【正文】 橋梁的高科技檢測(cè)調(diào)研報(bào)告2011/11/29目錄1美國(guó)既有橋梁的高科技檢測(cè) 5 5 新的檢測(cè)方法 7 激光測(cè)量裝置 7 疲勞探測(cè)儀 8 智能支座 9 特殊元件 9 智能化橋梁展望 112奧地利橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 13 13 13 13 14 14 15 15 153德國(guó)橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展 16 16 MBI系列性能概述 17 MBL系列性能概述 18 19 體會(huì)與感受 19 19 1標(biāo)線系統(tǒng) 19 20 204中國(guó)橋梁檢測(cè) 21 21 21 21 22 22 22 23 23 23 25 27 27 27 285 桁架式橋梁檢測(cè)車 30 30 30 32 32 32 32 33 356吊籃式（折疊式）橋梁檢測(cè)車 36 吊籃式橋梁檢測(cè)車概述 36 工作描述 36 吊籃式橋梁檢測(cè)車特點(diǎn) 38 38 39 國(guó)外發(fā)展 39 40 401美國(guó)既有橋梁的高科技檢測(cè)為檢測(cè)既有橋梁，美國(guó)公路管理部門利用高科技研制了一些新的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)定量檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕微的損傷，避免釀成大禍，從而為美國(guó)既有橋梁的評(píng)估和集中管理，特別是為維修、加固提供了科學(xué)依據(jù)。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)于2001年3月發(fā)表了“2001年美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)查報(bào)告”。通過(guò)對(duì)美國(guó)橋梁狀況的評(píng)估，報(bào)告將此類工程的等級(jí)定為C級(jí)，在全部11個(gè)類別中排在第二位。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）的報(bào)告顯示，1998年29%的美國(guó)橋梁出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷或功能失效。橋梁工程的等級(jí)主要是根據(jù)這一事實(shí)確定的。FHWA收集了全美國(guó)橋梁管理部門的報(bào)告，并將數(shù)據(jù)輸入其“國(guó)家橋梁清單”（NBI）數(shù)據(jù)庫(kù)。美國(guó)公路橋梁的結(jié)構(gòu)和功能狀況的評(píng)估就是基于這些數(shù)據(jù)。雖然這個(gè)等級(jí)比全美基礎(chǔ)設(shè)施的平均等級(jí)高，但仍不能使人滿意。1967年，西弗吉尼亞州的錫爾弗（Silver）橋垮塌，并造成46人死亡。隨后，F(xiàn)HWA建立了“全國(guó)橋梁檢查計(jì)劃”。從1972年開(kāi)始，橋梁管理者將檢查數(shù)據(jù)上報(bào)給FHWA。這個(gè)計(jì)劃要求技術(shù)人員至少每2年檢查1次，并將他們的發(fā)現(xiàn)上報(bào)FHWA。每2年1次上報(bào)給國(guó)會(huì)的全國(guó)橋梁狀況報(bào)告要引用這些數(shù)據(jù)，制定”全國(guó)橋梁更換和修復(fù)計(jì)劃”時(shí)，也要參考這些數(shù)據(jù)。2000年“全國(guó)橋梁更換和修復(fù)計(jì)劃”提供了30多億美元用于更換和修復(fù)有病害的橋梁?！叭珖?guó)橋梁調(diào)查計(jì)劃”收集的數(shù)據(jù)用于管理和制定針對(duì)有病害橋梁的全國(guó)性計(jì)劃是足夠的，但對(duì)另一些方面的需要就顯得不夠。例如，數(shù)據(jù)用于橋梁維修項(xiàng)目時(shí)就顯得不夠詳細(xì)。譬如NBI中沒(méi)有防銹漆體系或節(jié)點(diǎn)狀況的詳細(xì)記錄，也沒(méi)有提供局部損傷或退化的資料。數(shù)據(jù)用于制定計(jì)劃及估計(jì)維修或恢復(fù)工程量時(shí)就顯得太籠統(tǒng)、主觀和定性。例如，NBI對(duì)每座橋梁上部結(jié)構(gòu)狀況的評(píng)定用一個(gè)主觀的9～0表示從完好到失效，這種簡(jiǎn)單的劃分不能描述上部結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的狀況。針對(duì)這種局限，美國(guó)許多州建議NBI收集更多的資料，或者他們采用另外更好的辦法收集并記錄橋梁數(shù)據(jù)。新辦法將一座橋梁視為梁、墩等構(gòu)件的集合，并記錄每個(gè)構(gòu)件的定量的狀況數(shù)據(jù)。定義了公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件后，可根據(jù)FHWA的要求，將有關(guān)構(gòu)件的數(shù)據(jù)自動(dòng)地轉(zhuǎn)化為NBI數(shù)據(jù)。雖然基于構(gòu)件層面的檢查為系統(tǒng)層面的橋梁管理（尤其是對(duì)于各州及當(dāng)?shù)卣畬用妫┨峁┝舜罅吭敿?xì)而有用的資料，但收集到的數(shù)據(jù)在某些方面仍然有局限，最明顯的是數(shù)據(jù)的收集都是靠肉眼查看，附以錘擊或鑿?fù)诘葯C(jī)械方法。這些方法的問(wèn)題在于肉眼查看的結(jié)果波動(dòng)性太大。FHWA的“無(wú)損評(píng)估鑒定中心”最近對(duì)肉眼查看的可靠性及NBI的等級(jí)劃分系統(tǒng)進(jìn)行了首次深入、定量的研究。結(jié)果表明，對(duì)同一座橋梁，根據(jù)不同檢查人員上報(bào)的結(jié)果，會(huì)得出3～4個(gè)不同的等級(jí)。況且對(duì)于內(nèi)部的退化、損傷或缺陷，肉眼查看無(wú)能為力。為確定一座橋梁是否安全或是否需要維修，應(yīng)該探明并測(cè)定許多類型的損傷及退化。除非損傷或退化很嚴(yán)重，否則其難以用肉眼察覺(jué)到。例如，光憑肉眼是不會(huì)知道是否負(fù)載超限，或是否已趨穩(wěn)定，除非損傷得太嚴(yán)重，以致橋梁的線形發(fā)生了變化。在沒(méi)有任何肉眼可察覺(jué)到的預(yù)兆下，會(huì)發(fā)生支座失效、腐蝕和疲勞破壞。而且，橋梁檢查人員的日常查看不會(huì)收集到橋梁使用性能的資料，如交通堵塞的程度，事故的歷史記錄以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞。資料的缺乏阻礙了按橋梁所有者要求應(yīng)實(shí)施的質(zhì)量改善項(xiàng)目，以及對(duì)真正的工程及結(jié)構(gòu)分析的評(píng)價(jià)管理?，F(xiàn)在只能估計(jì)日平均車流量，但不知道橋梁承受的車子的大小、數(shù)量及貨車的噸位，也不知道橋梁實(shí)際發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變、變形及位移。明顯需要對(duì)公路橋梁的使用特性進(jìn)行精確的定量。應(yīng)在擁擠、事故及正常使用狀況下，直接對(duì)過(guò)橋人員有影響的特性進(jìn)行測(cè)定。這些特性測(cè)定可以從使用者的支出和收益角度來(lái)評(píng)定橋梁的價(jià)值?，F(xiàn)代管理理論和實(shí)踐的一個(gè)基本原則是，如果不能測(cè)定它，就不會(huì)管理它。在執(zhí)行真正的生命周期投資分析及基于特性的規(guī)范時(shí)，同樣需要這些資料。和聯(lián)邦的其它部門一樣，F(xiàn)HWA按行政命令考慮重大項(xiàng)目的生命周期投資。然而，橋梁的生命周期還沒(méi)有確切的判定，處于不同荷載和氣候環(huán)境中的不同材料及結(jié)構(gòu)體系的退化速度還沒(méi)有測(cè)定。迫切需要在公路基礎(chǔ)設(shè)施管理體系中，綜合考慮所有這些多層面的定量的特性測(cè)定。這些測(cè)定和探查需在多層面進(jìn)行，可用于不同的目的。FHWA同其它部門和組織，已經(jīng)完成了為滿足以上需求的研究，并研制了新設(shè)備。 新的檢測(cè)方法為檢測(cè)橋梁的健康狀況，世界上許多地方的大型結(jié)構(gòu)安置了大量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。穿越特拉華州連接賓夕法尼亞州和新澤西州的康芒德?巴里（CommodereBarry）橋就安裝并運(yùn)行著一個(gè)這樣的系統(tǒng)。雖然前景看好，但這種技術(shù)的全部潛能還沒(méi)有被認(rèn)識(shí)和確定，還有一些很有意義的方面留待研究。信息系統(tǒng)的組成是其中的一個(gè)方面，這涉及到利用計(jì)算機(jī)科學(xué)地收集、存儲(chǔ)、分析、檢索及綜合這些由傳感器得到的海量的數(shù)據(jù)。雖然有這些局限，這些系統(tǒng)提供的資料已被證實(shí)對(duì)橋梁管理者很有用。例如，這些系統(tǒng)測(cè)量并發(fā)現(xiàn)，受太陽(yáng)幅射的差異，受拉構(gòu)件產(chǎn)生了出乎意料的彎矩。 激光測(cè)量裝置目前很需要舊橋承載力的非干擾測(cè)定方法。在美國(guó)，承載力不足是把一座橋梁定為結(jié)構(gòu)性缺陷的最常見(jiàn)的理由。FHWA對(duì)此采用的一種方法是利用激光測(cè)量橋梁受到的荷載。這種裝置利用計(jì)算機(jī)控制一鏡片，用一紫外線激光（不會(huì)傷害人眼）瞄準(zhǔn)橋梁上的一點(diǎn)。激光測(cè)定到橋上點(diǎn)的量程，并計(jì)算相對(duì)于系統(tǒng)設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)的三維球坐標(biāo)。該設(shè)備能在幾分鐘內(nèi)重復(fù)測(cè)定橋上這些點(diǎn)幾百次。這并不需要特定的靶點(diǎn)，對(duì)一般的鋼材、混凝土和木材表面的測(cè)量效果都很好。利用這種設(shè)備，就可能快速測(cè)定重型卡車作用下橋梁的三維變形，還可以快速確定橋上的任何部分與上次測(cè)定結(jié)果相比位置的變動(dòng)（精確到毫米級(jí)）。這種裝置還可盡早發(fā)現(xiàn)橋面下?lián)霞邦A(yù)應(yīng)力損失。 疲勞探測(cè)儀需要對(duì)全美成千上萬(wàn)座鋼橋的疲勞和斷裂的可能性進(jìn)行探查和測(cè)定。脆性斷裂除了引起錫爾弗橋垮塌外，2000年12月，1片焊接板梁的脆斷引起了密爾沃基一座橋梁的破壞，這表明鋼橋脆性斷裂依然存在。該橋在垮塌前幾星期剛進(jìn)行了肉眼檢查，沒(méi)有即將發(fā)生斷裂的外部跡象。隨后的鑒定分析確認(rèn)焊接及細(xì)部構(gòu)造產(chǎn)生的高殘余應(yīng)力和三軸向約束使橋梁存在突然脆斷的可能性。僅肉眼檢查不會(huì)發(fā)現(xiàn)這些狀況，更不用說(shuō)去測(cè)定了。雖然位于密爾沃基的橋的脆斷并不是主要由疲勞引起的，但疲勞仍是舊鋼橋的一個(gè)主要問(wèn)題。首先應(yīng)測(cè)定并描述橋梁受到的隨機(jī)的、變幅的循環(huán)應(yīng)力。技術(shù)上已經(jīng)有了掌握疲勞狀況的措施，F(xiàn)HWA開(kāi)發(fā)了一種無(wú)線橋梁檢測(cè)設(shè)備及評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該設(shè)備是手提式的，由電池驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（很像一個(gè)局域的數(shù)字電話網(wǎng)），利用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到筆記本電腦。該無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)有很好的抗干擾力。除了采集數(shù)據(jù)，每個(gè)元件就像局域網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因一些鋼橋有1～2km長(zhǎng)，這一點(diǎn)對(duì)鋼橋就顯得很重要，因橋長(zhǎng)后會(huì)出現(xiàn)電磁干擾和多路反射。利用這種技術(shù)，就有可能快速地測(cè)定一座橋疲勞的可能性及危險(xiǎn)的細(xì)部構(gòu)造、測(cè)量在車輛及風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)。無(wú)線電技術(shù)可以定量地測(cè)定疲勞荷載的狀態(tài)，詳細(xì)到影響疲勞破壞的細(xì)節(jié)。但它本身不會(huì)判定在此荷載作用下疲勞裂紋是否會(huì)擴(kuò)展。就像反復(fù)彎折可以折斷鋼絲一樣，與疲勞相關(guān)的應(yīng)力循環(huán)會(huì)在鋼橋內(nèi)形成裂紋。這些裂紋并非不停地?cái)U(kuò)展，而是以微觀的相當(dāng)小的步幅延伸。裂紋尖端的開(kāi)展伴隨有能量的釋放，從而產(chǎn)生超聲應(yīng)力波，與地震時(shí)的能量釋放類似，是微觀的。用特制的傳感器可檢測(cè)到應(yīng)力波。這種方法稱為聲音輻射（AE），多年前已開(kāi)始在能源及加工業(yè)得到應(yīng)用。過(guò)去的AE設(shè)備不適用于公路橋梁疲勞裂紋的長(zhǎng)期觀測(cè)。因許多橋梁上缺電，人員到達(dá)橋梁的某些部位有困難，且存在很高的環(huán)境噪聲，更重要的是有使裂紋快速擴(kuò)展的偶然荷載，這些都不利于AE設(shè)備的工作。最近，F(xiàn)HWA的“無(wú)損評(píng)估鑒定中心”為橋梁檢測(cè)研制了電池驅(qū)動(dòng)的8通道AE設(shè)備，已進(jìn)入測(cè)試、評(píng)定階段。該系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)制解調(diào)器及無(wú)線電連接傳送資料。以上兩種系統(tǒng)雖然很有用，但太昂貴，需要數(shù)萬(wàn)美元，電池驅(qū)動(dòng)限制它們只能用于短期監(jiān)測(cè)。為滿足長(zhǎng)期疲勞監(jiān)測(cè)需要，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種完全被動(dòng)、廉價(jià)的傳感器。這種傳感器安裝在橋上，并隨同橋梁一起產(chǎn)生應(yīng)變。它基于一種特殊的被動(dòng)應(yīng)變放大設(shè)計(jì)，利用2個(gè)帶模擬應(yīng)變片的預(yù)先開(kāi)裂試樣來(lái)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度。試樣用具有不同裂紋開(kāi)展特性的材料造成。預(yù)制的疲勞裂紋在橋梁的隨機(jī)變幅應(yīng)變作用下開(kāi)展。利用專用測(cè)量?jī)x定期測(cè)量2個(gè)試樣上的裂縫長(zhǎng)度，可以定出預(yù)先設(shè)定應(yīng)力范圍內(nèi)的有效循環(huán)次數(shù)。可把這種傳感器稱為疲勞探測(cè)儀。利用該技術(shù)就可能記錄下公路橋梁的疲勞過(guò)程。 智能支座另外一種用于收集基本特性資料的新技術(shù)是“智能”橋梁支座。支座失效及因此產(chǎn)生的危險(xiǎn)應(yīng)力是橋梁破壞的常見(jiàn)原因，它們也是要求的一項(xiàng)維護(hù)檢查內(nèi)容。智能橋梁支座可監(jiān)測(cè)和診斷通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳遞到支座的活載及恒載。若結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度由于斷裂、沖擊或其它原因而出現(xiàn)明顯的變化，很可能分配到支座上的荷載就會(huì)變化。智能支座可以檢測(cè)到橋梁的損傷。這種技術(shù)很復(fù)雜，但原理很簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是這種支座采用了可以測(cè)量豎向應(yīng)變及剪應(yīng)變的多向光纖應(yīng)變傳感器（傳感器集成在復(fù)合板內(nèi)）。通過(guò)層疊在公路橋梁中常用的聚氯丁橡膠墊內(nèi)，復(fù)合板又可集成支座，從而測(cè)量來(lái)自橋梁及作用于橋梁的豎向力和側(cè)向力。 特殊元件探測(cè)及測(cè)量技術(shù)在公路橋梁中的潛在應(yīng)用還有很多。但要求技術(shù)設(shè)備不要太昂貴、太復(fù)雜。另一個(gè)例子是一座位于華盛頓特區(qū)的立交橋的一個(gè)翼墻。該墻由于過(guò)大的液壓而在移動(dòng)。采取補(bǔ)救措施后，業(yè)主希望長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)翼墻相對(duì)墩的位移。鑒于環(huán)境的不利因素，需要一種廉價(jià)的傳感器?！盁o(wú)損評(píng)估鑒定中心”在幾星期內(nèi)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造并安裝了1個(gè)廉價(jià)的位移傳感器。傳感器由粘在混凝土上的鋁板和離板一小段距離的1塊帶電線圈組成。線圈和板組成1個(gè)感應(yīng)振蕩器。振蕩頻率隨板和線圈之間的距離而變化。測(cè)量移動(dòng)量的精度達(dá)到百分之幾英寸。這種傳感器采用了溫度補(bǔ)償技術(shù)，從2000年夏天開(kāi)始的監(jiān)測(cè)證明，該墻的補(bǔ)救措施是有效的。過(guò)去幾年里，F(xiàn)HWA已發(fā)展了通用的標(biāo)準(zhǔn)儀器，以推動(dòng)快速調(diào)試和專用的傳感器。該儀器可發(fā)展成為快速調(diào)試及用于檢測(cè)特殊場(chǎng)合的重要