【摘要】鋼桁架主梁是我國中西部地區(qū)大跨橋梁的一種重要的主梁形式，具有較好的跨越能力。目前，鋼桁架橋梁養(yǎng)護方案尚未完全形成完善體系，在實際運營維護中橋梁養(yǎng)護代價和安全性較難平衡。首先對鋼桁架橋梁主要病害進行了分析，得出現(xiàn)有鋼桁梁典型病害檢測識別的局限性和需求，計算機視覺技術在鋼桁架橋梁病害檢測識別與養(yǎng)護領域具有重要發(fā)展前景，為未來鋼桁架橋梁病害養(yǎng)護技術的進一步發(fā)展提供依據(jù)。

【關鍵詞】鋼桁架橋; 橋梁病害; 病害養(yǎng)護

【中圖分類號】U445.7+1【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-06-08

［基金項目］貴州省交通運輸廳科技項目（項目編號：2020-123-023）

［作者簡介］徐向東（1982—），男，博士，高級工程師，研究方向為大跨度空間組合結構。

0 引言

鋼桁架梁是大跨徑橋梁常用的梁段形式，具有較好的跨越能力［1］。相對于鋼箱梁而言，鋼桁架梁更容易運輸和現(xiàn)場施工，我國的中西部地區(qū)大量采用鋼桁架梁作為大跨橋梁的主梁形式。此外，大跨度鋼桁架梁也是高速鐵路渡河、渡江橋梁的重要結構形式。因此，我國現(xiàn)存大量以鋼桁架梁為主梁形式的橋梁。

但是受環(huán)境、材料劣化、車致動荷載等影響，鋼桁架橋梁往往產生各種病害，成為其運營期的安全隱患。為了保證鋼桁架橋梁的安全運營，需要對鋼桁架橋梁定期進行檢測，其中檢測手段主要包括日常巡檢、定期巡檢和特殊巡檢，用于表觀病害的發(fā)現(xiàn)、構部件性能試驗等，尤其是在大跨鋼桁架病害檢測方面目前仍大量依賴人工手段，標準化程度仍處于較低水平。另外，針對大跨橋梁的運營維護，健康監(jiān)測系統(tǒng)也已大量應用于監(jiān)測橋梁結構的狀態(tài)，但現(xiàn)有的橋梁養(yǎng)護技術無法實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的深度挖掘分析，對實際養(yǎng)護工作難以形成高效指導。目前，鋼桁架橋梁養(yǎng)護方案尚未完全形成完善體系，如快速發(fā)展的高速鐵路橋梁，其養(yǎng)護經驗較為缺失［2］。

養(yǎng)護工作的“檢評修”流程中，檢測手段的低效與不精確給后續(xù)養(yǎng)護工作帶來了困難。結合現(xiàn)有鋼桁架橋梁病害識別與處理方案分析，指明現(xiàn)有鋼桁梁典型病害檢測識別的局限性和需求，提出計算機視覺技術在鋼桁架橋梁病害檢測識別與養(yǎng)護領域具有重要發(fā)展前景，契合鋼桁梁養(yǎng)護需求。

1 鋼桁架橋梁主要病害及檢測方法

1.1 連接病害

鋼桁架橋梁的連接方式主要包括螺栓連接、焊接和鉚接，在養(yǎng)護中一般由定期巡檢和日常巡檢對其病害進行識別，然后采取對應措施。

1.1.1 螺栓、鉚釘病害

當前，鋼桁架橋梁中的螺栓連接主要使用高強螺栓，其摩擦力通過螺母和螺桿直接的預緊力提供。螺栓的連接作用一旦失效，會導致橋梁結構局部構件的應力重分布，進而危害橋梁安全。2007年8月美國 I-35W 鋼桁架橋因連接失效倒塌，其事故調查結果顯示節(jié)點板的高強螺栓存在嚴重的松動脫落［3］。

在橋梁結構中，一般采用摩擦型高強螺栓。在運營期，高強螺栓由于受到動荷載、環(huán)境侵蝕等作用，常出現(xiàn)涂裝剝落、腐蝕、松動、斷裂和脫落等病害。高強螺栓的涂裝剝落、腐蝕一般通過產生截面損失、影響螺母松動等進一步影響高強螺栓預緊力和連接性能。對于松動而言，栓接由于連接件和緊固件的腐蝕、過度振動、超應力、開裂或單個緊固體失效等原因造成松動現(xiàn)象。摩擦型高強螺栓的松動直接導致連接性能的下降，是目前鋼桁架橋梁養(yǎng)護中的難題。另一方面，在潮濕環(huán)境中長期暴露的螺桿會受到侵蝕，螺紋處的初始缺陷會在腐蝕和交變應力的作用下開裂，發(fā)生延遲斷裂。

考慮到螺栓對橋梁安全的影響，在養(yǎng)護過程中需要及時發(fā)現(xiàn)并采取對應措施。在常規(guī)養(yǎng)護運營中，針對螺栓病害一般采用人工進行表觀狀態(tài)、螺栓缺失和螺栓松動的檢查，輔助采用錨桿拉力計測定螺桿的拉力。常用劃線法和扭矩扳手法檢測螺栓的松動，人工目視巡檢來檢測螺栓的涂裝剝落、腐蝕和脫落問題。鉚釘?shù)牟『εc螺栓類似，一般包括損壞、松動、缺失，檢查手段也基本相同（圖1）。

1.1.2 焊縫病害

焊接也是鋼桁架橋梁連接方式的主要方式之一。焊接導致的殘余應力、缺陷、設計缺陷等問題，使得焊縫在交變荷載下更容易產生裂紋和斷裂。焊縫斷裂后會導致局部位置應力突變，進而危害橋梁安全。對于焊縫病害來說，一般依靠平時人工巡檢和年度進行檢測記錄，再進行年度維修［4］。焊接要比栓接和鉚接更易于破壞，其疲勞損失是不可忽視的問題。焊接接頭處一旦萌生裂紋，裂紋會逐步發(fā)展致整個焊接區(qū)域，從而可能導致整個結構失效。焊縫處一般采用目測檢查，輔助放大鏡、基于超聲檢測［5］的焊縫質量專業(yè)檢測儀器等手段，對有無裂紋、夾渣、未填滿、弧坑等缺陷進行檢查。

1.2 鋼構件病害

鋼構件病害主要包括涂裝病害、鋼材銹蝕、桿件裂紋、桿件屈曲、結構疲勞等。，在養(yǎng)護中一般由定期巡檢、日常巡檢和專項巡檢對其病害進行識別，然后采取對應措施。

1.2.1 涂裝病害

受到外界環(huán)境作用，鋼結構防腐涂裝會產生老化，進而產生粉化、開裂、剝落、起泡、銹蝕、變色等問題。涂裝產生病害后，鋼構件的耐腐蝕能力將急劇下降。因此，對橋梁鋼結構進行涂裝病害的識別，并及時維護、防止生銹，是保證鋼桁架橋梁壽命的重要措施。根據(jù)實際養(yǎng)護經驗，涂裝病害的養(yǎng)護維修大約占到全部養(yǎng)護作業(yè)的50%以上。

涂裝的檢測一般通過放大鏡、小錘等工具人工目視巡檢，涂裝出現(xiàn)明顯病害后，一般采取局部維修或整體維修的措施對涂裝進行養(yǎng)護。鋼構件更換及養(yǎng)護難度較大，一般養(yǎng)護措施是在涂裝失效前進行涂裝養(yǎng)護，減少對鋼材的影響。根據(jù)不同的涂裝體系規(guī)劃一般維修和大修周期，對涂裝進行養(yǎng)護（圖2）。

1.2.2 桿件病害

涂裝劣化后，鋼材更容易產生銹蝕，隨著橋梁所處環(huán)境的不同，其腐蝕的速率也不同。腐蝕會使鋼構件的截面面積損失，進而產生裂紋、點蝕坑等，降低其長期使用壽命和承載力性能［6］。

此外桿件受到交變應力作用，還會產生疲勞裂紋，一般通過裂縫觀測儀、磁粉探傷等手段檢測，但是根據(jù)疲勞裂紋的發(fā)展特性，其早期發(fā)展緩慢、裂紋微小，在結構中較早地對裂紋進行檢測存在困難。桿件連接處的疲勞開裂影響橋梁的正常運營［7］，因此鋼橋構件疲勞裂紋的檢測和及早發(fā)現(xiàn)對鋼橋長壽命運營有重要意義，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

此外橋梁桿件作為薄壁結構，受外力作用時容易產生變形。考慮到原材料加工、制作、安裝和使用過程中產生的缺陷等，鋼結構的變形問題就可能更加突出。

鋼構件的變形可分為整體變形和局部變形兩類，構件的變形會極大地影響受力性能。具體而言，整體變形包括彎曲、畸變和扭曲等；局部變形包括構件凹凸變形、端面的角變位、板邊褶皺波浪形變形等。針對鋼構件的變形，一般通過鋼尺或拉線盒等工具人工目測檢查記錄。

對于已經破壞，但不是非常嚴重的情況下可采取加固維修的措施，具體可通過粘貼鋼板等操作對桿件進行加固。對于嚴重破壞的，需要組織施工方案，對桿件進行更換（圖3）。

1.3 其他常見病害

1.3.1 伸縮縫病害

橋梁伸縮縫能夠適應橋梁橋面變形，緩沖因溫差、車輛荷載產生的梁體位移和形變。伸縮縫常見病害包括局部雜物堵塞、兩側鋪裝開裂、本體部件損壞、隆起等。由于伸縮縫較容易損壞，且維修難度大，一般采用定期養(yǎng)護的措施。損壞嚴重的采取管制措施更換新伸縮縫。

1.3.2 橋墩、橋臺、橋塔病害

橋墩、橋臺較容易出現(xiàn)破損和非結構性裂縫，影響結構耐久性。通過人工目視和測量確定裂縫程度。對較為輕微的裂縫，進行統(tǒng)計歸檔。對于較為嚴重的裂縫，需要對裂縫進行灌漿或粘貼保護層處理，防止橋墩進一步破壞（圖4）。

1.3.3 拉索、主纜、錨碇病害

懸索橋主纜較容易出現(xiàn)涂裝破損，表面銹蝕的病害，養(yǎng)護及時的情況下，對力學性能影響較小。錨碇養(yǎng)護以外觀檢查為主，除對裂縫進行養(yǎng)護外，還要對其索股、滲水情況進行檢測。拉索承受較大的交變荷載，極容易產生腐蝕斷裂的情況，常規(guī)養(yǎng)護一般先進行外觀檢查，必要時進行拉索更換。

2 鋼桁架橋梁養(yǎng)護現(xiàn)狀

2.1 常見病害養(yǎng)護局限性

以連接病害和鋼構件病害為例，在日常巡檢中常用的檢測方法如表1所示，其中連接病害和鋼構件病害的主要檢測方法均以人工目視檢測為主。

因此，在實際運營管理中，連接病害和鋼構件病害的管理和養(yǎng)護仍主要面臨的問題：

（1）大跨徑鋼桁架橋梁連接件和鋼構件數(shù)量較多，檢測過程中需要消耗大量的人力、物力。

（2）部分構部件所處的位置僅靠目測無法檢測，人工容易實現(xiàn)漏檢，同時養(yǎng)護時難以達到。

（3）焊縫檢測已經相對標準化，但螺栓、鉚釘、涂裝病害的人工檢測缺少標準化策略，檢測結果的準確性也不易保證。

總體來看，鋼桁架橋梁常見病害的檢測存在量大面廣的特點，其檢測方法面臨效率低下，標準化程度低的困境（表2）。

除此之外，以連接病害和鋼構件病害為例，不同年限的橋梁每年病害程度存在較大差異，日常巡檢和定期巡檢的尺度和頻率多從實踐經驗中累計，未能形成有效積累和規(guī)律總結，對精細化養(yǎng)護工作帶來了困難。

2.2 新興橋梁養(yǎng)護技術

針對連接病害問題，機械、航空等領域對螺栓松動、脫落問題已有大量研究，包括基于超聲技術［8］、壓電阻抗［9］、動力學特性［10］的螺栓松動檢測技術。但是鋼桁架橋梁具有構件多的特點，以上技術手段在經濟上不具有應用上的可能。隨著圖像技術、機器學習技術的發(fā)展，通過機器學習、圖像識別等［11］手段可對螺栓病害進行較為快速的無損檢測，具有較高的可行性。

另外針對裂紋等問題，掃描車、無人機等設備也已輔助用于疲勞裂紋、涂裝病害的識別。在鋼箱梁疲勞裂紋的研究中，基于圖像的方法［12］已經在實橋上得到了應用。但對于鋼桁架橋梁來說，復雜的環(huán)境和桿件形式是制約無人機等先進技術對桿件病害識別重要障礙。此外，對于大跨徑桁架梁而言，仍面臨檢測體量大、人工依賴嚴重、標準化程度低等問題。

總體上看，針對鋼桁架橋主要病害，檢測手段需要能夠適應鋼桁梁結構特點，具有標準化數(shù)據(jù)處理能力，同時在鋼桁梁的應用場景下，應具有較高的經濟性，同時能夠快速處理大規(guī)模橋梁構件。新興的計算機視覺技術能夠較好地滿足這一要求，在鋼桁架橋梁的檢測應用具有廣闊發(fā)展前景。

3 展望

日常巡檢和定期巡檢作為養(yǎng)護環(huán)節(jié)的重要環(huán)節(jié)，以人工目視為主。目前計算機視覺技術已經在橋梁領域有了一定突破，具有代替人工視覺的發(fā)展可能。從現(xiàn)有研究看，計算機視覺技術具有經濟性、快速性和環(huán)境適應能力，在鋼桁架橋梁病害檢測識別與養(yǎng)護領域具有廣闊發(fā)展前景。

鋼桁架橋梁現(xiàn)役檢測手段主要依靠人工進行，輔以少量的專業(yè)設備。就目前來看，鋼桁架橋梁的養(yǎng)護手段智能化水平較低，依托計算機視覺技術，針對常見典型病害檢測養(yǎng)護未來的提升可能：①目前螺栓松動、脫落檢測過于依賴人工，效率低成本高?，F(xiàn)有螺栓快速檢測方法對橋梁不適用。隨著敲擊法、圖像識別法、聲傳播法等的普及，有望為鋼桁橋養(yǎng)護提供高效的解決方案。②桿件表面涂裝損壞、銹蝕檢測頻率低，標準化程度低，檢測較為主觀。隨著視覺技術的發(fā)展，未來有望實現(xiàn)機器自動監(jiān)測、設備輔助監(jiān)測。

參考文獻

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