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无损检测在金宝河大桥中的应用

2014-07-04 14:16:29

[导读] 近年来国内外在桥梁检测技术以及检测手段得到了长足的发展,相继出现了许多包含现代技术的检测方法,其中最具代表性的是对桥梁的无损检测。


无损检测能够正确的对桥梁在不同环境下的结构特性及对结构中既有损伤的识别与定位,并且较为准确的、定量的提供桥梁状况数据,为评价桥梁的健康状况提供了较为可靠的依据。

随着中国经济的高速发展,国内的公路桥梁建设及管理也得到了更好的发展。为了确保桥梁结构能够安全运营对桥梁的检测提出了更高的要求,桥梁检测工作凸显重要。基于此,近年来国内外在桥梁检测技术以及检测手段得到了长足的发展,相继出现了许多包含现代技术的检测方法,其中最具代表性的是对桥梁的无损检测

无损检测能够正确的对桥梁在不同环境下的结构特性及对结构中既有损伤的识别与定位并且较为准确的、定量的提供桥梁状况数据,为评价桥梁的健康状况提供了较为可靠的依据。自上世纪 30 年代, 人们就开始探索和研究混凝土的无损检测技术,相继出现了表面压痕法、共振法、超生脉冲法等,随着越来越多的学者参与桥梁检测技术研究,目前在世界范围内形成了一个较为完整的混凝土无损检测体系。

较为先进的检测方法包括:光纤传感技术在桥梁检测中的应用、超声波检测灌浆管道中的空隙、探地雷达在公路与桥梁中的应用、瞬态振动法无损检测桥梁桩基以及利用红外图像无损检测等。

1桥梁无损检测的内涵及特点

1.1 桥梁无损检测的内涵

桥梁是一个由多种材料,多种结构组成的大型综合系统,其内部各组成成分、性能相差甚远,因此,桥梁检测的范围也十分广泛、复杂。

因此,在实际的检测过程中就应该避轻趋重,着力关注对结构工程产生严重影响的损伤。

钢筋和混凝土是目前桥梁工程中应用最广的结构材料,该材料的性能状况在很大程度上决定了桥梁的工作性质和受力状况,决定了桥梁的损伤形成和发。对钢筋而言,其本身损伤主要表现为疲劳损伤和钢筋锈蚀。在钢筋冶炼过程中由于杂质的存在,不仅在微观上破坏钢材的连续性,而且在合适的条件下会成为导致钢材锈蚀的阳极,成为钢材电化腐蚀的直接根源;在钢筋焊接过程中也会产生焊缝中的微裂缝、焊接过程中的残余应力等薄弱环节。

在结构受力时,这些环节处会导致应力集中出现,最终致使桥梁损伤。

混凝土作为一种多相复合材料,在凝结和硬化过程中水泥的干缩而在较大骨料颗粒与砂浆或水泥的接触面形成微裂缝,随着时间的推移和桥梁荷载的增加,微裂缝愈演愈烈,最终导致桥梁损伤。另外,桥梁投入使用后

,自然界和人类对其施加的各种荷载以及环境因素对桥体造成的影响日积月累终将导致桥梁构件的抗力退化,以疲劳退化和强度退化为主,从而导致结构损伤形成裂缝等等。

桥梁无损检测主要是基于整体的结构状况识别和局部的构件损伤识别的一种检测技术,主要用于与结构安全有关的宏观力学性能及宏观缺陷测试等方面。在具体的检测中主要用于桥梁自身材料和结构方面的

特性检测;合理选取反映桥梁整体或局部的某些性能的物理量,并确定相互之间的函数关系的检测。

1.2 无损检测的技术特点

不影响结构或构件性能。

该检测方法是通过测定某些适当的物理量来判断结构或构件相应性能的检测方法,是多学科紧密结合的高技术方法。该检测方法是基于现代材料学、应用物理学、现代电子技术和计算机科学的基础上发展起来的多学科性、高技术性的现代化检测方法。

2光纤传感技术在检测中的应用

2.1 光纤传感技术

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信号的技术。光纤传感器是把光纤传感技术应用于测量领域的一种传感器件。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质,而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(如振福、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接地发生变化,从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。将光纤传感器应用于桥梁测量与监测中,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。

2.2 光纤传感器与传统传感器主要区别

光纤传感器与传统传感器主要区别在于:

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,使用时容易受环境的限制。湿度大则可能引起短路,在高温和易燃、易爆环境中则易引起火灾等。

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,由于光纤是由石英玻璃制成的,其具有绝缘、耐高压、耐腐蚀等特点,能在易燃易爆的环境中可靠运行;为无源器件,对被测对象不产生影响;体积小,重量轻,可做成任意形状的传感器阵列;其载体是光,灵敏度高、抗电磁干扰性强、便于遥测等;但光纤传感同传统传感器相比价格昂贵,因此在大范围推广上存在一定难度。

1989 年, 美国的 Mendez 等首先提出了把光纤传感器埋入混凝土建筑结构中用于检测内部情况,并描述了其在实际应用中的设想作为光纤传感器被研究利用的开始。近 20 年来, 光纤传感器因其独特的优点而越来越受到土木工程师的钟爱,并逐渐在土木工程特别是桥梁结构检测中得到了广泛的研究与应用。最近几年来,随着光纤光栅制备工艺日趋成熟,人们对其在光传感方面的研究,变得更为广泛和深入,光纤光栅传感网络技术在桥梁结构检测中得到应用。其中最具代表性的是 Ge-bremichael 等对挪威一座 346m 的公路大桥进行了长达 18 个月设计载

荷验证和结构完整性检测,以及 Gebremichael 等对欧洲第一座全波纤加固的组合桥梁在施工和运营中的应变和温度等物理量进行的实时观测。在检测过程中充分体现出了光纤测量实现全光测量,检测现场无需电气设备,检测过程不受电磁干扰、采用波长作为绝对量编码,不受外部因素干扰,大大提高了其稳定性和可靠性,单路光纤可以制作多个光栅传感器,能够满足组建大范围测试网络,对大型桥梁实现分布式测试等系列优点。

3超声波在桥梁检测中的应用

3.1 超声波检测桥梁内部空隙

超声波检测桥梁内部空隙是利用瞬间应力波原理的一种检测方法。

一般采用小钢球进行短促的敲击混凝土表面,该机械撞击产生低频应力波,应力波传导至结构内部,再由断裂面或外面发射回来。利用自冲击面、断裂面以及其他面反射回来的多种波产生的瞬间共振来测定结构的完整性或内部裂隙的位置,根据检测数据绘制成的时间 - 频率曲线可以进一步提供有关空隙位置的信息。

目前在桥梁检测中利用超声波检测多为检测桥梁内部钢筋与混凝土以及混凝土内部之间的脱空状况。

3.2 金宝河大桥的桩基检测

下面介绍广西公路技工学校中心试验室利用超声波透射法对金宝河大桥的桩基进行检测的情况:

3.2.1 工程概况

桂林至阳朔高速公路 K65+120 金宝河大桥, 工程地质覆盖层为亚粘土、卵石,下为粉砂岩、灰岩。下部构造为双柱式桥墩,桩柱式桥台,桩基础。桩总数36 (根), 施工工艺为冲孔灌注桩, 桩型为端承桩,桩直径 0# 为 1.8m, 8# 台 2.0m, 1-7# 墩 1.5m; 桩混凝土强度等级为C25。

3.2.2 检测方法: 超声波透射法

检测内容:

检测灌注桩中声测管之间混凝土的缺陷位置及影响程度,判定桩身完整性类别。

检测仪器: 1) RSM–SY5 型的声波检测仪一套; 2) 一发双收增压式柱状换能器三只。

检测规程: 《公路工程基桩动测技术规程》 (JTG/T F81-01—2004)。

3.2.3桩身质量判定依据

1) 检测数据的分析与判定

a.声速异常判据

vi≤vc

式中: vi———第i个测点的声速 (km/s); vc———按《规程》计算的声速异常判断临界值(km/s)。

b.波幅异常判据

 

 

2) 桩身完整性分类

 

 

3.2.4单桩超声波检测结果及结论

 

 

桂阳高速 K65+120 金宝河大桥冲孔灌注桩共 36 根, 因 0#、 8# 两桥台桩有 7 根桩 (8-1# 桩除外) 分上部两次施工, 实际检测桩 43 根(根次),其中Ⅰ类桩28根, Ⅱ类桩 15根。 无Ⅲ、 Ⅳ类桩。超声波检测方法的优点是可以对桥梁的梁、板以及桩等进行内部结构检测,以确定混凝土内部是否存在空隙,进而决定是否需要行灌浆修补。然而该种检测方法还存在管道相交或相邻时将对检测产生影响,管道中有蜂窝体、水或部分空气时对检测产生影响,采用其他非钢材材料管道对检测会产生影响等方面的弱点。

4探地雷达在检测中的应用

探地雷达是将高达 10~1000MHz的高频电磁脉冲波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,在遇到不同电性介质交界面时,会有部分雷达波的能量被反射回地面被接收天线接收。人们再根探地雷达记录的反射波到达地面的时间和反射波的波幅来研究地下介质的分布情况。由于该方法具有高分辨率的优点,因此在桥梁的结构、桥梁材质、裂缝等方面被越来越广泛的应用。同时探地雷达具有能精确测定缺陷区的形状、大小和深度,操作方便、迅速,能在大范围内进行检测,不受周围环境影响等优点。但该种检测方法具有对检测及分析人员技术水平、检测经验要求较高,并且需有大量的检测数据来进行判定和价格比较昂贵的缺点。

5 GPS系统的应用

GPS 全球定位系统是由美国国防部研制的借助于分布在空中的多个 GPS卫星确定地面点位置的一种新型定位统。 该系统由空间部分、地面控制部分和用户部分三部分组成。该系统目前主要采用实施动态监测、固定连续监测和周期重复性监测等方法对桥梁等构筑物实施各类变形监测。

比较成功的有 Leroy等对全长为 2141m, 中央跨度为 856m的法国 Normandie 大桥在交付使用前采用了实时态测量技术进行了测试,该次测试证明了 GPS 能够以 cm 级精度进行实时水平位移检测。Nakamura 对一主跨720m 的大桥进行了 GPS 测试, 并根据测试结果推出了主梁横向位移和风速之间具有强相关性的结论,并与数值模拟结果进行了对比。

6结语

随着技术的进步,人类交通的日益发达,大型桥梁的结构安全性问题也日益突出,因此为桥梁的无损检测提出了更高的要求,同时也为无损检测技术的发展提供了广阔的市场。无损检测技术是对结构本身进行缺陷诊断的非常有效的途径,近年来该项技术虽然在很大程度上取得了进展,但往往还存在着检测难度大、要求高、价格昂贵等系列缺点,因此人们在以后的研究中应结合实际情况着眼于开发廉价、快速、检测难度小的检测系统,以便于更好、更快捷的为桥梁及工程结构进行检测。

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