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无损检测技术在道桥中的应用
日期:2006-01-09来源:作者:gongluyanghu
无损检测技术在道桥中的应用



卢彭真1  屈吕文2  陈智伟3  郑丹燕4



1.广州大学,广东 广州 510405



2.浙江宏途交通工程公司,浙江 杭州 311112



3.绍兴市交通建设监理咨询有限公司,浙江 绍兴 312000



4.浙江交通职业技术学院,浙江 杭州 311112



 



摘要:介绍了无损检测技术在道桥中的应用情况,分析了无损检测技术在道桥工程应用中所存在的困难与问题,从中提出一些解决问题的思路与以及预测道桥无损检测技术今后的发展趋势。



关键词:无损检测;道路与桥梁;应用与发展



 



20年来,在我国的道桥建设飞速发展的同时,也有大批既有道路与桥梁相继进入老化时期。为此,为了确保道桥结构的安全运营,对道桥检测工作提出了更高的要求,道桥检测工作亦由此愈发显得重要。目前国内外在道桥检测方面继出现了许多现代检测技术与检测方法,其中比较具代表性的,国内外学者关注最多的是桥梁的健康诊断无损检测。道桥的无损检测技术的发展始于20世纪30年代初,目前已形成了一个较完整的无损检测体系[1]。文中扼要地介绍了其中的几种无损检测技术在道桥检测中的具体应用,分析了这些无损检测技术在应用中所存在的困难与问题,并提出一些解决问题的对策思路以及无损检测的发展趋势[2]



1 无损检测技术的特点与应用



1.1 无损检测技术的特点



无损检测技术是指在不影响结构或构件性能的前提下,通过测定某些适当的物理量来判断结构或构件某些性能是否发生改变的检测方法。无损检测技术是多学科紧密结合的高技术产物,现代材料学和应用物理学的发展为无损检测技术奠定了理论基础,而现代电子技术和计算机科学的发展又为无损检测技术提供了现代化的测试工具。



1.2       无损检测技术在道桥中的具体应用与存在的主要问题



1.2.1 光纤传感技术在桥梁检测中的应用与问题



光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性,将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术。从20世纪70年代中期至今,光纤传感技术经过20多年的飞速发展已经有了很大的进步,已成功研制百余种光纤传感器。它已涉及到国防军事、航天航空、工矿企业、能源环保、生物医药、计量测试、自动控制和家用电器等各种领域。将光纤传感器应用于桥梁测量中,可实现对桥梁钢索的索力及预应力连续混凝土梁内部应力、应变特性的测量和监测,构成所谓的光纤智能桥梁。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于:传统的传感器是以应变-电量为基础,以电信号为转换及传输的载体,用导线传输电信号,因而使用时受到环境的限制,如环境湿度太大可能引起短路,特别是高温和易燃、易爆环境中易引起火灾等。光纤应变传感器是以光信号为变换和传输的载体,利用光纤传输信号,它的优点是:光纤是由石英玻璃制成的,是一种介质、绝缘体,且耐高压、耐腐蚀,能在易燃易爆的环境下可靠运行;光纤为无源器件,对被测对象不产生影响; 光纤体积小,重量轻,可做成任意形状的传感器阵列;光纤传感器的载体是光。



我国从20世纪90年代开始了对光纤传感技术的应用研究。同济大学、重庆大学、哈尔滨工程大学等院校对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究,并已应用于桥梁检测中,取得了较好的效果。其中重庆大学已把其在光纤传感技术方面的研究成果应用在重庆槽坊立交桥的长期在线动态远程健康监测中,证明了其技术的可行性。把光纤传感技术运用到桥梁检测中给桥梁健康监测和安全评价注入了新的活力[3]



利用光纤传感技术进行无损检测虽然有精度高和实用性强,以及对桥梁能进行健康诊断等的独特的优越性能,在桥梁检测中的应用形式比较乐观,然而,因其价格昂贵,针对我国的国情该项技术在我国的桥梁检测中还难以推广。



1.2.2 超声波在检测灌浆管道空隙位置中的应用与问题



利用超声波检测梁中的空隙位置是基于瞬间应力波的原理。用一种短促的机械撞击(用小钢球敲击混凝土表面)产生低频应力波,传导至结构内部,再由断裂面或界面发射回来,以反射波的形态来进行判断。



来自冲击面、断裂面以及其它面间的多种波会产生瞬间共振,可以用来测定结构的完整性或裂隙的位置,记录下来的信号(时间-频率曲线)可以进一步提供有关空隙位置的信息。



如利用超声波检测钢管混凝土中钢管与混凝土以及混凝土内部之间的脱空情况等,其原理可以归纳如下:当超声波换能器布置为直接对穿法检测时,超声波在钢管混凝土中径向传播的时间为t,与绕钢管壁半周长传播的时间tsp的关系为:



tspvctc/2vsp                                (1)



式中,vc为超声波在钢管混凝土中的传播速度:vsp为超声波绕钢管壁的传播速度。该工程钢管混凝土的设计强度等级为C50,采用525号普通硅酸盐水泥、中砂及5~25mm碎石,掺 级低钙灰、高浓高效泵送剂以及U型膨胀剂。钢管混凝土实测超声波波速vc约为4.5km/s,钢管的波速vsp约为5.4km/s即:



tsp=1.3tc                  (2)



由上式可以看出,只要钢管混凝土内部是密实的,且混凝土与钢管内壁胶结良好,则用对穿法检测时,接收信号的首波是沿钢管混凝土径向传播的超声纵波,而绕钢管壁半周长传播的时间较长,其初至波叠加于首波之后。故可应用超声波检测钢管混凝土的质量情况[4]



虽然超声波可以应和于桥梁的综合检测和维修,可以对桥的梁、板以及桩等结构进行检测,以确定管道中是否存在空隙,进而可以及时进行灌浆修补,但是该项检测技术也有许多有待改进和完善的地方,如管道相交或相邻时对检测的影响;管道中有蜂窝体、水或部分空气时对结果的影响;采用别的材料的管道对检测的影响;该项检测技术在检测道路路基密实性等问题有待进一步的研究[5]



1.2.3 探地雷达在道桥中的应用与问题



探地雷达是利用高频电磁脉冲波(10~1000MHz或更高)以宽频带短脉冲形式由发射天线送入地下,该雷达脉冲在地下传播过程中,遇到不同电性介质交界面时,部分雷达波的能量被反射回地面,被接收天线接收。探地雷达探测的是来自地下介质交界面的反射波,每一记录道的雷达数据n(t)可看成是雷达脉冲子波b(t)与反射波系数序列R(t)的卷积:



             (3)



式子中,子波b(t)取决于所使用的雷达系统,而R(t)则包含了地下介质的信息。通过探地雷达记录的反射波到达地面的时间t和反射波的波幅来研究地下介质的分布,以其特有的高分辨率在浅层或超浅层探测中有着极其广阔的应用[6]



探地雷达其特点为:能精确测定缺陷区的形状、大小和深度;节省劳力、操作方便、速度快;能在大范围内进行检测;不受周围环境影响。探地雷达在道路中具体应用主要是对道路面层厚度检测、道路基层空洞及高含水的检测、基层厚度以及挡土墙病害检测等[3]。另外根据探地雷达的特性,还可以将其运用于道路的材质、裂缝、湿度检测,以及桥梁的结构检测等。这对于雷达的性能以及分析人员有着较高的要求,必须有大量的实测数据及工程实践为基础。



探地雷达在道路以及桥梁结构的检测方面的确具有广阔前景,然而其价格也比较贵,如意大利某公司生产的价格较低的也需要二十几万元人民币一台,因此还有待于自产开发研制才能得以推广应用。



2 促进与改善道桥无损检测的思路方法对策



2.1 依靠现代科技对行业检测技术进行突破



通过对以上三种较先进的无损道桥检测技术的分析,从中不难发现其有一个共同的特点:这些技术大多首先是从国外引进,因此其价格都比较贵,在我国进行大范围的运用推广在技术上以及经济上存在一定的难度。针对该情况,为使该技术能在我国得到广泛地推广应用,必须在掌握该类检测技术的同时尽可能地根据我国国情进行自主的技术创新,依靠现代的科学技术进行研究,使我国的行业检测技术在国际行业检测技术上有所突破[8]



2.2 完善行业检测的内容



道路工程是由点、线、面所组成呈带状分布的系统工程,它涉及的内容比较多、范围比较广。通常有路基、路面、桥涵、隧道等多种结构物。以上提到的检测技术还仅仅是在道桥工程的一小范围上得以运用,有许多新的行业项目检测技术有待于研究开发,同时使开发的产品可以运用在道桥工程领域的不同方面。如可以利用检测设备对桥梁的桥面结构、混凝土桥梁结构、钢桥结构、桥梁的下部结构、道路路基路面结构、挡土墙结构以及桥梁地基基础结构等道桥工程多方面地进行全方位的检测,从而不仅使行业的检测技术领域得到发展,而且使行业检测的内容也得以完整与补充[9]



2.3 加强行业队伍的建设



道桥检测是对道桥原型结构或桥梁模型结构直接进行的科学检测工作,包括检测准备、现场检测、分析整理等内容等一系列工作,它对行业队伍的专业技术素质要比较高。因此,为促进我国行业检测技术水平的提高,很有必要加强行业检测队伍的建设,如高校设置行业检测专业、对从事行业检测的技术人员要时常进行专业技术的培训、相应地建立行业检测技术规范以及检测技术评定标准等。只有这样才能使我国的行业检测队伍不断地走向规范化。



3 道桥无损检测技术的发展趋势



无损检测技术在道桥工程中的应用,经历了相当长的一段时期,就像其它的技术一样也经历了研究、开发、应用等不同阶段。但是无损检测技术的研究,开发和应用必竟是一个相对较新的领域,其中不仅有许多急待解决的技术问题,同时其应用领域也有待于进一步地开拓。



无损检测技术是多学科综合的一门应用技术,是建立在基础学科的基础之上的,因此要使该项技术得以快速发展,必须首先加强各相关基础学科的研究,只有从基础理论中不断吸收养分,无损检测技术才能不断完善和发展。在无损检测技术的研究中,应善于把基础理论与工程实践结合起来,建立起理论研究与工程应用联系的桥梁,这样才能完善现有的方法。开辟新的应用领域和检测内容是无损检测技术研究的另一个方面,在道桥工程的应用中除了用于主要结构的检测外,还应将其用于路线的勘测设计、路线的横断面设计以及纳入桥梁的设计等。



4 结语



随着我国大规模的交通建设,一些已建的高等级道路以及一些大型的桥梁、隧道等结构的使用安全性问题也显得日益突出,为此,为无损检测技术的发展提供了很好的发展市场,同时也为无损检测技术的应用提出了更高的要求。因此,无损检测技术的研究与开发具有广阔的前景。



 



参考文献:



[1] 刘沐字,等.桥梁无损检测技术的研究现状与发展[J].中外公路,2002,(6):34-37.



[2] 张俊平.桥梁检测[M].北京:人民交通出版社,2002,(10).



[3] 毕卫红,等.光纤传感技术在桥梁检测中的应用[J].研究与开发,2002,(6):49-51.



[4] 童寿兴,等.超声波检测拱桥的拱肋钢管混凝土质量[J].桥梁建设,2002,(4):22-24.



[5] 夏户星.钻孔灌注桩超声波检测工作经验.交通科技,2003,(3):98-100.



[6] 赵建三,等.探地雷达在公路路基质量检测中的应用研究[J].长沙交通学院学报,2003,(1):25-30.



[7] 付国强.探地雷达在挡墙病害检测中的应用[J].铁道建筑技术,2003,(5):63-66.



[8] 谢开仲.桥梁工程检测技术研究[J].广西大学学报,2003,(6):208-211.



[9] 王毅娟.桥梁检测与监测技术的开发与应用[J].北京建筑工程学院学报,2003,(6):37-41.



 



(摘自:《河北工程技术高等专科学校学报》2004年9月)

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