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桥梁载荷无损检测新法介绍
 
熊立辉 唐重光 (河南省交通公路工程局)
 
摘要 本文详细介绍了美国联邦公路管理局利用新研制的"无线数据收集系统"和"激光雷达系统"在实物现场,对桥梁载荷进行无损检测的新方法。
 
关键词 桥梁载荷 无损检测 无线数据收集系统
The New Method of Non destructive Inspection to Bridge Load Xiong Lihui (Henan Communications Highway Engineering) Abstract This paper introduces the new methods of non-destructive inspection to bridge load.It is"wireless datacollection system"and "laser radar system"are developed by the U.S.A. Federal Bureau of Highway admi nistration.    
Key words Bridg load Non-destructive inspection Wireless data collection system   
 
    在1997年5月提交给国会的报告中,美联邦公路管理局认为,整个国家桥梁数据库中,共有182000多座桥梁,被记录存在结构受损或功能老化的问题。在认识到这个问题会给交通安全和机动性、国防及经济等各方面带来一定的后果后,在"21世纪交通权利法案"中,美国会决定从1998年~2003年,共投资204亿美元,对所有公共道路上可通行的桥梁实施替换或复 原工程,保证这些桥梁的畅通。
 桥梁被认定结构受损的主要原因是其较小的载荷承载。当然,受损桥梁并不一定不安全,换名话说,并非每座结构受损桥梁都需要替换,对其载荷能力恰当的评估,具有至关重要的意义。
  我们知道,大部分桥梁的载荷承载能力,不是实物测试而是根据理论推算得出的,故桥梁的真正载荷能力仍属未知数。理论推算的载荷承载往往偏向保守,低估了桥梁的实际承载能力,得出实际承载能力的唯一方法,也只有靠在桥上搞现场测试。
  但实物测试既昂贵又费时,结果几乎没有几例这样的测试,这可能成为对受损桥梁数目估计不准确的原因之一。
  本文讲述了两种正处于实物实验的桥梁无损测试和评估系统,与理论推算相比而言,它们可以更准确地测量出桥梁的实际载荷值。
  1 载荷检测
  已知载重卡车置于桥梁的关键位置时,通过检测梁的应力或跨间挠度等指数,就可得出桥的实际载荷承载。
  可是,要得出这样的指数所需要安装的传感器和仪器,极其费时且过程复杂;根据应变片的要求,还需去漆等表面的准备工作。挠度检测时,每一测点还需有一固定的参数点,而且,不进入桥梁的关键环节,检测还无法进行;这样的要求,常常被迫中断正常交通;再者,绝大部分传统的数据收集系统需要有线路与传感器的实物连接;从中心站向各传感器启动线路,同样费时又耗费财力。
经过努力,美国联邦公路管理局研制出可使载荷检测工作变得迅速、高效起来的工具。但要充分发挥这种工具的作用,还要有能够方便测出应力和挠度的仪器与之配合工作。
应运而生的"无线数据收集系统"即可满足上述的要求。在特定测试点上,这种数据收集系统可在几秒钟内安装完毕,无需中心站与各传感器之间实物线路的连接。该系统也可与捆绑或焊接在桥梁上的传统应变片协调使用。作为被选方式,它还可以采用卡口式应变片,能在无任何的表面准备工作情况下,迅速投入应用。几乎与检测过程同时,就可得到检测结果数据。
  用无线数据收集系统检测挠度的可能性,也是存在的。但与传统检测仪器要求那样,无线系统也需要在桥下有参照点。这样,激光雷达系统就成为远距离挠度检测的首选方法。
  置于桥下,激光光束映在桥上多个点,计算出测点挠度,既不需要表面的准备工作,也无须在桥上安放具体的目标,其优点在易于安装,检测点多,减少了进入被检桥梁内部的要求。无线数据收集系统与激光雷达检测系统合并使用时,可能更快地测量出桥梁的具体载荷能力,可以更为准确地估计出结构受损桥梁的数目。
  2 现场实验
  检验在阿拉斯加州JUNEAU地方外的小河桥上展开。这是一座双跨、简支梁预应力混凝土桥梁。每跨共5片梁。计18m长。由于桥梁直接横跨水面,进入桥下安装检测仪器有相当的困难。 
  使两跨满足平衡载荷要求后,对其中一跨实施挠度和应力的测量。每辆约25m/t重的两辆载重卡车当作载荷车辆,实验时,把载重车置于桥的关键环节,以便于确定载荷的分布状况。像钢筋(无论上漆与否)和混凝土等典型的结构材料,可以产生更佳的实验效果。用机械浏览器配合将激光从单个源点引向多个检测点,达到预期的目的。
  在极限为30m的范围内,这种激光系统拥有不足1mm的测量能力;与其它远距离测量设备的不同之处在于,激光系统无须特别的映像目标,就可处理不足1mm的测量任务。
  但激光系统仅可完成其光束所及范围的测量。为能够测量一跨所有的5根梁,把激光检测系统放置在桥下水中成为必要,为此,特设立一小型平台以便放置检测系统。
  平台将激光检测系统置于跨之间(约中线区域),保证光束可及至总长18m的大部分梁上,每梁布11个测点,一跨共布55个测点。激光系统及其配套的安装仅占用20分钟的时间,得到全部55个测点的检测数据费时约13分钟。整个过程的效率非常明显。
  联邦公路管理局开发研制的无线数据收集系统也应用于此次的应力和挠度的测量过程中。数据收集系统设计成本低,便于携带,仪器中的无线接收器采用902-928MHZ无线频率与基站联系,一座基站可与多达8部接收模板相连,每一模板有一传感器。接收器设计可与应变片、倾斜感应针、加速计以及任何输入/输出电路相连。数据收集系统也可以与计算机连接,进行设置、操作和下载程序。
  在该桥的各梁上,共进行了3次挠度检测和一次应力检测。所有传感器件的安装和无线数据收集系统的配置在约1个小时内即告结束。
  3 结束语
  这次实物实验的结果表明,与传统的桥梁载荷检测仪器相比,激光雷达检测系统具有多项的优势。首先,它可以在单一位置上,对多个检测点实施检测。相比而言,激光系统可以完成更多的检测点;其二,激光系统无具体的目标要求,传统方法进入桥梁内难以到达的环节方可完成任务的要求,也就成为历史;最后激光检测系统易于安装,并能迅速得出检测结果。 
  本次实验也证明了无线数据收集系统的优势。该系统无须在桥上安放实物线路,因此,其安放和配置可很快地完成。这次现场实验,也为新兴的免损评估技术在桥梁上的实际运用,提供了大量有用的信息。其结果终将以最有效的方式,把这些新技术应用于桥梁界,造福于桥梁界。
  这些新技术还有可能给桥梁提供更为准确的载荷能力检测,也将减少被认为结构受损的桥梁数目,从而,为许多驾驶员节约了大量的时间和货币。其意义也可谓非常重大。
----  本文发表于 2009-5-14  共浏览 866 次 ----
 
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