钢构桥中无损检测与加固技术的应用

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  【摘要】钢构桥在全球范围内有重要应用,其运行稳定性和使用寿命得到了重要关注。本文在首先总结钢构桥的主要病害类型的基础上,针对性地分析在钢构桥中应用无损检测技术,进而运用加固技术,达到保证钢构桥稳定运行和延长钢构桥寿命的目的。
  【关键词】钢构桥;病害;无损检测;加固
  1、引言
  钢构桥(steel bridge),全称为钢结构桥梁,该类桥梁的主要承重结构采用钢材。最初的钢构桥诞生于第二次世界大战初期,由英国工程师唐纳德·贝雷设计。近几十年以来,钢构桥在世界范围内取得了迅猛的发展,较为广泛地应用于工业领域。钢构桥的快速发展和广泛应用,客观上增加了其发生质量事故和安全事故的可能性。因此,桥梁领域的专家、政府以及普通民众,越来越注重钢构桥的使用质量和安全运行。本文在总结钢构桥的主要病害类型[1]的基础上,针对性地在阐述钢构桥中所应用的无损检测技术[2][4],从而引出运用加固技术对钢构桥进行加固的需要[3],最终是为了达到保证钢构桥稳定运行和延长钢构桥寿命。
  2、钢构桥主要病害
  2.1 组件变形
  各种形式的钢构桥所共有的重大潜在病害之一是组件变形。随着时间演变,钢构桥横向刚度降低,同时在重载荷(如重型卡车等)的作用影响下,斜支撑构件等作用点为主梁(桁架)中心的组件,将逐渐发生翘曲或弯曲。车辆通过钢构桥所形成的作用力,由于这垂直杆和桁架对角线等组件相对的刚度较低,而且直径较小比较细长,一旦受到较大的外界作用力,就会形成组件结构的变形或裂缝、甚至导致断裂。
  2.2 裂纹裂缝
  桥梁产生裂纹或裂缝最常见的情况主要是两个:(1)焊口开裂。钢构桥的主要作业任务之一是桥梁的焊接,几乎遍布桥梁的各个连接位置,而焊接施工或焊接材料的缺陷有可能导致焊口的开裂,严重的焊口开裂除了会引发钢构桥整体力学结构的连锁反应,还会提供开口让水分及酸性气体会渗入,进一步引发钢材的锈蚀;(2)应力集中开裂。腐蚀的部分,或高残余应力,或应力集中,造成钢构桥关键焊接位置的疲劳应力,进而引发开裂。世界范围内大型所发生的钢构桥主梁坍塌事故中,关键问题在于桥梁发生了刚性断裂,追根溯源是由裂缝导致。
  2.3涂层腐蚀
  在不透风、有积水的地方,钢构桥的油漆涂层的完整程度(锈斑、起皮和剥落等),可以反应钢构桥的涂层腐蚀情况。对于钢材的剩余厚度的检测,在具有严重锈蚀的区域尤为必要,因为断面经腐蚀后的剩余尺寸对特定的钢结构影响很大 [1]。钢材的腐蚀是湿度和温度的共同作用导致,对钢板的除湿工作是确保桥梁钢板不发生锈蚀的重要基础,保持钢板的表面干燥是防腐的要点。桥梁的承载能力会因此大大降低,主要是因为钢材的刚度受腐蚀的严重影响。质量检测时要全面检测钢构桥的腐蚀情况,因为其各个部位都有可能产生腐蚀。
  3、钢构桥无损检测
  无损检测,是指在以不损坏目标对象为前提所进行的质量检测[2],实施手段主要为化学或者物理方法,通过借助科技设备和技术,测试和检测目标的表面以及内部的物理状态和几何结构。本文着重介绍用于钢构桥的射线检测技术、涡流检测技术、超声波检测技术和金属磁记忆检测技术[2][3],除此之外,无损检测技术还有磁粉检测技术和渗透检测技术等[2][3]。
  3.1 射线检测技术
  射线机发出射线,由于钢构桥部件中的不均匀厚度差,导致逐渐衰减和被吸收。根据钢结构不同部位所吸收和反射的光子数量不同的原理,将不同的射线强度记录在介质上,能够据此定量分析钢结构构件的缺陷及其程度[3]。包括钢材在内的所有的材料都可使用射线检测,根据底片形成图像,实现精确定量记录缺陷,且易于长期保存。无损性是其突出优点,有广阔的应用范围,可长期保存底片数据,直观清晰地显示结构图像,以供支撑分析日后的潜在相关事故等。然而其弊端也较为明显——(1)射线检测发射的射线,对人体在内的生物体会造成一定程度的损伤,也会对环境造成一定程度的污染;(2)必须要采取适当的防护措施回收特殊液体(用于图像显示),否则将产生较大的环境污染。
  3.2 涡流检测技术
  由于电磁感应效应,钢构桥的金属材料含有自由电子,会随着交替变化的电磁场而产生在金属材料中循环的电流,即涡流(傅科电流)。涡流检测技术的实施过程,主要是根据涡流的分布以及大小,对比分析金属材料(如钢构桥的钢板和钢管)中的电流变化,靠近其钢结构材料表面的缺陷就能够被发现。
  3.3 超声波检测技术
  超声波检测技术,是通过激励探头产生超声波,在钢构桥检测过程中,该超声波在其构件上传播,一旦遇到异常介质(夹渣和气孔等),部分超声波会产生异常反射回波[2]。通过处理和放大这些异常反射的超聲波,能够迅速定位出缺陷回波。超声波检测的基本流程为:首先,以特定的方式将超声波传入到钢构桥的金属组件内部,或者引导一定的超声波产生于金属组件自身;其次,金属组件内部的超声波在传播时会发生变化,体现在传播方向或速度等方面的变化;接着,检测工具捕捉到超声波并检测到所发生的改变;最后,启动检测设备内的算法程序,对收集到的超声波进行自动分析,提取钢构桥金属组件的结构缺陷特征。
  3.4 金属磁记忆检测技术
  钢构桥中的金属磁材料,会产生特定的磁场记忆效应,主要是由于荷载作用以及地磁场环境共同作用所形成的。金属构件部位一旦产生缺陷,会形成一种十分特殊的退磁场,将重新具有特别的伸缩性质。通过地磁场和金属材料内部作用产生的微观缺陷特性变化,用来检测和评估金属磁构件的缺陷和寿命,作为无损检测技术之一的金属磁记忆检测技术十分有效[2]。
  4、钢构桥加固技术分析
  到目前为止,我国20世纪60-70年代所建造桥梁的累计使用时间,基本都达到甚至超过了其设计寿命,继续使用所带来的桥梁病害将越发严重,为了保障既有桥梁的安全使用和稳定运行,在使用无损检测技术探测其钢结构缺陷的基础上,进行桥梁加固是很有必要的。钢构桥的加固技术有很多,以下主要从加大截面加固法和粘贴加固法两个方面进行分析,此外加固方法还有预应力加固技术等[5]。
  4.1 截面加固法
  截面加固方法,是在原来钢构桥钢结构的基础上,在特定位置浇注一定厚度的钢筋混凝土,以达到增加结构截面的目的,从而提高承载能力,是一种较为常用的钢构桥加固技术。截面加固法的方式主要有:(1)桥面浇筑钢筋混凝土进行加厚;(2)主梁梁肋浇筑钢筋混凝土,增加宽度和高度。使用这种加固方法可以大幅度增加承载能力,显着提高桥梁刚度,延长使用寿命 [5]。
  4.2 粘贴加固法
  粘贴加固方法,使用一种特殊的材料(树脂、碳纤维增强塑料等)粘贴在混凝土结构上,新材料的表面与原来的结构贴合形成一个整体,粘贴材料分担所承受的总体载荷,从而减少了作用在钢结构上的应力,达到了加固的效果[5]。其主要优点是:保持钢构桥的原有属性的同时,增加了承载力,增强了耐久性和耐疲劳性,提高了耐蚀性。其不足之处在于,弹性模量和强度比较低;在高于60度的材料温度下,用于粘贴加固的环氧树脂等材料将出现软化,针对此问题阻断阳光直射钢构桥是常见手段。
  结论:
  钢构桥在全世界城市交通具有重要而广泛的应用,起到了稳固连结道路跨越的重要作用。但是由于钢构桥的材料的本身限制,也有一些不足需要克服,以期达到更长的实际使用寿命。本文首先对钢构桥的三类主要病害进行了总结,接着着重分析了无损检测技术在钢构桥中病害检测中的应用,最后进一步地探讨了钢构桥所用加固技术,希望达到保障钢构桥稳定运行和延长钢构桥寿命的重要目标。
  参考文献:
  [1]李子兵,孙祥涛,汪国华.钢结构桥梁检测方法简述[J].工程与建设,2018,32(05):735-740.
  [2]梁启亮.无损检测新技术的分析及其在钢结构桥梁中应用的研究[J].居业,2017(03):96-97.
  [3]徐斌.无损检测新技术在钢结构桥梁中的应用探讨[J].江西建材,2017(10):159-160.
  [4]陶平.钢结构桥梁的检测与维护[J].工程技术研究,2016(05):110-111.
  [5]刘家成.钢结构桥梁的检测及其维护[J].黑龙江交通科技,2017,40(10):120-121.
  作者简介:
  陈礼鹏,广西南宁市第二中学,广西南宁。
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