日志
桥梁评估与加固
2021-05-05 02:06
桥梁检测与健康监测是整个桥梁健康管治体系的首要环节，其目的是利用传感器技术及信号处理分析技术，得到桥梁结构状态的理化参数或指标，这些参数或指标主要分为环境指标、荷载等作用、桥梁结构自身响应三大类，为后续评估、加固等环节提供有效且可分析处理的科学参考依据。二者区别在于：桥梁检测是主动地、具有针对性地通过静力或动力荷载试验对桥梁结构进行检测，主要应用于桥梁验收和对疑似“问题桥梁”进行针对性检查；健康检测则是对各项指标参数进行自动化、常态化的监控，主要以实现实时监控及预警为目的。桥梁检测所用手段相对传统且成熟，此处着重介绍桥梁健康监测的最新进展。 · 1.1对桥梁主要病害的监测技术研究进展 · 钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构性能退化的主要原因，研究表明，钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构的抗弯、抗剪承载力有着不同程度的影响[2]，最近的研究还证实了不同受拉钢筋上钢筋截面损失的相关性越强，则锈蚀钢筋混凝土梁的承载力变化越大[3]。在混凝土开裂后，在水氧[4]、酸雨[5]、除冰盐水[6]、海水[7]等侵蚀作用下，钢筋锈蚀问题尤为突出，且裂缝宽度越大，钢筋锈蚀越严重[8,9]。金祖权[10]等利用丝阻电极技术对海洋环境下混凝土中钢筋的锈蚀速率进行了研究，结果表明：在海洋环境中，当钢筋混凝土裂缝宽度达到0.3mm时，海水浪溅区混凝土内钢筋锈蚀速率可达到0.484μm/a。对于钢筋锈蚀的监测，后文主要介绍电化学法和电磁法的最新进展，如图3所示。  图3 钢筋锈蚀检测技术进展 对于钢筋锈蚀，通常利用电化学技术来进行监测，如开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱等[11]，国内外现行检测技术标准也采用了该方法[12,13]。对电化学检测方法的研究也有了新的进展：Gabriel Samson[14]等人基于恒电流极化法设计了一种新的探头，用于测量钢筋的腐蚀速率，在数据的处理上，利用迭代算法，对混凝土保护层电阻率取用开始测量时的瞬时欧姆降，对钢筋腐蚀速率取用稳态电位计算，结果表明该方法对三个腐蚀参数（腐蚀电位、混凝土保护层电阻率和钢筋腐蚀速率）测定与实际情况较为符合；Thunyaluk[15]等人采用电化学电流噪声法来测定钢筋的腐蚀情况，然后用光学显微确认和质量损失法分别验证了电化学电流噪声法对腐蚀类型（均匀腐蚀或局部腐蚀）和腐蚀强度测量的可靠性，并在此基础上，通过对信号的特征变量进行递归量化分析，建立了随机森林模型来预测腐蚀类型；孙世栋[16]等人利用电阻层析成像技术，采用埋入式电极注入电流采集电压的方式获取成像数据，并利用基于共轭梯度法的电阻成像技术进行图像重构，实现了对钢筋锈蚀的无损检测，但该方法仅能定性分析钢筋锈蚀的区域范围；Li [17]等人基于能斯特方程和巴特勒-沃尔默方程进行了理论分析，揭示了不同腐蚀状态下腐蚀电位性质及其与腐蚀速率的关系，对比试验结果发现，较负的腐蚀电位和较高的腐蚀电流密度确实是氯化物诱发点蚀的典型特征，但同时，混凝土碳化引起的腐蚀电位和腐蚀电流密度之间却没有明显的关系。目前适用最为广泛的电化学测量方法为自然电位法，它是通过测定钢筋电极的相对电位来判断钢筋的锈蚀状况。自然电位法设备简单、成本较低、操作方便，但只能从热力学角度定性地判断钢筋锈蚀的可能性，而不能够定量测量钢筋锈蚀比例。近来，科研工作者也致力于开发钢筋锈蚀监测的物理方法，其中基于霍尔效应的电磁方法研究较多。Fu[18]等人开发了一种可外置于钢筋混凝土结构上的电磁式装置（如图4所示）以侦测及监控埋置钢筋的腐蚀，基于有限元方法进行了实验和数值模拟，验证了外电磁传感器的有效性；并采用冲击电流法测定了混凝土试件中钢筋的不同腐蚀程度，实验结果表明，腐蚀钢的质量损失与外部电磁传感器检测到的磁通密度变化呈线性关，通过与有限元数值模拟结果的比较，表明利用磁通密度的变化来估算混凝土中锈蚀钢筋的质量损失具有较高的精度。江胜华[19]等测量了8根钢筋锈蚀前后的磁感应强度，考虑地球背景磁场和环境干扰磁场的影响，采用磁场梯度张量局部模量为指标建立理论公式来反演钢筋的锈蚀率，试验结果表明，在锈蚀后钢筋磁场梯度绝对值及局部模量的平均值减小，且钢筋自身的磁场梯度及局部模量远远大于环境磁场，环境磁场的梯度及其局部模量可忽略不计，最终计算值与实验值的平均误差为3.92%。Mosharafi[20]等人利用T检验、F检验等统计分析方法对钢腐蚀现场磁记录可靠性进行了研究，结果表明，磁通密度导数的功率、主频分析和数据的标准差三个磁性数据与钢筋的锈蚀状态有着良好的对应关系，其中，基于数据标准差的方法是最可靠的。Zhao[21]等人以自发漏磁检测技术为基础，采用分段腐蚀、沿钢筋扫描的方法，研究了钢筋锈蚀后产生的漏磁信号切向分量曲线的线性变化率，结果表明，在钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀试验中，随着锈蚀程度的增加，试件表面漏磁信号的切向分量加深，锈蚀区域的极值也越来越大，并提出了“锈磁波动参数”的概念，以准确反映钢筋锈蚀断开引起的漏磁场突变。Azari[22]等人基于漏磁法开发了一款桥梁钢筋锈蚀机器人，该机器人系统由两个子系统组成，即用于无损检测 |