王晨

摘要 文章研究基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，利用超聲波發(fā)生器，向橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射超聲波，通過(guò)超聲波接收器采集超聲波數(shù)據(jù)，對(duì)比分析采集的超聲波數(shù)據(jù)與健康橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)的超聲波數(shù)據(jù)，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)相同，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)不同，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)有損傷，并根據(jù)兩個(gè)數(shù)據(jù)的差距，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，確定損傷位置，實(shí)現(xiàn)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；通過(guò)ABAQUS軟件模擬分析該方法的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)效果。研究結(jié)果表明，對(duì)于較小損傷與較大損傷，該方法均可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，并確定損傷位置，具備較高的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)精度。

關(guān)鍵詞 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；高速公路；橋梁結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)；超聲波

中圖分類號(hào) U446.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）12-0001-03

0 引言

當(dāng)公路橋梁出現(xiàn)安全事故時(shí)，不僅會(huì)影響人們的生命安全，還會(huì)給社會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)用科學(xué)、合理的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法可及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路橋梁存在的安全隱患，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故[1]。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅不會(huì)損傷橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能夠有效檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的微小損傷，確定損傷程度與位置。為此，研究基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

1.1 超聲波技術(shù)的工作原理

超聲波技術(shù)屬于一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可有效地檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的缺陷。受車輛荷載與環(huán)境等因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷情況，利用超聲波技術(shù)，可有效得到橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息，并和原始結(jié)構(gòu)信息展開對(duì)比，確定橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷，以及損傷程度[2]。

超聲波技術(shù)的工作原理：向高速公路橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)射超聲波，采集超聲波數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況，及時(shí)做好防御工作，避免出現(xiàn)橋梁安全事故。

1.2 工程概況

以某市的高速公路斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該座橋梁共包含4期，其具體信息如表1所示。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的工作流程

在高速公路橋梁上安裝超聲波發(fā)生器與接收器，利用超聲波發(fā)生器將超聲波作用在橋梁結(jié)構(gòu)中，由接收器接收作用在橋梁結(jié)構(gòu)中的超聲波[3]?；诔暡夹g(shù)的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)流程如圖1所示。

具體步驟如下：

步驟1：在橋梁溝槽內(nèi)，安裝超聲波發(fā)生器，令其向橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射超聲波。

步驟2：通過(guò)超聲波接收器采集超聲波數(shù)據(jù)。

步驟3：通過(guò)中央處理器，存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理[4]。

步驟4：對(duì)比分析處理后的數(shù)據(jù)與健康橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)完全相同，說(shuō)明此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)不同，說(shuō)明此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)有損傷，并根據(jù)兩個(gè)數(shù)據(jù)的差距，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，確定損傷位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。

1.4 數(shù)值模擬

為分析超聲波技術(shù)對(duì)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的作用，利用ABAQUS軟件，設(shè)置不同橋梁工況，模擬分析超聲波技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)效果。ABAQUS軟件模擬分析的具體步驟如下：

步驟1：依據(jù)斜拉索橋梁的實(shí)際情況，建立橋梁結(jié)構(gòu)三維模型[5]，并設(shè)置參數(shù)，包含模型形狀與材料性質(zhì)等。選擇彈性本構(gòu)關(guān)系類型，結(jié)合直接建模方法，構(gòu)建健康與存在缺陷的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)三維模型，并將缺陷尺寸與有關(guān)參數(shù)直接導(dǎo)入三維模型內(nèi)。

步驟2：設(shè)置分析類型，制定分析步驟與輸出方式。利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法，分析荷載作用下，超聲波在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)傳播過(guò)程，分析過(guò)程中需確保接收到的回波信號(hào)無(wú)缺失。

步驟3：對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定需要?jiǎng)澐值膯卧愋团c長(zhǎng)度。網(wǎng)格單元尺寸Δq與時(shí)間步長(zhǎng)Δt，均會(huì)影響有限元分析精度。網(wǎng)格單元尺寸與其包含的模型信息具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有限元分析結(jié)果精度也具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但Δq越小，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。Δt的大小與有限元分析結(jié)果精度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但Δt越小，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。為此，需要合理選擇Δq與Δt。Δq的計(jì)算公式如下：

式中，λ——超聲波波長(zhǎng)。

Δt的計(jì)算公式如下：

式中，cg——超聲波傳播速度。

以實(shí)體單元類型，為橋梁結(jié)構(gòu)三維模型的網(wǎng)格劃分單元類型，可提升有限元分析精度，該單元類型可近似實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)，誤差較小。

步驟4：在橋梁結(jié)構(gòu)模型上施加荷載，并設(shè)置不同溫度條件，同時(shí)設(shè)計(jì)約束與邊界條件。確定橋梁結(jié)構(gòu)三維模型后，需要確定荷載激勵(lì)方式，在實(shí)驗(yàn)中采用縱向軸對(duì)稱模式發(fā)射超聲波，僅能獲取橋梁結(jié)構(gòu)水平方向的變形量和垂直方向高程變化量。為此，在橋梁結(jié)構(gòu)三維模型中施加荷載，可模擬分析實(shí)際情況下的超聲波記錄，并依據(jù)信號(hào)傳播過(guò)程，獲取加速度的變化情況。以真空條件作為橋梁結(jié)構(gòu)三維模型的邊界條件，在橋梁結(jié)構(gòu)末端施加固定約束。在橋梁結(jié)構(gòu)三維模型中，均勻設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記作監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、監(jiān)測(cè)點(diǎn)6、監(jiān)測(cè)點(diǎn)7、監(jiān)測(cè)點(diǎn)8、監(jiān)測(cè)點(diǎn)9、監(jiān)測(cè)點(diǎn)10。

步驟5：對(duì)不同工況下的數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

步驟6：以二進(jìn)制文件格式存儲(chǔ)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行后處理。

步驟7：以表格與曲線圖等方式呈現(xiàn)超聲波技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

利用ABAQUS軟件，模擬分析該文方法在高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。分析高速公路橋梁結(jié)構(gòu)損傷不同位置時(shí)，該文方法所測(cè)得的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)效果的分析結(jié)果如圖2所示：橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置分別設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2與監(jiān)測(cè)點(diǎn)3之間，以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)7與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8之間，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)2至監(jiān)測(cè)點(diǎn)3之間的損傷程度較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)7至監(jiān)測(cè)點(diǎn)8之間的損傷程度較大。

對(duì)比分析圖2（a）與圖2（b）可知，超聲波加速度波形圖在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2至監(jiān)測(cè)3之間存在小幅度的波動(dòng)情況，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)2與監(jiān)測(cè)點(diǎn)3之間存在損傷，且損傷程度較小，與實(shí)際情況相符，說(shuō)明該文方法可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的輕微損傷情況，并精準(zhǔn)地確定橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置與損傷程度。對(duì)比分析圖2（a）與圖2（c）可知，超聲波加速度波形圖在監(jiān)測(cè)點(diǎn)7至監(jiān)測(cè)8之間存在大幅度的波動(dòng)情況，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)7與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8之間存在損傷，且損傷程度較大，與實(shí)際情況相符，說(shuō)明該文方法可精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷情況，并精準(zhǔn)地確定橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置與損傷程度。綜合分析可知，無(wú)論是較小程度的損傷，還是較大程度的損傷，該文方法均可精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到損傷位置，并確定損傷程度，即該文方法具備較高的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)精度。

分析不同溫度工況下，該文方法的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)效果，溫度工況分別為主梁溫度梯度是15 ℃、索塔溫度梯度是15 ℃、索梁溫差是15 ℃。分析結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可知，在三種不同溫度工況下，該文方法均可有效監(jiān)測(cè)到該高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的主梁豎向變形情況；三種溫度工況下，該高速公路橋梁均存在不同程度的主梁豎向變形情況，其中，索梁溫度15 ℃時(shí)，高速公路橋梁結(jié)構(gòu)的主梁豎向變形量最大，最高變形量是35.94 mm；其余兩種溫度工況下，主梁豎向變形量相差較小，主梁溫度梯度15 ℃時(shí)的最大主梁豎向變形量是

3.54 mm，索塔溫度梯度15 ℃時(shí)的最大主梁豎向變形量是3.99 mm。綜合分析可知，在日常維護(hù)該高速公路橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，需重點(diǎn)考慮索梁溫差情況，避免出現(xiàn)橋梁事故，提升高速公路橋梁使用的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

高速公路橋梁為人們的生活提供了很多便利，但受車輛荷載與天氣等因素的影響，導(dǎo)致其使用性能迅速下降，加大了橋梁安全事故發(fā)生的概率。為此，研究基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的高速公路橋梁健康監(jiān)測(cè)方法，在不損傷橋梁結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的損傷問(wèn)題，并制定合理的維護(hù)方案，提升橋梁使用的安全性能。

參考文獻(xiàn)

[1]李帆. 云計(jì)算技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 公路， 2022（4）： 177-181.

[2]朱利明， 卓靜超， 邢世玲. 基于CEEMDAN-NAR-ARIMA組合模型的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)變預(yù)測(cè)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2020（4）： 1639-1644.

[3]楊建喜， 張利凱， 李韌， 等. 聯(lián)合卷積與長(zhǎng)短記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2020（8）： 1893-1902.

[4]高江華， 韓春華， 郭健， 等. 基于最小二乘積求解的高速公路橋梁形變監(jiān)測(cè)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2022（12）： 169-172+234.

[5]田壯， 樊啟武， 王昌杰. 深度學(xué)習(xí)在橋梁響應(yīng)預(yù)測(cè)與健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2021（6）： 47-52.