市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

麻軍亮

摘 要：為了在不影響市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)自身特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁工程定期檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并起發(fā)揮顯著的作用?？偨Y(jié)常見(jiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并整理其在市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用，旨在滿足新時(shí)代的檢測(cè)需要，為城市交通工程的安全保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：市政橋梁；鋼結(jié)構(gòu)；無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U446 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）01-0085-03

0引言

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在不損壞被測(cè)橋梁的物理、化學(xué)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的狀態(tài)予以檢驗(yàn)，并判斷出橋梁鋼結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，以調(diào)整施工方案[1]。通過(guò)采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以準(zhǔn)確地判斷鋼結(jié)構(gòu)的缺陷部位與范圍，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量問(wèn)題，避免因局部缺陷而損害市政橋梁的整體質(zhì)量與使用壽命。因此，掌握無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并正確地應(yīng)用在市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，具有重要的意義與價(jià)值。

1 無(wú)損檢測(cè)的必要性及常見(jiàn)技術(shù)概述

1.1 無(wú)損檢測(cè)的必要性

鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從傳統(tǒng)的輕型工業(yè)廠房過(guò)渡到大型公共和民用建筑，特別是在市政橋梁中，鋼結(jié)構(gòu)已成為其重要組成部分。鋼結(jié)構(gòu)由于韌性好、塑性強(qiáng)、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及便于施工等優(yōu)點(diǎn)，得到了工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并得以應(yīng)用于諸多關(guān)鍵項(xiàng)目。但在實(shí)際應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)仍存在著大量的質(zhì)量與安全問(wèn)題。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)展開(kāi)深入的研究，有利于降低安全事故的發(fā)生頻率。

目前，鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅可以全面檢測(cè)構(gòu)件和原材料，且具備成本低、過(guò)程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是目前最常用的檢測(cè)技術(shù)手段。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)諸多大型項(xiàng)目中有成功經(jīng)驗(yàn)，如南京地鐵大樓、上海盧浦大橋等。結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)可分為破壞性檢測(cè)和仿真檢測(cè)，前者可以精準(zhǔn)檢測(cè)可抽查的項(xiàng)目，但是無(wú)法檢測(cè)整體項(xiàng)目，后者雖然精準(zhǔn)性較強(qiáng)，但成本高、周期長(zhǎng)。因此，破壞性檢測(cè)、仿真檢測(cè)在我國(guó)的應(yīng)用并不多見(jiàn)。本文著重對(duì)市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)予以探討和分析。

1.2 無(wú)損檢測(cè)常見(jiàn)技術(shù)

1.2.1射線檢測(cè)

射線檢測(cè)技術(shù)誕生于20世紀(jì)30年代，目前已成為一種比較成熟的非破壞性測(cè)試技術(shù)，在機(jī)械、電子以及石油等諸多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。在射線檢測(cè)技術(shù)中，線強(qiáng)度在通過(guò)物體時(shí)會(huì)有一定的衰減，衰減的幅度與通過(guò)物體的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如果內(nèi)部有缺陷，那么會(huì)對(duì)線強(qiáng)度造成衰減，以此確定缺陷的嚴(yán)重程度。射線探測(cè)的方法主要有中子射線照相、伽馬射線照相以及X射線照相，其中，X射線照相在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比較廣泛[2]。雖然射線檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種材料，可以記錄缺陷的影像并長(zhǎng)時(shí)間保存，但是在鋼管、鋼板等構(gòu)件一般不采用射線檢測(cè)，只有在焊縫檢查時(shí)才會(huì)采用射線檢測(cè)。

1.2.2滲透檢測(cè)

通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于肉眼無(wú)法分辨、表面較小的非多孔材料，可采取滲透檢測(cè)技術(shù)。滲透檢測(cè)是利用滲透劑對(duì)被探測(cè)物體進(jìn)行滲透，深入材料缺陷內(nèi)部，在除去表面過(guò)量滲透劑后干燥，并添加顯像劑，顯示在缺陷處的滲透劑蹤跡，從而判定形態(tài)。滲透檢測(cè)技術(shù)具有直觀顯示、操作簡(jiǎn)單以及敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，常用于檢測(cè)工件的表面缺陷，但其對(duì)于檢驗(yàn)者的視力以及試件的光潔程度有一定的要求。

1.2.3渦流檢測(cè)

對(duì)于具有導(dǎo)電性能的鋼鐵、有色金屬等材料，可以通過(guò)渦流檢測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)其表面的缺陷。渦流檢測(cè)技術(shù)的原理如下：在導(dǎo)體周圍設(shè)置一個(gè)具有交流電流的線圈，在該線圈周圍形成一個(gè)交變的磁場(chǎng)，引起導(dǎo)體產(chǎn)生電流。渦流的物理性質(zhì)和導(dǎo)體內(nèi)部的缺陷密切相關(guān)，利用渦流的不同可探測(cè)材料和近表面的缺陷。渦流檢測(cè)具有操作簡(jiǎn)單、速度快以及費(fèi)用低等特點(diǎn)，僅適用于導(dǎo)體，對(duì)于復(fù)雜形狀的試件并不適用，所以僅能檢測(cè)薄壁試樣[3]。

1.2.4超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)技術(shù)當(dāng)前比較常用，其主要步驟為：先通過(guò)特殊方法將超聲波導(dǎo)入試件內(nèi)，在受試件內(nèi)部的傳播過(guò)程中，超聲波會(huì)發(fā)生改變，從而引起傳播速度、方向的變化。隨后，檢測(cè)儀器捕捉已發(fā)生變化的超聲波，并直觀顯示，利用分析超聲波特性，即可確定材料內(nèi)部的缺陷結(jié)構(gòu)。

超聲波技術(shù)具有準(zhǔn)確、高效以及成本低等優(yōu)勢(shì)，在市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，然而，由于其測(cè)試結(jié)果存在著一定程度上的誤差，所以對(duì)檢驗(yàn)人員的專業(yè)能力有著較高的要求。

1.2.5磁粉檢測(cè)

目前，磁粉檢測(cè)技術(shù)僅用于探測(cè)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料表面的缺陷。當(dāng)構(gòu)件表面存在缺陷時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生漏磁，并吸附工件。在特殊的光源照射下，其表面的磁性粉末會(huì)產(chǎn)生明顯的磁性痕跡，表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的非連續(xù)特性。磁粉檢測(cè)技術(shù)具有效率高、成本低以及結(jié)果直觀等特點(diǎn)。

1.2.6全息探傷

全息探傷可以結(jié)合聲學(xué)全息照相、X光以及激光等技術(shù)，構(gòu)建缺陷的三維立體情況。此外，全息探傷技術(shù)能夠精準(zhǔn)檢驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與焊件表面的大小及位置，便于相準(zhǔn)確判斷鋼結(jié)構(gòu)焊縫的質(zhì)量。目前，全息探傷技術(shù)并不完善，成本極高，僅在少部分工程項(xiàng)目中應(yīng)用，是一種未來(lái)可期的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

2市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具體應(yīng)用

2.1 無(wú)損檢測(cè)方法選定

市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容主要包括膠片貼緊程度、現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫以及工廠內(nèi)焊縫等模塊。其中，工廠內(nèi)焊縫類型有對(duì)接焊縫、T形接頭，主要選擇磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫通常為分段對(duì)接焊縫形式，可采用磁致伸縮導(dǎo)波探傷檢測(cè)，鑒于單一磁致伸縮導(dǎo)波探傷測(cè)試有著空間限制，所以，對(duì)于拍片時(shí)貼膠片不易貼緊、較大厚度差距的模塊，如十字交叉位置、T字口以及接焊縫起收弧位置等，可選擇射線檢測(cè)輔助檢測(cè)[4]。

在具體市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)方案編制中，主要選擇“射線檢測(cè)+磁致伸縮導(dǎo)波”的方法。磁致伸縮導(dǎo)波探傷在未熔合、裂紋等平面型缺陷檢測(cè)中靈敏度較強(qiáng)，射線檢測(cè)在夾渣、未焊透以及氣孔等體積型缺陷檢測(cè)中靈敏度較強(qiáng)。例如潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋案例，采用廠內(nèi)制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式進(jìn)行鋼箱梁的施工。在具體的橋梁鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，可以從現(xiàn)場(chǎng)焊接和現(xiàn)場(chǎng)安裝兩個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)。

在檢測(cè)廠房?jī)?nèi)的鋼箱梁時(shí)，根據(jù)《質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》規(guī)定，采用磁致伸縮導(dǎo)波法檢測(cè)工程焊縫，要求橋梁鋼結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)員對(duì)橋梁的底板、隔板、腹板以及面板等嚴(yán)格檢測(cè)，并據(jù)Q347QC的基材厚度，判斷檢測(cè)效果。采用100%的磁致伸縮導(dǎo)波法，按鋼箱梁1、2級(jí)焊接工藝要求進(jìn)行檢測(cè)。采用射線檢測(cè)方法對(duì)鋼箱梁接頭焊縫進(jìn)行檢測(cè)[5]。

2.2 無(wú)損檢測(cè)方案設(shè)置

市政橋梁施工主要有鉚接、螺栓連接以及焊接等方式，其缺陷類型表現(xiàn)為表面咬邊、未熔合、夾渣、表面裂紋以及表面氣孔等情況。為了解市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，可先采用“射線檢測(cè)+磁致伸縮導(dǎo)波探傷”的方式，重點(diǎn)定期檢測(cè)橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫十字交叉口位置與起收弧位置。其中，磁致伸縮導(dǎo)波法主要用于檢測(cè)橋面及附近的缺陷，借助磁粉產(chǎn)生均勻的應(yīng)力場(chǎng)，從而有效地判斷橋面缺陷。而射線檢測(cè)方法則是根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的有效底片來(lái)判斷橋梁的缺陷形態(tài)（例如對(duì)接焊縫等）。除此之外，為了使橋梁鋼結(jié)構(gòu)的缺陷更直觀，檢驗(yàn)人員可以采用滲透探傷技術(shù)，檢測(cè)具有高表面光澤的橋梁非多孔材料，以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理橋面材料開(kāi)口缺陷。

纜索懸索橋、拱形橋以及斜拉橋應(yīng)用更為廣泛。纜索的有效載荷范圍與整體安裝密切相關(guān)，通過(guò)檢測(cè)橋梁的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，判斷橋梁非破壞性檢測(cè)重點(diǎn)，定期、逐點(diǎn)檢測(cè)纜索。非破壞性檢測(cè)方法主要包括磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)法、磁性檢測(cè)法、射線檢測(cè)法以及聲發(fā)射檢測(cè)等，其中，磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)的檢測(cè)范圍更廣，速度更快，適用于橋梁纜索無(wú)盲區(qū)檢測(cè)。

2.3 無(wú)損檢測(cè)過(guò)程

在市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，尤其是大跨徑橋梁的纜索，其最大直徑為100 mm，對(duì)其進(jìn)行整體金屬損傷探測(cè)難度較高。并且鋼絲與鋼筋間的空氣間隙很大，在前期的橋套施工中，必須進(jìn)行混凝土灌漿，而且整個(gè)橋面的材料介質(zhì)比較復(fù)雜，存在著很大的缺陷識(shí)別問(wèn)題。在橋梁使用時(shí)，錨頭和橋面連接是橋梁主要受力傳遞機(jī)構(gòu)，由于檢測(cè)距離大以及直徑大，對(duì)檢測(cè)工作的要求也較高。這種情況下可選擇“磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)法+磁性檢測(cè)法+射線檢測(cè)法+聲發(fā)射檢測(cè)法”，共同展開(kāi)市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。

聲發(fā)射檢測(cè)法是荷載作用下，在橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷時(shí)，通過(guò)釋放應(yīng)力變化的彈性波來(lái)探測(cè)結(jié)構(gòu)的缺陷。在實(shí)際的檢測(cè)中，由檢驗(yàn)員對(duì)各個(gè)部件模塊進(jìn)行檢測(cè)，若出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂與應(yīng)力損耗等問(wèn)題，檢測(cè)傳感器可以通過(guò)瞬間的彈性波形將能量釋放外界。將信號(hào)沿著固態(tài)媒質(zhì)傳遞，從而引起橋面的機(jī)械振動(dòng)。AE傳感器將機(jī)械振動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，通過(guò)放大器與信號(hào)處理器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在顯示器上。通過(guò)對(duì)橋梁的準(zhǔn)確檢測(cè)，可以準(zhǔn)確地判斷出橋梁的缺陷部位，并掌握其缺陷的大小和變化。比如峨邊市大渡河大橋，通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)吊桿損壞程度予以分析，為后續(xù)施工與維護(hù)提供了參考依據(jù)。

在使用射線探測(cè)法時(shí)，主要依據(jù)X、γ射線在穿過(guò)物體時(shí)產(chǎn)生的衰減現(xiàn)象，再將其與材料參數(shù)相結(jié)合，來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷。當(dāng)被測(cè)部件發(fā)生故障時(shí)，局部失效區(qū)域的輻射強(qiáng)度與其他組件的輻射強(qiáng)度存在一定的差別。這時(shí)，把攝像設(shè)備置于合適的位置，由于透射光線的影響，攝像裝置的對(duì)應(yīng)部位會(huì)產(chǎn)生反差不同的圖像，這就能拍下缺陷圖像。例如，在檢測(cè)橋梁纜索時(shí)，為了確定纜索的內(nèi)部是否存在問(wèn)題，可以借助移動(dòng)輔助裝置將探測(cè)設(shè)備運(yùn)送至被測(cè)構(gòu)件的位置，從而對(duì)橋梁的內(nèi)部缺陷進(jìn)行探測(cè)。

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，可以在繞組的橋部件內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。這是利用了暫態(tài)磁場(chǎng)發(fā)生彈性變化，從而產(chǎn)生了磁致伸縮導(dǎo)波振源的原理。當(dāng)結(jié)構(gòu)存在缺陷時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)反射回波，通過(guò)對(duì)線圈的探測(cè)，可以得到反向磁致伸縮信號(hào)，然后通過(guò)A/D變換，將逆變磁致伸縮信號(hào)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，得到特定的橋梁部件的信息。采用GP5005型鋼筋腐蝕試驗(yàn)裝置測(cè)量橋梁鋼結(jié)構(gòu)，在具體的試驗(yàn)中，可以通過(guò)GP5005型鋼筋腐蝕速率測(cè)定儀，測(cè)試橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕速度，并為其編號(hào)。在編號(hào)的區(qū)域用清水潤(rùn)濕15～60s，然后通過(guò)螺栓將GP5005鋼筋腐蝕速率測(cè)試儀一端，連接至橋梁中的鋼筋，另一端連接手持電極，調(diào)整到GP模式，自動(dòng)測(cè)試鋼筋的電阻、銹蝕率以及半電池電勢(shì)。

2.4 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果分析

“磁性輔助導(dǎo)波檢測(cè)+磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)”方法能夠直觀地獲取橋梁導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)圖，這種方法能夠幫助明確吊桿繩索缺陷及應(yīng)力變化，判斷斷裂程度[6]。同時(shí)，通過(guò)鋼筋銹蝕率圖，可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)得到該市政橋梁的鋼筋銹蝕率，用作橋梁鋼筋維護(hù)整修方案的參考依據(jù)。

3市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)研究方向

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在許多橋梁鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已逐步建立起一套完整的技術(shù)體系。在對(duì)當(dāng)前市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究的同時(shí)，也要不斷探索新的技術(shù)，為市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的安全與質(zhì)量提供有力保證。

未來(lái)的研究方向具體有以下3點(diǎn)：第一，為了豐富我國(guó)市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以促進(jìn)國(guó)內(nèi)與國(guó)外的技術(shù)交流，共同探討鋼結(jié)構(gòu)橋梁非破壞性試驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在大力引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及優(yōu)質(zhì)案例的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步拓寬研究層面與實(shí)踐相貫通。第二，在理論基礎(chǔ)上展開(kāi)深入的試驗(yàn)，運(yùn)用多種不同的非破壞性測(cè)試技術(shù)進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，并對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，以具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)與進(jìn)一步發(fā)展的有力支撐。第三，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，比如通過(guò)仿真軟件，模擬無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的核心應(yīng)用模塊不斷擴(kuò)寬，以此為依據(jù)改良無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

4結(jié)語(yǔ)

不同的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同，在實(shí)際使用過(guò)程中，不僅需要對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，剖析其內(nèi)在聯(lián)系，尋找最佳解決方案及途徑，更應(yīng)結(jié)合市政橋梁鋼結(jié)構(gòu)的具體狀態(tài)，有的放矢地選擇檢測(cè)方法，以此確保市政橋梁的質(zhì)量與安全，打造人民群眾滿意的精品工程。

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