林 萍 * 胡祝友 ** 郭 河 * 喬 磊 * 向志海 **

*(中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100011)

?(中交路橋檢測(cè)養(yǎng)護(hù)有限公司，北京 101300)

**(清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084)

橋梁的健康狀態(tài)關(guān)乎交通運(yùn)營(yíng)以及過(guò)往車輛的人身安全。傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確地定位損傷并對(duì)橋梁的健康狀況做出評(píng)定[1-5]，但往往需要中斷交通，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且檢測(cè)效率較低。隨著橋梁數(shù)量的日益增長(zhǎng)，對(duì)高效的橋梁檢測(cè)技術(shù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。借助移動(dòng)車輛，可以很方便地得到橋梁的頻率、模態(tài)振型、阻尼、損傷等多種特性。因此，基于該思路的橋梁快速檢測(cè)方法成為近年來(lái)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[6]。

車輛行駛在橋面時(shí)會(huì)引起橋梁的振動(dòng)，而橋梁的振動(dòng)也會(huì)對(duì)行駛的車輛產(chǎn)生影響，從而將橋梁的信息傳遞給車輛。利用這種車–橋耦合振動(dòng)特性，就有可能從移動(dòng)車的振動(dòng)信號(hào)中提取出橋梁結(jié)構(gòu)的信息。Yang 等[7]首先建立了這種方法的車–橋耦合模型，并根據(jù)移動(dòng)車的振動(dòng)響應(yīng)提取出橋梁的基頻。經(jīng)過(guò)多年的研究，采用該方法已經(jīng)可以提取更豐富的橋梁特性，如高階頻率、模態(tài)振型、阻尼、路面粗糙度等[8-9]。在此基礎(chǔ)上，Zhang 等[10]提出基于梁模態(tài)的平方對(duì)橋梁的損傷進(jìn)行檢測(cè)。隨后基于模態(tài)提取技術(shù)的橋梁損傷檢測(cè)得到了眾多研究者的關(guān)注[11-12]。

在基于移動(dòng)車的橋梁損傷檢測(cè)中，路面粗糙度會(huì)對(duì)車–橋耦合系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生干擾，從而增加了提取橋梁結(jié)構(gòu)信息的難度[13-14]。為了提高信噪比，文獻(xiàn)[15-16]提出了敲擊掃描式損傷檢測(cè)方法。該方法通過(guò)移動(dòng)車上的敲擊裝置對(duì)橋梁施加檢測(cè)車敏感頻率附近的敲擊力，從而提高車輛加速度對(duì)損傷的靈敏度。另外，當(dāng)檢測(cè)車的敏感頻率高于環(huán)境噪聲頻段時(shí)，損傷檢測(cè)結(jié)果不受周圍環(huán)境的影響，從而可以實(shí)現(xiàn)在不中斷交通情況下的正常檢測(cè)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化檢測(cè)車的硬件系統(tǒng)，還可以利用車輪的敲擊齒被動(dòng)地產(chǎn)生敲擊力，從而發(fā)展出被動(dòng)敲擊掃描式損傷檢測(cè)理論[17]。在研究被動(dòng)敲擊掃描理論的過(guò)程中，Hu 等[18]還發(fā)現(xiàn)移動(dòng)車的加速度對(duì)橋梁剛度的不連續(xù)性更敏感，并給出了移動(dòng)車加速度和橋梁彎曲剛度變化率的定量關(guān)系。

目前，上述基于移動(dòng)車的橋梁檢測(cè)方法多用于實(shí)際橋梁的振動(dòng)特性測(cè)試，在實(shí)際橋梁損傷檢測(cè)方面的報(bào)導(dǎo)很少[6]。為了驗(yàn)證被動(dòng)敲擊掃描式損傷檢測(cè)方法的工程實(shí)用性，本文對(duì)兩座實(shí)際橋梁進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不但可以找到人工檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的損傷，而且可以給出這些損傷的定量評(píng)估指標(biāo)。另外，使用該方法還可以找到一些肉眼容易忽視的隱蔽損傷。

為了便于讀者理解，本文首先簡(jiǎn)單介紹被動(dòng)敲擊掃描式檢測(cè)方法的原理，并用一個(gè)T 梁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。在此基礎(chǔ)上，再介紹兩座實(shí)際橋梁的檢測(cè)結(jié)果。最后給出對(duì)該研究工作的總結(jié)和展望。

1 被動(dòng)敲擊掃描式檢測(cè)方法的原理

被動(dòng)敲擊掃描式檢測(cè)方法通過(guò)測(cè)量移動(dòng)車的加速度信號(hào)，提取相應(yīng)功率譜密度圖中的異常點(diǎn)，獲得梁結(jié)構(gòu)剛度突變位置及其變化程度。該方法的理論模型如圖1 所示。

圖1 車–橋耦合系統(tǒng)Fig.1 Vehicle–bridge interaction system

基于Euler–Bernoulli 梁模型和單自由度移動(dòng)車模型，車–橋耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為[18]

圖1 和式（1）中，MV為移動(dòng)車的質(zhì)量，kV為懸掛系統(tǒng)的剛度，μV為懸掛系統(tǒng)的阻尼常數(shù)，EI為梁的彎曲剛度，m為梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的質(zhì)量，μB為橋梁的阻尼常數(shù)，r為路面粗糙度，v為移動(dòng)車的速度，g為重力加速度。yV和yB分別代表移動(dòng)車和梁在y方向的位移，F(xiàn)為梁對(duì)車輪的y方向支承力。FT是車輪敲擊齒與梁之間的敲擊力，可表示為

式中，A是敲擊力幅值，ω0是敲擊力的圓頻率。

橋梁的局部阻抗Z(x)=-(F+MVg)/[yB(x,t)δ(x-vt)]包含了橋梁的損傷信息。根據(jù)式（1）～式（3）可知，移動(dòng)車的加速度中顯式包含局部阻抗

這樣，就可以從移動(dòng)車的加速度信號(hào)中提取出橋梁的損傷信息。

橋梁的損傷可看作梁截面彎曲剛度的變化。本文中將損傷位置處的彎曲剛度記為(EI)D。但是圖1 的模型中的梁是完整的，并不包含損傷信息。為了仍然采用圖1 的模型進(jìn)行分析，可以引入損傷等效模型[18]，即將橋梁的損傷轉(zhuǎn)換為移動(dòng)車等效剛度k(x)的變化

式中，θ(x)≡(EI)D/(EI) 是梁彎曲剛度比，Ds是和梁位置相關(guān)的系數(shù)。

基于上述等效關(guān)系，就可以用Duhamel 積分方法求解運(yùn)動(dòng)方程，得到移動(dòng)車位移中的主要成分

式中，U,V和W是與車橋特性有關(guān)的待標(biāo)定參數(shù)。

根據(jù)以上原理可以建立被動(dòng)敲擊掃描式損傷檢測(cè)方法，其流程如圖2 所示。

圖2 敲擊掃描方法的檢測(cè)流程Fig.2 The detection process of the tap-scan damage detection method

2 損傷檢測(cè)車及標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力T 梁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述理論模型以及檢測(cè)方法的要求，可以設(shè)計(jì)出基于被動(dòng)敲擊掃描式方法的損傷檢測(cè)車（如圖3 所示）。損傷檢測(cè)車主要由外殼、車身、驅(qū)動(dòng)輪以及敲擊裝置4 部分構(gòu)成。在敲擊裝置（圖3(a)）中，敲擊輪通過(guò)均勻分布在車輪上的敲擊齒對(duì)路面產(chǎn)生具有穩(wěn)定頻率的敲擊力；輪軸上的采集點(diǎn)則用于收集敲擊裝置在檢測(cè)過(guò)程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)。由于敲擊裝置的固有頻率遠(yuǎn)高于路面粗糙度的主要頻段，所以可以達(dá)到很高的檢測(cè)信噪比。基于上述設(shè)計(jì)要求，首先開(kāi)發(fā)了一臺(tái)原理樣車（圖3(b)）用于一根預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)式（8）中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。在該原理樣車的基礎(chǔ)上，為了保證在實(shí)際橋梁上的操作安全性，又設(shè)計(jì)了工程檢測(cè)車，增加了醒目的車身和閃光報(bào)警燈（圖3(c)）。

圖3 損傷檢測(cè)車Fig.3 Damage detection vehicle

為驗(yàn)證檢測(cè)方法和檢測(cè)車的合理性與可靠性，利用原理樣車對(duì)一根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁（圖4(a)）從左至右進(jìn)行掃描測(cè)試。根據(jù)定點(diǎn)敲擊方法，原理樣車在T 梁上靜置時(shí)的敏感頻率約為136 Hz，所以在測(cè)試中通過(guò)調(diào)整車速將原理樣車的敲擊頻率設(shè)定為138 Hz。根據(jù)T 梁的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，梁在沿長(zhǎng)度方向有7 個(gè)剛度突變點(diǎn)。檢測(cè)車從啟動(dòng)位置出發(fā)會(huì)經(jīng)歷加速行駛階段再達(dá)到勻速行駛狀態(tài)，在檢測(cè)第3～7 個(gè)剛度突變點(diǎn)（即圖4(a)中的STP1～STP5 點(diǎn)）時(shí)，檢測(cè)車處于勻速階段且敲擊頻率較穩(wěn)定。從采集信號(hào)中可以捕捉到梁彎曲剛度的突變對(duì)于檢測(cè)車加速度的影響，如圖4(b)所示，5 個(gè)剛度突變點(diǎn)所處位置的功率譜密度顯著高于其他位置。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明歸一化后檢測(cè)車的加速度YE和梁剛度比θs 之間存在二次多項(xiàng)式的關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.85），和式（8）的理論預(yù)測(cè)一致。

圖4 檢測(cè)結(jié)果Fig.4 The detection results

基于式（9），STP1～STP5 的實(shí)際剛度比分布如圖4(c)所示。其中STP2 位于梁的橫隔板處（如圖4(a)），因此其剛度比顯著大于其他剛度突變點(diǎn)。

3 實(shí)橋測(cè)試

使用上述被動(dòng)式敲擊掃描檢測(cè)車對(duì)兩座在役橋梁的部分橋跨進(jìn)行了損傷檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果和人工檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證檢測(cè)車的科學(xué)性和實(shí)用性。

3.1 京津高速某橋

該橋梁位于京津高速，是一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁橋，如圖5 所示。橋梁全長(zhǎng)1 721.5 m，共57 跨，橋面總寬20.5 m，橫向有6 片主梁，支座形式為板式 + 盆式橡膠支座。用原理樣車對(duì)橋梁右幅的第8 跨至22 跨的右側(cè)第1 片梁（標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為R8-1#～R22-1#）進(jìn)行了快速篩查。每跨為長(zhǎng)度30 m 的小箱梁，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面以及檢測(cè)車道如圖5(b)所示。

圖5 京津高速橋梁概況Fig.5 Brief information of the bridge on Jingjin high way

如圖5(b)所示，在用原理樣車對(duì)橋梁進(jìn)行掃描檢測(cè)過(guò)程中僅封閉了待檢測(cè)車道，其余車道均保持正常通行。根據(jù)定點(diǎn)敲擊方法，原理樣車在該橋梁上靜置時(shí)的敏感頻率約為141 Hz，所以在測(cè)試中通過(guò)調(diào)整車速將檢測(cè)車的敲擊頻率設(shè)定為138 Hz。為了保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)待檢測(cè)車道進(jìn)行了4 次檢測(cè)。

圖6 為檢測(cè)區(qū)域中包含的15 處支座的檢測(cè)情況。正常情況下，支座是一個(gè)剛度突變點(diǎn)。在4次檢測(cè)中如果至少有3 次能發(fā)現(xiàn)剛度突變點(diǎn)，則可以判斷該支座是正常的，否則很可能有支座脫空現(xiàn)象。對(duì)4 次檢測(cè)結(jié)果做平均處理，各支座位置處是否有剛度突變以及突變程度如圖6(a)所示。在4 次測(cè)試中，2 次測(cè)試的檢測(cè)結(jié)果中都未在R9#支座的位置捕捉到剛度突變點(diǎn)，故圖6(a)中無(wú)該支座的剛度比結(jié)果，由此可以判斷該支座可能已經(jīng)脫空。如圖6(b)所示，在現(xiàn)場(chǎng)照片也發(fā)現(xiàn)該支座的確有脫空現(xiàn)象。其余支座位置在4 次檢測(cè)中均有至少3 次在檢測(cè)信號(hào)中出現(xiàn)剛度突變點(diǎn)，人工檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象。需要說(shuō)明的是，在最初的人工檢測(cè)報(bào)告中并沒(méi)有提到R9#支座脫空的問(wèn)題。當(dāng)敲擊掃描結(jié)果提示該處可能出現(xiàn)支座脫空后，再去復(fù)檢時(shí)才確認(rèn)了這個(gè)損傷。這說(shuō)明敲擊掃描方法有可能發(fā)現(xiàn)一些容易被人工檢測(cè)所忽視的損傷。

圖6 支座檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Detection result of supports

對(duì)于橋梁上的其他位置，當(dāng)4 次檢測(cè)中出現(xiàn)2 次及以上的顯著信號(hào)時(shí)可判定該位置有剛度缺失的情況。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果表明檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有3 處損傷，其中兩處剛度折損較小，一處剛度折損較大。圖7 為剛度折損較大位置的平均檢測(cè)結(jié)果，位于第18 跨主梁。人工檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)該處有銹脹露筋的情況，如圖7(b)所示。

圖7 損傷檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Detection result of damage

3.2 貴陽(yáng)某橋

該橋位于貴陽(yáng)市，是一座先結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)的小箱梁橋，如圖8 所示。橋梁全長(zhǎng)256 m，跨徑組合為6×40 m，橋面寬度為17.25 m，橫向有5 片主梁，圖8(b)所示為標(biāo)準(zhǔn)橫斷面以及檢測(cè)車道。該橋常有重型車輛經(jīng)過(guò)，因此路面情況較差，主梁上也存在較多結(jié)構(gòu)性損傷。采用圖3(b)中的工程檢測(cè)車對(duì)橋梁左幅的第4 跨和5 跨的第5 片梁進(jìn)行了5 次檢測(cè)。根據(jù)定點(diǎn)敲擊方法，工程檢測(cè)車在橋梁上靜置時(shí)的敏感頻率約為125 Hz，所以在測(cè)試中通過(guò)調(diào)整車速將工程檢測(cè)車的敲擊頻率設(shè)定為127 Hz。

圖8 貴陽(yáng)市橋梁概況Fig.8 Brief information of the bridge in Guiyang city

綜合5 次測(cè)試，當(dāng)其中出現(xiàn)4 次及以上的顯著信號(hào)時(shí)可判定該位置的剛度存在較大突變。圖9為工程檢測(cè)車對(duì)第4 跨主梁的平均檢測(cè)結(jié)果，快速檢測(cè)方法在4 m，8 m 以及36 m 處發(fā)現(xiàn)了損傷。在人工檢測(cè)中，第4 m，第8 m 和第36 m處也都發(fā)現(xiàn)了銹蝕露筋的情況。對(duì)于第5 跨主梁，在位置約13 m，33 m 處至少在4 次檢測(cè)中捕捉到了剛度突變點(diǎn)，如圖10 所示，人工檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)在對(duì)應(yīng)位置處有露筋現(xiàn)象。

圖9 第4 跨檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Detection result of span 4

圖10 第5 跨檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Detection result of span 5

4 結(jié)論和展望

本文簡(jiǎn)要介紹了被動(dòng)敲擊掃描式檢測(cè)理論以及基于該理論研制的橋梁損傷快速檢測(cè)車。使用這種檢測(cè)車對(duì)兩座在役橋梁進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)，可得到以下結(jié)論。

(1) 被動(dòng)式敲擊掃描檢測(cè)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，可在不完全中斷交通的情況下快速完成橋梁損傷檢測(cè)。

(2) 檢測(cè)車不但可以準(zhǔn)確地定位表現(xiàn)在橋梁外部的損傷，而且能夠找到支座脫空這類比較隱蔽的損傷，另外還可以給出剛度變化的定量評(píng)估結(jié)果。

限于激振功率、便攜性要求等限制因素，本檢測(cè)車目前只適用于中小型混凝土梁式橋梁的損傷檢測(cè)。在后續(xù)的研究工作中，將進(jìn)一步考慮不同路面情況對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并討論所檢測(cè)出來(lái)的損傷指標(biāo)對(duì)橋梁承載力評(píng)估的作用。