方法研究与应用

4.1 钢筋应力检测方法研究

笔者团队通过揭示了钢筋静力加载与自发磁场分布的相关性，实现钢筋应力检测与定量化表征。马惠香[23]首先模拟出不同损伤程度的裸钢筋、外包混凝土钢筋，然后通过施加静力荷载，分析了各构件在不同受力阶段的磁场特征：在弹性阶段的磁曲线变化光滑平坦，斜率趋近于零；在屈服阶段的曲线幅值变大；在强化阶段的曲线幅值进一步增加，且均向背景磁场线靠拢；在钢筋试件的应力集中位置，“面”图和“线”图分别呈现封闭式漩涡和波峰突变。PANG Caoyuan等[24-25]开展了裸钢筋、外包混凝土钢筋试件的静力拉伸和磁场在线扫描试验(图10)，分析了“轴向漏磁场波动对数值”AT与钢筋线弹性阶段应力的线性变化规律，由此构建了基于指标AT的钢筋弹性阶段应力量化方法，然后剖析了“面积偏移比参数”SD与钢筋强化阶段应力的线性变化规律，由此提出了基于指标SD的钢筋强化阶段应力量化方法。上述斜率均与钢筋直径、外包混凝土强度、传感器提离高度存在较强相关性。QU Yinghao等[26]建立了基于能量最小化原理的钢筋应力磁表征量化模型，通过开展钢筋静力拉伸试验，获取了磁场分布随应力变化的规律(图11)，探究了钢筋弹性阶段自发漏磁信号与钢筋应力的量化关系，并分析了提离高度、磁场初始状态对该量化关系的影响，结果表明，弹性阶段磁信号特征参数S与应力呈线性增加规律；在塑性与弹性阶段过渡区，曲线斜率变化显著；塑性阶段磁信号变化不明显；提离值和初始值对该线性变化规律影响较小。

图10 磁信号与静力加载曲线的相关性Fig. 10 Correlation between magnetic signal and static loading curve

图11 磁信号特征值与应力的相关性Fig. 11 Correlation between magnetic signal characteristic value andstress

4.2 钢筋应力检测装置研发与应用

笔者团队研制了桥梁钢筋磁记忆破坏应力非接触式检测装置，如图12。该装置可对桥梁特定截面处应力状态进行单次检测，也可对桥梁特定截面处应力状态进行长期的监测，实时掌握桥梁的运行状态。该装置已成功应用于云南省武易高速公路和重庆市内22座桥梁，以重庆大田坝大桥为例，测试结果如图13。结果表明，经历加载-卸载后，测点处漏磁场相对偏离率Dr的3个分量均小于2%，且非常接近于零，说明钢筋处于弹性形变范围，承载力良好，与应变法测试结果一致。

图12 钢筋应力检测装置Fig. 12 Steel bar stress detection device

图13 重庆大田坝大桥应力磁表征分析Fig. 13 Stress magnetic characterization analysis ofChongqing Datianba Bridge

该装置的施工周期短、检测灵敏，可帮助管理部门实时了解桥梁内部应力和表观损伤状态，提高了桥梁检测效率和安全性，为桥梁的安全运营提供科学的管养措施。

4.3 与其他检测方法的比较分析

钢筋应力检测方法可分为局部破损检测法和应力无损检测法。局部破损检测法以应力释放法(贴片法、切片法)为主。贴片法是对钢筋表面粘贴应变片后再施加荷载，通过测得钢筋的应变增量来实现钢筋的应力检测；切片法则是切割钢筋使钢筋截面减小，通过测量钢筋释放的应变来反推钢筋的应力。应力无损检测法包括超声检测[27]、涡流检测[28-29]和磁性检测法[30]，其通过测试声学参数(超声波波速、频率等)、电学参数(感生涡流信号、电导率等)和磁学参数(漏磁场信号、磁导率等)，建立参数与应力的相关性，实现钢筋应力的无损检测。其中，贴片法为目前钢筋应力检测应用最为广泛的方法。笔者团队研究了基于自发漏磁原理的钢筋应力检测方法及装置，与贴片法的比较分析见表3。

表3 桥梁内部钢筋应力检测方法的比较分析Table 3 Comparative analysis of stress detection methods of steel bars in bridges

5 结 语

桥梁内部钢结构具有隐蔽性强的特点，且此类病害造成的结构破坏具有突发性、难预见性，目前仍是桥梁管养中的痛点和难点。笔者针对桥梁内部钢筋锈蚀、拉索腐蚀断丝和钢筋应力状态的检测难题，利用钢筋、钢绞线等材料的铁磁特性，提出了基于自发漏磁原理的桥梁内部钢结构病害检测方法，研发了相应的桥梁病害检测装置，并在多座桥梁上进行测试与验证，为实现检测方法和研究成果的大规模应用与推广奠定了坚实基础。

在后续研究中，笔者团队将结合实桥运营环境，考虑环境温度、汽车荷载、结构形式等复杂因素的耦合影响，提高检测方法的准确度和精度，建立实用的桥梁内部病害检测标准体系，并融合互联网、大数据等先进技术理念，不断优化桥梁内部钢结构病害检测装置的运行性能、操作界面以及实用功能。