聲發射監測把脈橋梁安全

隨著經濟和城市建設的飛速發展，車輛（船舶）流量增大、人群聚集的重大室外活動增多，橋梁使用率越來越高；與此同時，交通事故、自然災害、橋梁養護維修不及時等影響城市橋梁安全的因素越來越多。在這樣的新形勢下，充分利用信息技術提高養護和維護管理水平，提高橋梁的安全系數就成為工程界的重大課題。日前，記者就城市橋梁聲發射結構健康監測系統在橋梁安全方面的應用采訪了業內人士。

??? 新形勢呼喚全新橋梁安全檢測方式

　　目前，在我國的長江、黃河、珠江等流域以及中國的沿海海灣上，建設了一大批結構新穎、技術復雜、設計和施工難度大、現代化品位和科技含量高的大跨徑斜拉橋、懸索橋，還有不少正在建或處于設計期的這類橋梁也如雨后春筍般涌現，在橋梁的建設和設計方面，我國已躋身于國際先進行列。然而，在大橋建成后的養護和維護管理經驗方面，則相對西方發達國家的管養水平明顯不足。

　　據悉，我國上世紀80年代建造的斜拉橋，由于國內現有的傳統監測和檢測技術跟不上和日常養護管理措施的不到位，以及缺乏權威可靠的監測、檢測和評估技術，造成部分斜拉索、吊索、主纜部分構件的嚴重銹蝕，如個別大橋的斜拉索在遠未達到設計壽命時提前斷裂，被迫全部更換，造成了一定的經濟損失。

　　上海奧達光電子科技有限公司副總經理孔繁金告訴記者，聲發射用于橋梁安全檢測始于80年代初，早期主要用于鋼結構及混凝土結構橋，近年來發展到對鋼索斜拉橋的檢測和監測，取得了很好的效果。

　　當前，聲發射技術在保證大型橋梁安全方面的應用主要有如下兩個方面：一個方面是對在役橋梁的全面檢測和結構完整性評價。通過對橋梁施加交通載荷由聲發射整體檢測發現缺陷部位，進而進行安全評價；另一方面對在役橋梁進行全天候連續監測，通過對關鍵部位固定安裝聲發射傳感器，進行全天候長時間在線連續監測，并對異常現象和安全事故進行報警。聲發射系統安裝于橋梁現場，監控系統可在遠程通過計算機遠程通訊系統和網絡協議進行遠程監控和報警。

??? 聲發射健康監測助力橋梁安全

　　在國外，聲發射健康監測技術已進行了較廣泛的實踐。美國物理聲學公司(PAC)北京代表處首席代表許鳳旌在接受記者采訪時說，聲發射在斜拉橋與懸索橋鋼絲斷裂監測的可行性已在實踐中得到證實，并已逐步應用于大橋現場。該公司應用聲發射可以對斷絲進行定位。最大定位誤差可小于50%%傳感器距離，最小定位誤差可小于±0.5米。聲發射已成熟地應用于某些結構的腐蝕檢測與監測，如壓力容器、輸油氣管道及鋼筋混凝土結構件等，然而目前尚未見用聲發射直接進行鋼索腐蝕監測。許鳳旌說，根據他們的經驗，用聲發射直接進行鋼索在線腐蝕監測有一定的難度。主要是因為鋼索的腐蝕過程較前面所說的一些結構的腐蝕過程相對緩慢，腐蝕信號特征也較斷絲信號特征小得多，并且環境噪聲對腐蝕監測的影響也將比對斷絲監測的影響大得多。對此，他認為，用“超聲——聲發射”方法對鋼纜腐蝕的檢測也許更為有效。

　　他還細致解釋了聲發射用于鋼索斷絲的在線監測。這種在線監測類似于其他領域的在線監測，將多個聲發射傳感器置于鋼纜軸向不同位置。這些傳感器接入一臺計算機控制的與互聯網或電話線連接的聲發射系統。該系統控制數據的采集、處理、分析、報警及遠程計算機網絡通訊。其工作原理是：斷絲過程將產生強烈的有顯著特征的聲發射信號，這些信號被傳感器捕捉并傳至聲發射系統，進行噪聲去除濾波、特征抽取與分析及聲源定位等，以判別斷絲的發生定位及報警。斷絲的定位由聲發射信號到達兩相鄰傳感器的時間差求得。另外該系統可與PAC公司的網絡伺服主機相連，實現遠程監控、數據分析與專家報告。許鳳旌說，聲發射監測系統可靠性的關鍵在于以下幾個方面：合適的傳感器、高速高品質的聲發射系統、噪聲濾波技術、有效的波形特征提取及處理技術、有效的頻域特征抽取及分析技術、可靠的判斷準則、有效的用于長時間連續監控的數據處理與管理軟件。

　　他介紹說，他們公司的聲發射技術的鋼索斷絲監測技術已在美國費城的本富蘭克林大橋、美國紐約的曼哈頓大橋，以及英國、日本、巴西的數座大橋上得到了應用。其中美國的本富蘭克林大橋的監測系統自2001年初安裝以來至今仍通過互聯網由PAC公司進行遠程監控。

　　聲發射健康檢測目前在國內還處于試驗摸索階段。上海市政工程設計研究總院研究發展中心監測研究所楊玉泉所長對記者說，他們已經應用上海奧達光電子科技有限公司的聲發射結構健康監測系統對上海虹橋機場進出港高架橋、義烏市商博大橋拉索橋主塔節段足尺模型試驗等工程中進行了檢測，也已取得了一定進展和經驗，比如對聲發射系統在混凝土工程中預測、預報的范圍有了更清晰的認識；比如對有些參數如能量大小和持續時間之間的關系有了進一步的研究。楊玉泉說，他們目前對橋梁的健康檢測中，聲發射檢測方式還只是跟其他手段一起輔助使用，該系統功能的開發和利用、預測預報精度還有待進一步完善。

　　業內人士認為，聲發射健康檢測技術是非常具有前景的無損檢測手段，在中國具有良好的發展應用前景。