美國既有橋梁的高科技檢測
2010-04-29
引 言
美國土木工程師協會于2001 年3 月發(fā)表了“2001 年美國基礎設施調查報告”。通過對美國橋梁狀況的評估，報告將此類工程的等級定為C 級，在全部11 個類別中排在第二位。美國聯邦公路管理局(FHWA) 的報告顯示，1998 年29 %的美國橋梁出現了結構缺陷或功能失效。橋梁工程的等級主要是根據這一事實確定的。FHWA 收集了全美國橋梁管理部門的報告，并將數據輸入其“國家橋梁清單”(NBI) 數據庫。美國公路橋梁的結構和功能狀況的評估就是基于這些數據。雖然這個等級比全美基礎設施的平均等級高，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，FHWA 建立了“全國橋梁檢查計劃”。從1972 年開始，橋梁管理者將檢查數據上報給FHWA。這個計劃要求技術人員至少每2 年檢查1 次，并將他們的發(fā)現上報FHWA。每2 年1 次上報給國會的全國橋梁狀況報告要引用這些數據，制定“全國橋梁更換和修復計劃”時，也要參考這些數據。2000年“全國橋梁更換和修復計劃”提供了30 多億美元用于更換和修復有病害的橋梁。
“全國橋梁調查計劃”收集的數據用于管理和制定針對有病害橋梁的全國性計劃是足夠的，但對另一些方面的需要就顯得不夠。例如，數據用于橋梁維修項目時就顯得不夠詳細。譬如NBI 中沒有防銹漆體系或節(jié)點狀況的詳細記錄，也沒有提供局部損傷或退化的資料。數據用于制定計劃及估計維修或恢復工程量時就顯得太籠統(tǒng)、主觀和定性。例如，NBI 對每座橋梁上部結構狀況的評定用一個主觀的9～0 表示從完好到失效，這種簡單的劃分不能描述上部結構中每個構件的狀況。
針對這種局限，美國許多州建議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據。新辦法將一座橋梁視為梁、墩等構件的集合，并記錄每個構件的定量的狀況數據。定義了公路橋梁標準化的構件后，可根據FHWA 的要求，將有關構件的數據自動地轉化為NBI 數據。
雖然基于構件層面的檢查為系統(tǒng)層面的橋梁管理(尤其是對于各州及當地政府層面) 提供了大量詳細而有用的資料，但收集到的數據在某些方面仍然有局限，最明顯的是數據的收集都是靠肉眼查看，附以錘擊或鑿挖等機械方法。
這些方法的問題在于肉眼查看的結果波動性太大。FHWA 的“無損評估鑒定中心”最近對肉眼查看的可靠性及NBI 的等級劃分系統(tǒng)進行了首次深入、定量的研究。結果表明，對同一座橋梁，根據不同檢查人員上報的結果，會得出3～4 個不同的等級。況且對于內部的退化、損傷或缺陷，肉眼查看無能為力。
為確定一座橋梁是否安全或是否需要維修，應該探明并測定許多類型的損傷及退化。除非損傷或退化很嚴重，否則其難以用肉眼察覺到。例如，光憑肉眼是不會知道是否負載超限，或是否已趨穩(wěn)定，除非損傷得太嚴重，以致橋梁的線形發(fā)生了變化。在沒有任何肉眼可察覺到的預兆下，會發(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構構件的疲勞。
資料的缺乏阻礙了按橋梁所有者要求應實施的質量改善項目，以及對真正的工程及結構分析的評價管理?，F在只能估計日平均車流量，但不知道橋梁承受的車子的大小、數量及貨車的噸位，也不知道橋梁實際發(fā)生的應力、應變、變形及位移。明顯需要對公路橋梁的使用特性進行精確的定量。應在擁擠、事故及正常使用狀況下，直接對過橋人員有影響的特性進行測定。這些特性測定可以從使用者的支出和收益角度來評定橋梁的價值?，F代管理理論和實踐的一個基本原則是，如果不能測定它，就不會管理它。
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，同樣需要這些資料。和聯邦的其它部門一樣，FHWA 按行政命令考慮重大項目的生命周期投資。然而，橋梁的生命周期還沒有確切的判定，處于不同荷載和氣候環(huán)境中的不同材料及結構體系的退化速度還沒有測定。迫切需要在公路基礎設施管理體系中，綜合考慮所有這些多層面的定量的特性測定。這些測定和探查需在多層面進行，可用于不同的目的。
FHWA 同其它部門和組織，已經完成了為滿足以上需求的研究，并研制了新設備。
1 新的檢測方法
為檢測橋梁的健康狀況，世界上許多地方的大型結構安置了大量的監(jiān)測系統(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(Com-modere Barry) 橋就安裝并運行著一個這樣的系統(tǒng)。雖然前景看好，但這種技術的全部潛能還沒有被認識和確定，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方面，這涉及到利用計算機科學地收集、存儲、分析、檢索及綜合這些由傳感器得到的海量的數據。雖然有這些局限，這些系統(tǒng)提供的資料已被證實對橋梁管理者很有用。例如，這些系統(tǒng)測量并發(fā)現，受太陽幅射的差異，受拉構件產生了出乎意料的彎矩。
1.1 激光測量裝置
目前很需要舊橋承載力的非干擾測定方法。在美國，承載力不足是把一座橋梁定為結構性缺陷的最常見的理由。FHWA 對此采用的一種方法是利用激光測量橋梁受到的荷載。這種裝置利用計算機控制一鏡片，用一紫外線激光（不會傷害人眼）瞄準橋梁上的一點。激光測定到橋上點的量程，并計算相對于系統(tǒng)設定基準點的三維球坐標。該設備能在幾分鐘內重復測定橋上這些點幾百次。這并不需要特定的靶點，對一般的鋼材、混凝土和木材表面的測量效果都很好。利用這種設備，就可能快速測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定結果相比位置的變動（精確到毫米級）。這種裝置還可盡早發(fā)現橋面下撓及預應力損失。
1.2 疲勞探測儀
需要對全美成千上萬座鋼橋的疲勞和斷裂的可能性進行探查和測定。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行了肉眼檢查，沒有即將發(fā)生斷裂的外部跡象。隨后的鑒定分析確認焊接及細部構造產生的高殘余應力和三軸向約束使橋梁存在突然脆斷的可能性。僅肉眼檢查不會發(fā)現這些狀況，更不用說去測定了。
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主要問題。首先應測定并描述橋梁受到的隨機的、變幅的循環(huán)應力。技術上已經有了掌握疲勞狀況的措施， FHWA開發(fā)了一種無線橋梁檢測設備及評價系統(tǒng)。該設備是手提式的，由電池驅動的數據采集系統(tǒng)(很像一個局域的數字電話網) ，利用無線電遙測技術采集數據并將數據傳送到筆記本電腦。該無線電網絡有很好的抗干擾力。除了采集數據，每個元件就像局域網中的一個節(jié)點。因一些鋼橋有1～2 km 長，這一點對鋼橋就顯得很重要，因橋長后會出現電磁干擾和多路反射。利用這種技術，就有可能快速地測定一座橋疲勞的可能性及危險的細部構造、測量在車輛及風荷載作用下的響應。
無線電技術可以定量地測定疲勞荷載的狀態(tài)，詳細到影響疲勞破壞的細節(jié)。但它本身不會判定在此荷載作用下疲勞裂紋是否會擴展。就像反復彎折可以折斷鋼絲一樣，與疲勞相關的應力循環(huán)會在鋼橋內形成裂紋。這些裂紋并非不停地擴展，而是以微觀的相當小的步幅延伸。裂紋尖端的開展伴隨有能量的釋放，從而產生超聲應力波，與地震時的能量釋放類似，是微觀的。用特制的傳感器可檢測到應力波。這種方法稱為聲音輻射（AE），多年前已開始在能源及加工業(yè)得到應用。過去的AE 設備不適用于公路橋梁疲勞裂紋的長期觀測。因許多橋梁上缺電，人員到達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展的偶然荷載，這些都不利于AE 設備的工作。最近，FHWA 的“無損評估鑒定中心”為橋梁檢測研制了電池驅動的8 通道AE 設備，已進入測試、評定階段。該系統(tǒng)可通過調制解調器及無線電連接傳送資料。
以上兩種系統(tǒng)雖然很有用，但太昂貴，需要數萬美元，電池驅動限制它們只能用于短期監(jiān)測。為滿足長期疲勞監(jiān)測需要，已經開發(fā)了一種完全被動、廉價的傳感器。這種傳感器安裝在橋上，并隨同橋梁一起產生應變。它基于一種特殊的被動應變放大設計，利用2 個帶模擬應變片的預先開裂試樣來測量裂紋長度。試樣用具有不同裂紋開展特性的材料造成。預制的疲勞裂紋在橋梁的隨機變幅應變作用下開展。利用專用測量儀定期測量2 個試樣上的裂縫長度，可以定出預先設定應力范圍內的有效循環(huán)次數?？砂堰@種傳感器稱為疲勞探測儀。利用該技術就可能記錄下公路橋梁的疲勞過程。
1.3 智能支座
另外一種用于收集基本特性資料的新技術是“智能”橋梁支座。支座失效及因此產生的危險應力是橋梁破壞的常見原因，它們也是要求的一項維護檢查內容。智能橋梁支座可監(jiān)測和診斷通過橋梁結構系統(tǒng)傳遞到支座的活載及恒載。若結構構件的剛度由于斷裂、沖擊或其它原因而出現明顯的變化，很可能分配到支座上的荷載就會變化。智能支座可以檢測到橋梁的損傷。這種技術很復雜，但原理很簡單，關鍵是這種支座采用了可以測量豎向應變及剪應變的多向光纖應變傳感器(傳感器集成在復合板內) 。通過層疊在公路橋梁中常用的聚氯丁橡膠墊內，復合板又可集成支座，從而測量來自橋梁及作用于橋梁的豎向力和側向力。
1.4 特殊元件
探測及測量技術在公路橋梁中的潛在應用還有很多。但要求技術設備不要太昂貴、太復雜。另一個例子是一座位于華盛頓特區(qū)的立交橋的一個翼墻。該墻由于過大的液壓而在移動。采取補救措施后，業(yè)主希望長期監(jiān)測翼墻相對墩的位移。鑒于環(huán)境的不利因素，需要一種廉價的傳感器。”無損評估鑒定中心”在幾星期內構思、設計、制造并安裝了1個廉價的位移傳感器。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 個感應振蕩器。振蕩頻率隨板和線圈之間的距離而變化。測量移動量的精度達到百分之幾英寸。這種傳感器采用了溫度補償技術，從2000 年夏天開始的監(jiān)測證明，該墻的補救措施是有效的。
過去幾年里，FHWA 已發(fā)展了通用的標準儀器，以推動快速調試和專用的傳感器。該儀器可發(fā)展成為快速調試及用于檢測特殊場合的重要專用部件。一個有關通用性的例子是在吊索上的應用。吊索破壞會影響結構的整體性。采用與監(jiān)測翼墻相同的系統(tǒng)監(jiān)測吊索。傳感器采用焊接的金屬箔片應變片。在溫度變化時，吊索端部的連接套筒隨橋面的變形自由轉動。吊索因傳遞豎向荷載而設計為受拉構件。若銷栓和吊索的接觸面受到腐蝕（很常見的現象），二者之間的摩擦會引起吊索明顯的彎曲。而且，二者的突然相對滑動會引起危險的動應力。這種現象引起的疲勞和可能斷裂的后果，在細部設計時是沒有考慮的。在荷載試驗時，測量了吊索的響應。除了預料到的方向的彎曲外，還出乎意料地測量到吊索的橫向彎曲。在監(jiān)測中發(fā)現并測定這種結構行為是很有益的。
并非只有鋼橋才易受到突然破壞和垮塌。2000年夏天，北卡羅來納州一座只使用了7 年的預應力混凝土人行橋垮塌，是因高強鋼筋受到腐蝕并發(fā)生破壞引起的。高強鋼筋的局部腐蝕源于氯化鈣出乎意料地進入了填充預制梁孔道的水泥漿。氯化鈣的來源現在仍不清楚，但沒有檢測到的預應力筋腐蝕已引起許多橋梁破壞。
預應力筋斷裂時會突然釋放顯著的能量。斷裂產生的應力波通過結構向外傳播，可以用加速度計之類的傳感器探測到。通過分析信號的到達時間，不但可能探測到它的發(fā)生，也可能探測到斷裂的部位。這同地震監(jiān)測網確定震源及震級大小的方法類似。這種裝置已有出售，并開始安裝到橋梁上。
監(jiān)測到鋼絲的斷裂自然很有用，但更有前途的技術是在破壞前定量的檢測到腐蝕狀況。在冬季大雪后，為保證公路橋梁開通，常在道路上灑鹽，這是引起公路橋梁腐蝕的主要原因。結構中鋼的腐蝕一般都看得見。除非出現明顯的破壞，混凝土結構中的預應力鋼筋的腐蝕是看不見的。在FHWA 的協助下，開發(fā)了一種預埋式腐蝕傳感器。這種傳感器預埋在混凝土結構內，可以測量腐蝕的速度、混凝土的導電性、氯離子的聚集。這種傳感器體積很小，甚至最終會自帶能量，并通過射頻方法被“詢問”。已經用一些單個的元件組裝了樣品，可以采用集成電路技術使該裝置微型化?？蓪⒊汕先f廉價的這種傳感器預埋在一座橋內，從而在嚴重的破壞到來前，完全獨立于橋梁之外，如果沒有考慮具體的或未記載的因素，從大量橋梁得到的總體數據來確定橋梁構件的退化率將帶來錯誤的結果。提供關于腐蝕程度的定量資料。
2 智能化橋梁展望
建造更加智能化橋梁的技術已經成熟，這種技術通過提供定量的、客觀的資料，可以使人們放棄主觀的橋梁管理體系。這就需要研制出一種更加定量化的管理方法。美國的科研和工程界已加強了這方面的工作。
科研界已舉行了幾個專題研討會，匯總了來自公眾的、私人的及學術團體的看法，確定了迫切需要對老齡化公路基礎設施展開的研究。結論形成了“國家基礎設施修復研究日程”報告。報告認為可靠而及時的數據對全美公路的高效管理非常關鍵。報告還高度關注對改進的決策支持系統(tǒng)的需要，以及在基礎設施的管理中引入基于概率的生命周期分析的重要性。報告強調需要對基礎設施進行評估，并量化系統(tǒng)的效益。還強調了量化的、相關的、有價值的特性的測定。智能橋梁對這幾方面都有幫助。
通過監(jiān)測和測量極端條件下公路結構的荷載及結構響應，會極大地提高公路結構在極端條件下的安全性。采用使結構更加智能化的技術得到的定量的測量數據，可以滿足評估和管理橋梁及其它結構的需要。不通過對結構行為和老化的長期觀察和定量測量，就不可能改進規(guī)范。最終，支持橋梁維護自動化的基礎資料（是一個國家基礎設施研究和發(fā)展應首先考慮的），必須通過監(jiān)測和測量技術得到。
智能橋梁可為系統(tǒng)和橋梁層面的管理提供大量的數據。智能橋梁提供的數據可以更可靠、有用地推動資產管理。通過測量和監(jiān)測危險的橋梁構件，可使橋梁的安全性，特別是在極端條件下的安全性，向前邁進一步。發(fā)覺事故和評定結構狀態(tài)的橋梁技術，可以增強安全性、可靠性及養(yǎng)護高效性。橋梁的整體健康狀況，和基于資產管理及改進的規(guī)范的性能評估，應該也必然只有通過采用定量的測量方法來實現。主觀的評價完全不足以滿足這些要求。只有通過建立智能橋梁，才能提高橋梁結構的等級水平。
參 考 文 獻：
[1 ] Lauridsen J et al. Creating a Bridge Management System[J] .Structural Engineering International ,1998 ,8(3) :216 – 220.
[2 ] Das P. Recent Advances in Bridge Engineering International Proceedings[C] . CIMNE Barcelona , 1996。
[3 ] Yanev B,Bridge Management for New York City[J ] .Structural Engineering International ,1998 ,8(3) :211 – 215.
[4 ] Steven B Chase. High2tech Inspection [J ]. Civil Engineering , 2001 , (9) :62 - 65。
