文/陳禮鵬 廣西南寧市第二中學(xué) 廣西南寧 530000

1、引言

鋼構(gòu)橋（steel bridge），全稱為鋼結(jié)構(gòu)橋梁，該類橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)采用鋼材。最初的鋼構(gòu)橋誕生于第二次世界大戰(zhàn)初期，由英國工程師唐納德·貝雷設(shè)計(jì)。近幾十年以來，鋼構(gòu)橋在世界范圍內(nèi)取得了迅猛的發(fā)展，較為廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。鋼構(gòu)橋的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，客觀上增加了其發(fā)生質(zhì)量事故和安全事故的可能性。因此，橋梁領(lǐng)域的專家、政府以及普通民眾，越來越注重鋼構(gòu)橋的使用質(zhì)量和安全運(yùn)行。本文在總結(jié)鋼構(gòu)橋的主要病害類型[1]的基礎(chǔ)上，針對性地在闡述鋼構(gòu)橋中所應(yīng)用的無損檢測技術(shù)[2][4],從而引出運(yùn)用加固技術(shù)對鋼構(gòu)橋進(jìn)行加固的需要[3]，最終是為了達(dá)到保證鋼構(gòu)橋穩(wěn)定運(yùn)行和延長鋼構(gòu)橋壽命。

2、鋼構(gòu)橋主要病害

2.1 組件變形

各種形式的鋼構(gòu)橋所共有的重大潛在病害之一是組件變形。隨著時(shí)間演變，鋼構(gòu)橋橫向剛度降低，同時(shí)在重載荷（如重型卡車等）的作用影響下，斜支撐構(gòu)件等作用點(diǎn)為主梁(桁架)中心的組件，將逐漸發(fā)生翹曲或彎曲。車輛通過鋼構(gòu)橋所形成的作用力，由于這垂直桿和桁架對角線等組件相對的剛度較低，而且直徑較小比較細(xì)長，一旦受到較大的外界作用力，就會(huì)形成組件結(jié)構(gòu)的變形或裂縫、甚至導(dǎo)致斷裂。

2.2 裂紋裂縫

橋梁產(chǎn)生裂紋或裂縫最常見的情況主要是兩個(gè)：（1）焊口開裂。鋼構(gòu)橋的主要作業(yè)任務(wù)之一是橋梁的焊接，幾乎遍布橋梁的各個(gè)連接位置，而焊接施工或焊接材料的缺陷有可能導(dǎo)致焊口的開裂，嚴(yán)重的焊口開裂除了會(huì)引發(fā)鋼構(gòu)橋整體力學(xué)結(jié)構(gòu)的連鎖反應(yīng)，還會(huì)提供開口讓水分及酸性氣體會(huì)滲入，進(jìn)一步引發(fā)鋼材的銹蝕；（2）應(yīng)力集中開裂。腐蝕的部分，或高殘余應(yīng)力，或應(yīng)力集中，造成鋼構(gòu)橋關(guān)鍵焊接位置的疲勞應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)開裂。世界范圍內(nèi)大型所發(fā)生的鋼構(gòu)橋主梁坍塌事故中，關(guān)鍵問題在于橋梁發(fā)生了剛性斷裂，追根溯源是由裂縫導(dǎo)致。

2.3 涂層腐蝕

在不透風(fēng)、有積水的地方，鋼構(gòu)橋的油漆涂層的完整程度（銹斑、起皮和剝落等），可以反應(yīng)鋼構(gòu)橋的涂層腐蝕情況。對于鋼材的剩余厚度的檢測，在具有嚴(yán)重銹蝕的區(qū)域尤為必要，因?yàn)閿嗝娼?jīng)腐蝕后的剩余尺寸對特定的鋼結(jié)構(gòu)影響很大 [1]。鋼材的腐蝕是濕度和溫度的共同作用導(dǎo)致，對鋼板的除濕工作是確保橋梁鋼板不發(fā)生銹蝕的重要基礎(chǔ)，保持鋼板的表面干燥是防腐的要點(diǎn)。橋梁的承載能力會(huì)因此大大降低，主要是因?yàn)殇摬牡膭偠仁芨g的嚴(yán)重影響。質(zhì)量檢測時(shí)要全面檢測鋼構(gòu)橋的腐蝕情況，因?yàn)槠涓鱾€(gè)部位都有可能產(chǎn)生腐蝕。

3、鋼構(gòu)橋無損檢測

無損檢測，是指在以不損壞目標(biāo)對象為前提所進(jìn)行的質(zhì)量檢測[2]，實(shí)施手段主要為化學(xué)或者物理方法，通過借助科技設(shè)備和技術(shù)，測試和檢測目標(biāo)的表面以及內(nèi)部的物理狀態(tài)和幾何結(jié)構(gòu)。本文著重介紹用于鋼構(gòu)橋的射線檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)和金屬磁記憶檢測技術(shù)[2][3]，除此之外，無損檢測技術(shù)還有磁粉檢測技術(shù)和滲透檢測技術(shù)等[2][3]。

3.1 射線檢測技術(shù)

射線機(jī)發(fā)出射線，由于鋼構(gòu)橋部件中的不均勻厚度差，導(dǎo)致逐漸衰減和被吸收。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)不同部位所吸收和反射的光子數(shù)量不同的原理，將不同的射線強(qiáng)度記錄在介質(zhì)上，能夠據(jù)此定量分析鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的缺陷及其程度[3]。包括鋼材在內(nèi)的所有的材料都可使用射線檢測，根據(jù)底片形成圖像，實(shí)現(xiàn)精確定量記錄缺陷，且易于長期保存。無損性是其突出優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用范圍，可長期保存底片數(shù)據(jù)，直觀清晰地顯示結(jié)構(gòu)圖像，以供支撐分析日后的潛在相關(guān)事故等。然而其弊端也較為明顯——（1）射線檢測發(fā)射的射線，對人體在內(nèi)的生物體會(huì)造成一定程度的損傷，也會(huì)對環(huán)境造成一定程度的污染；（2）必須要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施回收特殊液體（用于圖像顯示），否則將產(chǎn)生較大的環(huán)境污染。

3.2 渦流檢測技術(shù)

由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，鋼構(gòu)橋的金屬材料含有自由電子，會(huì)隨著交替變化的電磁場而產(chǎn)生在金屬材料中循環(huán)的電流，即渦流（傅科電流）。渦流檢測技術(shù)的實(shí)施過程，主要是根據(jù)渦流的分布以及大小，對比分析金屬材料（如鋼構(gòu)橋的鋼板和鋼管）中的電流變化，靠近其鋼結(jié)構(gòu)材料表面的缺陷就能夠被發(fā)現(xiàn)。

3.3 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)，是通過激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波，在鋼構(gòu)橋檢測過程中，該超聲波在其構(gòu)件上傳播，一旦遇到異常介質(zhì)（夾渣和氣孔等），部分超聲波會(huì)產(chǎn)生異常反射回波[2]。通過處理和放大這些異常反射的超聲波，能夠迅速定位出缺陷回波。超聲波檢測的基本流程為：首先，以特定的方式將超聲波傳入到鋼構(gòu)橋的金屬組件內(nèi)部，或者引導(dǎo)一定的超聲波產(chǎn)生于金屬組件自身；其次，金屬組件內(nèi)部的超聲波在傳播時(shí)會(huì)發(fā)生變化，體現(xiàn)在傳播方向或速度等方面的變化；接著，檢測工具捕捉到超聲波并檢測到所發(fā)生的改變；最后，啟動(dòng)檢測設(shè)備內(nèi)的算法程序，對收集到的超聲波進(jìn)行自動(dòng)分析，提取鋼構(gòu)橋金屬組件的結(jié)構(gòu)缺陷特征。

3.4 金屬磁記憶檢測技術(shù)

鋼構(gòu)橋中的金屬磁材料，會(huì)產(chǎn)生特定的磁場記憶效應(yīng)，主要是由于荷載作用以及地磁場環(huán)境共同作用所形成的。金屬構(gòu)件部位一旦產(chǎn)生缺陷，會(huì)形成一種十分特殊的退磁場，將重新具有特別的伸縮性質(zhì)。通過地磁場和金屬材料內(nèi)部作用產(chǎn)生的微觀缺陷特性變化，用來檢測和評估金屬磁構(gòu)件的缺陷和壽命，作為無損檢測技術(shù)之一的金屬磁記憶檢測技術(shù)十分有效[2]。

4、鋼構(gòu)橋加固技術(shù)分析

到目前為止，我國20世紀(jì)60-70年代所建造橋梁的累計(jì)使用時(shí)間，基本都達(dá)到甚至超過了其設(shè)計(jì)壽命，繼續(xù)使用所帶來的橋梁病害將越發(fā)嚴(yán)重，為了保障既有橋梁的安全使用和穩(wěn)定運(yùn)行，在使用無損檢測技術(shù)探測其鋼結(jié)構(gòu)缺陷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行橋梁加固是很有必要的。鋼構(gòu)橋的加固技術(shù)有很多，以下主要從加大截面加固法和粘貼加固法兩個(gè)方面進(jìn)行分析，此外加固方法還有預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)等[5]。

4.1 截面加固法

截面加固方法，是在原來鋼構(gòu)橋鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在特定位置澆注一定厚度的鋼筋混凝土，以達(dá)到增加結(jié)構(gòu)截面的目的，從而提高承載能力，是一種較為常用的鋼構(gòu)橋加固技術(shù)。截面加固法的方式主要有：（1）橋面澆筑鋼筋混凝土進(jìn)行加厚；（2）主梁梁肋澆筑鋼筋混凝土，增加寬度和高度。使用這種加固方法可以大幅度增加承載能力，顯著提高橋梁剛度，延長使用壽命 [5]。

4.2 粘貼加固法

粘貼加固方法，使用一種特殊的材料（樹脂、碳纖維增強(qiáng)塑料等）粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)上，新材料的表面與原來的結(jié)構(gòu)貼合形成一個(gè)整體，粘貼材料分擔(dān)所承受的總體載荷，從而減少了作用在鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，達(dá)到了加固的效果[5]。其主要優(yōu)點(diǎn)是：保持鋼構(gòu)橋的原有屬性的同時(shí)，增加了承載力，增強(qiáng)了耐久性和耐疲勞性，提高了耐蝕性。其不足之處在于，彈性模量和強(qiáng)度比較低；在高于60度的材料溫度下，用于粘貼加固的環(huán)氧樹脂等材料將出現(xiàn)軟化，針對此問題阻斷陽光直射鋼構(gòu)橋是常見手段。

結(jié)論：

鋼構(gòu)橋在全世界城市交通具有重要而廣泛的應(yīng)用，起到了穩(wěn)固連結(jié)道路跨越的重要作用。但是由于鋼構(gòu)橋的材料的本身限制，也有一些不足需要克服，以期達(dá)到更長的實(shí)際使用壽命。本文首先對鋼構(gòu)橋的三類主要病害進(jìn)行了總結(jié)，接著著重分析了無損檢測技術(shù)在鋼構(gòu)橋中病害檢測中的應(yīng)用,最后進(jìn)一步地探討了鋼構(gòu)橋所用加固技術(shù)，希望達(dá)到保障鋼構(gòu)橋穩(wěn)定運(yùn)行和延長鋼構(gòu)橋壽命的重要目標(biāo)。