基于無損檢測技術的高速公路橋梁結構健康監測

王晨

摘要 文章研究基于無損檢測技術的高速公路橋梁結構健康監測方法，利用超聲波發生器，向橋梁結構內發射超聲波，通過超聲波接收器采集超聲波數據，對比分析采集的超聲波數據與健康橋梁結構時的超聲波數據，如果兩個數據相同，說明橋梁結構無損傷，如果兩個數據不同，說明橋梁結構有損傷，并根據兩個數據的差距，判斷橋梁結構的損傷程度，確定損傷位置，實現高速公路橋梁結構健康監測；通過ABAQUS軟件模擬分析該方法的橋梁結構健康監測效果。研究結果表明，對于較小損傷與較大損傷，該方法均可精準監測橋梁結構的損傷程度，并確定損傷位置，具備較高的橋梁結構健康監測精度。

關鍵詞 無損檢測技術；高速公路；橋梁結構；健康監測；超聲波

中圖分類號 U446.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0001-03

0 引言

當公路橋梁出現安全事故時，不僅會影響人們的生命安全，還會給社會造成經濟損失。運用科學、合理的高速公路橋梁結構健康監測方法可及時發現公路橋梁存在的安全隱患，避免出現嚴重的安全事故[1]。無損檢測技術不僅不會損傷橋梁的內部結構，還能夠有效檢測橋梁結構的微小損傷，確定損傷程度與位置。為此，研究基于無損檢測技術的高速公路橋梁結構健康監測方法，精準監測橋梁結構的健康情況具有一定的現實意義。

1 高速公路橋梁結構健康監測

1.1 超聲波技術的工作原理

超聲波技術屬于一種無損檢測技術，該技術可有效地檢測橋梁結構的缺陷。受車輛荷載與環境等因素影響，橋梁結構會出現不同程度的損傷情況，利用超聲波技術，可有效得到橋梁結構的健康狀態信息，并和原始結構信息展開對比，確定橋梁結構是否存在損傷，以及損傷程度[2]。

超聲波技術的工作原理：向高速公路橋梁結構發射超聲波，采集超聲波數據，并對采集的數據進行處理與分析，得到高速公路橋梁結構的損傷程度，監測橋梁結構的健康情況，及時做好防御工作，避免出現橋梁安全事故。

1.2 工程概況

以某市的高速公路斜拉橋為研究對象，該座橋梁共包含4期，其具體信息如表1所示。

1.3 橋梁結構健康監測的工作流程

在高速公路橋梁上安裝超聲波發生器與接收器，利用超聲波發生器將超聲波作用在橋梁結構中，由接收器接收作用在橋梁結構中的超聲波[3]。基于超聲波技術的高速公路橋梁結構健康監測流程如圖1所示。

具體步驟如下：

步驟1：在橋梁溝槽內，安裝超聲波發生器，令其向橋梁結構內發射超聲波。

步驟2：通過超聲波接收器采集超聲波數據。

步驟3：通過中央處理器，存儲采集的數據，并對其進行處理[4]。

步驟4：對比分析處理后的數據與健康橋梁結構數據，如果兩個數據完全相同，說明此時橋梁結構無損傷，如果兩個數據不同，說明此時橋梁結構有損傷，并根據兩個數據的差距，判斷橋梁結構的損傷程度，確定損傷位置，實現對高速公路橋梁結構的健康監測。

1.4 數值模擬

為分析超聲波技術對高速公路橋梁結構健康監測的作用，利用ABAQUS軟件，設置不同橋梁工況，模擬分析超聲波技術的橋梁結構健康監測效果。ABAQUS軟件模擬分析的具體步驟如下：

步驟1：依據斜拉索橋梁的實際情況，建立橋梁結構三維模型[5]，并設置參數，包含模型形狀與材料性質等。選擇彈性本構關系類型，結合直接建模方法，構建健康與存在缺陷的高速公路橋梁結構三維模型，并將缺陷尺寸與有關參數直接導入三維模型內。

步驟2：設置分析類型，制定分析步驟與輸出方式。利用瞬態動力學分析法，分析荷載作用下，超聲波在橋梁結構內的運動傳播過程，分析過程中需確保接收到的回波信號無缺失。

步驟3：對三維模型進行網格劃分，確定需要劃分的單元類型與長度。網格單元尺寸Δq與時間步長Δt，均會影響有限元分析精度。網格單元尺寸與其包含的模型信息具有負相關關系，與有限元分析結果精度也具有負相關關系，但Δq越小，計算時間越長。Δt的大小與有限元分析結果精度具有負相關關系，但Δt越小，計算時間越長。為此，需要合理選擇Δq與Δt。Δq的計算公式如下：

式中，λ——超聲波波長。

Δt的計算公式如下：

式中，cg——超聲波傳播速度。

以實體單元類型，為橋梁結構三維模型的網格劃分單元類型，可提升有限元分析精度，該單元類型可近似實際橋梁結構，誤差較小。

步驟4：在橋梁結構模型上施加荷載，并設置不同溫度條件，同時設計約束與邊界條件。確定橋梁結構三維模型后，需要確定荷載激勵方式，在實驗中采用縱向軸對稱模式發射超聲波，僅能獲取橋梁結構水平方向的變形量和垂直方向高程變化量。為此，在橋梁結構三維模型中施加荷載，可模擬分析實際情況下的超聲波記錄，并依據信號傳播過程，獲取加速度的變化情況。以真空條件作為橋梁結構三維模型的邊界條件，在橋梁結構末端施加固定約束。在橋梁結構三維模型中，均勻設置10個監測點，記作監測點1、監測點2、監測點3、監測點4、監測點5、監測點6、監測點7、監測點8、監測點9、監測點10。

步驟5：對不同工況下的數值模型進行數值計算。

步驟6：以二進制文件格式存儲數值計算結果，并進行后處理。

步驟7：以表格與曲線圖等方式呈現超聲波技術的橋梁結構健康結構監測結果。

2 實驗分析

利用ABAQUS軟件，模擬分析該文方法在高速公路橋梁結構健康監測中的應用效果。分析高速公路橋梁結構損傷不同位置時，該文方法所測得的橋梁結構健康監測效果的分析結果如圖2所示：橋梁結構損傷位置分別設置在監測點2與監測點3之間，以及監測點7與監測點8之間，其中監測點2至監測點3之間的損傷程度較小，監測點7至監測點8之間的損傷程度較大。

對比分析圖2（a）與圖2（b）可知，超聲波加速度波形圖在監測點2至監測3之間存在小幅度的波動情況，說明監測點2與監測點3之間存在損傷，且損傷程度較小，與實際情況相符，說明該文方法可精準監測橋梁結構的輕微損傷情況，并精準地確定橋梁結構損傷位置與損傷程度。對比分析圖2（a）與圖2（c）可知，超聲波加速度波形圖在監測點7至監測8之間存在大幅度的波動情況，說明監測點7與監測點8之間存在損傷，且損傷程度較大，與實際情況相符，說明該文方法可精準地監測橋梁結構的嚴重損傷情況，并精準地確定橋梁結構損傷位置與損傷程度。綜合分析可知，無論是較小程度的損傷，還是較大程度的損傷，該文方法均可精準地監測到損傷位置，并確定損傷程度，即該文方法具備較高的高速公路橋梁結構健康監測精度。

分析不同溫度工況下，該文方法的高速公路橋梁結構健康監測效果，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 ℃。分析結果如表2所示。

根據表2可知，在三種不同溫度工況下，該文方法均可有效監測到該高速公路橋梁結構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，高速公路橋梁結構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 ℃時的最大主梁豎向變形量是

3.54 mm，索塔溫度梯度15 ℃時的最大主梁豎向變形量是3.99 mm。綜合分析可知，在日常維護該高速公路橋梁結構時，需重點考慮索梁溫差情況，避免出現橋梁事故，提升高速公路橋梁使用的安全性。

3 結語

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，導致其使用性能迅速下降，加大了橋梁安全事故發生的概率。為此，研究基于無損檢測技術的高速公路橋梁健康監測方法，在不損傷橋梁結構的同時，可及時發現橋梁結構存在的損傷問題，并制定合理的維護方案，提升橋梁使用的安全性能。

參考文獻

[1]李帆. 云計算技術在橋梁結構健康監測中的應用[J]. 公路， 2022（4）： 177-181.

[2]朱利明， 卓靜超， 邢世玲. 基于CEEMDAN-NAR-ARIMA組合模型的橋梁結構健康監測應變預測[J]. 科學技術與工程， 2020（4）： 1639-1644.

[3]楊建喜， 張利凱， 李韌， 等. 聯合卷積與長短記憶神經網絡的橋梁結構損傷識別研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 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測[J]. 計算機仿真， 2022（12）： 169-172+234.

[5]田壯， 樊啟武， 王昌杰. 深度學習在橋梁響應預測與健康監測中的應用[J]. 鐵道工程學報， 2021（6）： 47-52.