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橋梁水下基礎檢測技術應用前景
閱讀：1227 發布時間：2018-1-7摘 要：結合橋梁水下基礎檢測的實際需要，綜述國內外水下基礎檢測技術現狀。針對橋梁水下基礎檢測中存在的 問題， 提出采用水下機器人進行檢測，其是融合專家系統與人工神經網絡對橋梁水下基礎進行損傷檢測與診斷的新技術。評估水下機器人在我國的應用前景并展望橋梁水下基礎檢測技術的發展。
關鍵詞：橋梁水下基礎；無損檢測；水下機器人；損傷診斷
文章編號：1009－6477（2012）02－0071－03 中圖分類號：U445．55 文獻標識碼：B
ResearchonDetectingTechniquesforUnderwaterFoundationsofBridges HUGuoxi，MIUPinbo
隨著橋梁運營時間的延長，交通量不斷增加，荷 載等級逐漸提高，以及受環境條件和橋梁施工階段留下隱患的影響，橋梁在運營過程中會出現各種各樣的病害，其中包括橋梁水下基礎的病害。橋梁水下基礎作為橋梁結構的重要組成部分，承擔著將上部結構荷載傳遞給地基的重要任務，其病害的發生、發展直接影響橋跨結構的實用性和耐久性，嚴重時還會危及橋梁運營安全。但目前對于橋梁水下基礎的檢測還只是停留在傳統檢測方法上，沒有一套系統、成熟、適用于既有橋梁水下基礎檢測與診斷的技術。因此，本文在總結國內外水下基礎檢測技術的 基礎上， 針對目前橋梁水下基礎檢測中存在的問題，提出采用水下機器人，結合專家系統與人工神經網 絡對橋梁水下基礎進行損傷檢測與診斷的新技術，并對其在我國的應用前景進行評估。1橋梁水下基礎常規檢測方法1．1 超聲脈沖檢測法 超聲波法是在樁基混凝土灌注前，沿樁的長度 方向預埋若干根平行的檢測用管道，作為超聲脈沖發射和接收探頭的通道；管內充滿清水等偶合劑，將檢測探頭分別在2個管子中同步上下移動，由儀器發出周期性電脈沖，逐點測出樁基沿不同深度橫截面上超聲脈沖穿透混凝土時的各項參數（聲時、波幅、主頻、波形以及頻譜等），根據所測參數由相應的數據處理系統軟件對各種參數進行綜合判斷和分析，以判斷樁基混凝土各斷面是否存在缺陷及缺陷 的性質、大小和位置，同時評價混凝土的總體均勻性和強度等級指標。超聲脈沖檢測法主要用于樁基礎檢測，其可對直徑為0．6～1．0m樁的樁身進行完整性檢測，且不受樁長的限制。近年來由于測試儀器和方法不斷完善，故其應用較為廣泛。江陰長江大橋所有382根鉆孔灌注樁均逐根采用了超聲波法進行檢測，收到了較好效果。1．2鉆孔取芯法 該方法直接在灌注樁上鉆取圓柱形芯樣，用局部區域（芯樣）的混凝土強度代表樁身混凝土強度，通過取芯過程和芯樣觀察（包括切片），對樁身完整 性進行描述。該方法是一種半破損檢測法，芯樣直徑一般不小于骨料zui大粒徑的3倍，高徑比應在 1～2范圍內。采用該方法雖然可直接得到檢測結果，但檢測費時、費力，費用高，且不能全面診斷樁基混凝土的內部缺陷。1．3 水下目視檢測法 水下目視檢測法是一種純粹的人工作業法，是由潛水員攜帶水下攝影機潛入水底對檢測區域進行拍攝，并親手逐個摸索檢測區，切身感受是否出現裂痕或破損等病害。由于能見度的影響，與陸上目視檢測法相比，水下目視檢測法需要通過水下照明系統取得立體和本色圖像。因此，在水深30m以內的作業區要用人工補償（如色譜照明光）記錄結構圖像，在深水區則隨著深度增加依次采用石英碘燈、水銀蒸氣燈、鉈碘燈、鏑碘燈與高壓鈉燈等進行泛光照明，以觀測和記錄基礎表面的狀態，
為是否
需作進一步的檢測提供依據。該方法是一種zui基本 且非常重要的方法，已在杭州灣跨海大橋水下基礎檢測中得到應用。1．4 低應變法（反射波法） 該方法是在樁頂安放速度傳感器并在樁頂施加豎向激振力，產生的彈性波沿樁身向下傳播，當下行 的彈性波在樁身存在明顯的波阻抗界面（如樁底、斷樁、縮徑、擴徑或離析等部位），就會產生一個上行反射波；檢測儀器將接收到的反射波進行數據處理，可識別樁身不同部位的反射信息，并根據反射波形的正負極性和幅度大小及其隨時間的變化 特征， 可判斷樁身的完整性和樁基混凝土的強度等級。由于該方法測試速度快，且能較為準確地判斷較嚴重的缺陷，故常被用于帶有“普查”性質的逐樁檢測中。2 目前橋梁水下基礎檢測中存在的問題 上述幾種橋梁水下基礎檢測方法中，每種方法 都或多或少存在著一些缺陷。超聲波法雖然穿透能 力強、 檢測設備簡單、操作使用方便，但其檢測結果易受混凝土中的鋼筋和水分的影響；超聲法檢測無論是理論上還是在實際檢測中都有很多不完善之處。鉆芯法具有直觀、準確、代表性強的特點，但它對結構構件有局部破損，且對于位于深水區的基礎，由于取芯速度較慢，要想取出完整的芯樣則非常困難。水下目視檢測法不僅要耗費大量的人力、物力，而且還很容易受到環境的影響；對于水下能見度較低（尤其是水質渾濁）的區域，即使派有經驗的潛水 員， 也很難保證檢測結果的準確性。橋梁水下基礎可分為2部分：河床以下和河床以上。對于介于河床以上與水面以下之間的橋梁基礎部分， 其混凝土缺陷中的空隙常被水充滿，如使用超聲波法對其進行檢測，則很難保證檢測結果的準 確性；而對于河床以下的橋梁基礎， 鉆芯檢測法、超聲波檢測法等方法又幾乎不可能實現。對于既有橋 梁， 由于樁頂被承臺覆蓋，傳統的通過分析實測樁頂加速度響應信號的特征來進行樁基檢測的反射波法難以使用。此外，目前使用的橋梁損傷檢測方法大多是依靠人工來完成的，對于處于深水區的橋梁基礎，由于有些區域水流湍急，氣候環境惡劣，人工檢測很難進行。3 橋梁水下基礎檢測新技術 由于現有的橋梁水下基礎檢測方法本身存在缺 陷， 且應用這些方法時也存在諸多困難，因此可運用自動化設備的研究成果（如水下機器人）來進行橋梁水下基礎檢測的數據采集，并結合目前橋梁健康監測研究中較為*損傷識別技術對數據進行識別和綜合診斷，從而建立一個完整的橋梁水下基礎檢測、 診斷與評估體系。水下機器人是集水下高技術于一體的儀器設備，它集成了動力電源、控制、推進、導航等儀器設備，還按照不同的應用目的相應配置了不同類型的探測儀器。水下機器人是人類智能和各種感官、器官在水下的延伸， 可利用水下機器人進行水下檢測和研究作業，去完成人類肌體無法適應的各種水下 環境的檢測、 探索和研究。目前已研制的觀測型水下機器人可應用于代替潛水員觀察和水下設施檢測等方面。因而，在橋梁水下基礎的檢測過程中，可考 慮以遙控水下機器人為載體， 在機器人上配備淺剖聲吶、高頻成像聲吶等檢測傳感器，使之成為一個裝備有聲、光、電等多種*傳感器的綜合體，去實現 橋梁水下基礎檢測的數據采集。 對于通過水下機器人采集到的數據進行識別和綜合診斷，可采用工程結構健康監測研究中提出的人工神經網絡與專家系統。由于人工神經網絡已成功應用了濾波、 譜估計、信號檢測、系統辨識、模式識別等技術，因此神經網絡識別法可有效避免高噪音 干擾和模式損失等不利因素。由于橋梁水下基礎損傷檢測難以獲得完備的檢測數據， 然而利用人工神經網絡法，并結合小波分析法，可提取基礎損傷特征 和處理檢測信號。利用有限的數據訓練，神經網絡法在無數學模型的情況下，可根據不完備的數據識別較好地解決非線性和不確定性引起系統的辨識問 題。目前， 基于誤差反向傳播算法的神經網絡（BP）、徑向基函數神經網絡（RBF）、自組織神經網絡（ART）等已應用于結構損傷識別。人工神經網絡法的準確性是與訓練數據集的完整程度有很大的關系，訓練數據集越完整則其準確性越高。此外，橋梁水下基礎的缺陷診斷與評估可考慮結合使用專家系統。如果僅有深厚的理論基礎而沒有豐富的專家經驗，或僅有豐富的專家經驗而沒有深厚的理論基礎，則診斷與評估結果往往會發生較大偏離。因為人工神經網絡具備學習能力，但不具備解釋能力；而專家系統是基于符號的推理系統，雖 具備解釋功能， 但獲取知識困難，因此將專家系統和27公路交通技術2012
年
人工神經網絡結合起來，建立損傷智能診斷系統，可 綜合診斷橋梁水下基礎病害。4 應用前景分析 橋梁水下基礎的損傷、裂縫致使橋梁塌覆將造 成人員傷亡和巨大的經濟損失，橋梁水下基礎的健康狀況不僅直接影響到經濟效益，而且關系到人的生命安全。如2000年8月27日，位于中國臺灣省連接高雄與屏東重要通道上的高屏大橋發生一起16輛 汽車墜入河中， 22人受傷的慘劇。原因是該橋基礎早已裸露，臺風造成河水暴漲，橋基被沖垮，導致橋 梁下陷斷裂。隨著各國對交通運行安全性要求的不斷提高，對橋梁等基礎設施建設投入不斷增大，對橋梁水下基礎的可靠性要求以及健康狀況評價精度也越來越高，對橋梁水下基礎進行定期檢測與維護已成為必然的要求。因此，橋梁水下基礎檢測新技術具有廣泛的應用前景，而加快這一技術的研究和應用具有如下重要意義： 1）可減少檢測時間，節省檢測費用。橋梁水下基礎需要定期檢測，如果每次檢測都靠潛水員來完成， 則必將耗費大量的人力、財力和物力。因此，從長遠角度看，利用水下機器人等*設備的檢測相比人工檢測更具有經濟性優勢。 2）可保證橋梁安全運營，增加橋梁結構的耐久性。通過對橋梁水下基礎的定期檢測，對病害嚴重的基礎及時給予補救措施，可避免因裂紋和損傷的不斷擴大而引起的橋梁zui終坍塌。 3）可縮小我國與國外橋梁無損檢測水平的整體差距。目前我國尚未*成熟應用橋梁水下基礎無損檢測新技術，還需利用自身的優勢，繼續跟蹤研究，爭取獲得重大的技術突破。5 結論與展望 從國內外水下基礎檢測技術現狀看，橋梁水下基礎檢測新技術還不*成熟，需要不斷研究和完善。鑒于其在保障橋梁結構安全運營方面具有重要的研究價值和廣闊的應用前景，應從以下幾方面進行研究： 1）加強橋梁水下基礎檢測與評估中計算機技術、信息技術、損傷識別技術以及*信號處理技術的應用研究。隨著我國交通基礎建設的不斷發展，越來越多的運營橋梁需進行健康診斷和評估，而水下基礎的檢測受環境條件限制， 難以進行有效檢測與評估。因此，利用計算機技術、信息技術、損傷識別技術（包括基于動力特性的損傷識別技術和人工神經網絡技術）以及*信號處理技術（如小波分析技術）對橋梁水下基礎進行檢測與評估具有廣泛的應用前景。應加強這方面的研究，不斷提高橋梁水下基礎檢測的數字化和智能化水平。 2）加強橋梁水下基礎檢測與評估用檢測儀器、設備和自動化檢測系統（包括水下機器人）的開發和應用研究。應借鑒水下無損檢測技術在海洋工程領域的研究成果， 不斷開發和應用橋梁水下基礎無損檢測設備、儀器和自動化檢測系統，進一步提高檢測的準確性。