追踪钢桥检测新技术
文/图 苏交科集团股份有限公司、在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室 张建东 王贤强 刘朵 杨羿 何连海
随着钢结构桥梁数量的增加，钢桥检测需求不断扩大，本文针对钢桥检测技术及应用现状进行了综述。介绍了超声相控阵（PAUT）、超声衍射时差（TOFD）、红外热成像、图像识别等新型检测技术的原理与方法，对这些检测技术在钢桥焊缝、疲劳、涂装、螺栓检测领域的优缺点与适用性进行了重点论述。
综合分析结果表明：以PAUT和TOFD为代表的检测技术检测速度快、准确性高，成为未来焊缝、疲劳裂纹检测的发展方向；红外热成像、图像识别技术具有远距离、非接触的优点，在疲劳裂纹、涂装检测中的应用越来越广泛；声弹性、压电阻抗技术为螺栓紧固力检测提供了有效检测方法。
钢结构桥梁具有自重轻、工厂化制造、装配化施工、便于回收利用等优点，是我国桥梁工业化建造的发展趋势。近年来，随着钢桥建设的快速发展，施工期质量检验与评定过程中的检测需求不断扩大。同时，早期建设的钢结构桥梁运营年限增加，钢桥损伤与病害问题开始出现，为延长钢桥使用寿命，保障桥梁处于良好状况，需加强钢结构桥梁的检测及病害辨识，掌握并准确评价桥梁服役状况。
钢桥检测的主要内容包括焊缝、疲劳裂纹、涂装、螺栓等，检测方法采用人工目视检测与无损检测相结合的方式。近年来，钢桥无损检测技术快速发展，许多专家学者针对超声相控阵、超声衍射时差、红外热成像、图像识别等新型无损检测技术在钢桥领域的应用进行了研究。本文总结了公路钢桥检测技术应用现状，重点阐述了钢桥焊缝、疲劳裂纹、涂装、螺栓的常规检测方法与新型无损检测技术应用与发展，指出了公路钢桥检测技术的发展趋势。
近年来，随着正交异性钢桥面板的广泛应用，钢桥的疲劳开裂问题不断出现。现有研究结果表明：除了重车疲劳荷载之外，建设期焊接缺陷是钢桥焊缝开裂的主要原因。因此，焊缝检测是钢桥建设期的质量检验重点。
现行《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）规定，根据焊缝部位不同分别采用超声波、射线、磁粉进行无损检测。其中，磁粉检测适用于表面或近表面缺陷的检测，无法检测内部缺陷，通常用于质量等级较低的焊缝检测。射线检测直观性、可靠性好，但是射线检测成本高、速度慢，且对人体具有危害，并且受照射角度的限制，对于角焊缝检测效果较差，因此射线检测通常用于重要对接焊缝、十字接头内部缺陷的检测。超声波检测对裂纹、未熔合等危害较高的缺陷的检测灵敏度高，因此超声波检测应用范围最广，但是超声波检测技术也存在一定的局限性，检测结果不直观，对角焊缝检测难度较大。
超声相控阵（PAUT）检测技术
随着技术的发展，以及多学科领域的融合，新型无损检测技术不断应用在桥梁领域，超声相控阵检测技术将多个压电晶片集成在一个探头中，各个晶片按一定的时间和规律激发，形成一个扇形的声场覆盖区域进行检测，通过调整超声入射角度，可以实现检测区域内的扫查，超声相控检测范围大、效率高。
由于角焊缝坡度的存在，常规超声波检测技术检测角焊缝内部缺陷过程中噪声较多，分辨力较差。相关研究成果表明：顶板与U肋角焊缝熔深保证在75%以上对于提高该位置疲劳强度具有重要作用，目前钢桥设计也通常给定了非熔透角焊缝熔深要求，但是常规超声波检测技术无法准确测量焊缝熔深。近年来，国内外学者对于超声相控阵在角焊缝内部缺陷与熔深的无损检测方面做了大量研究。上海市特种设备监督检验技术研究院左延田等对角焊缝裂纹类缺陷进行了超声相控阵检测试验，结果表明超声相控阵技术检测结果直观性好、检出率更高。武船重型工程股份有限公司张华等将超声相控阵应用在港珠澳大桥U肋角焊缝内部缺陷检测，并且提出了缺陷判定方法，提高了检测精度。哈尔滨工业大学周一亮分别采用普通超声波与超声相控阵对U肋角焊缝熔深进行了检测，并与低倍宏观测量值进行了比较。结果表明，超声相控阵测量结果偏差在±0.066毫米之内，远小于普通超声检测结果。江苏交通控股有限公司姚蓓等采用超声相控阵对苏通大桥U肋角焊缝进行了试验检测，验证超声相控阵检测技术对于焊缝熔深检测具有良好的准确率与工作效率。
超声衍射时差（TOFD）检测技术
超声衍射时差法（TOFD）利用超声波在待检试件内部缺陷尖端的衍射现象来检测缺陷。焊缝检测过程中，发射探头与接收探头对称布置在焊缝两侧，发射探头发射超声脉冲后，如果内部无缺陷，接收探头将依次接收到上表面的直通信号和底面反射信号。如果内部有缺陷，接收探头在直通信号与底面反射信号之间还将接收到缺陷上端与下端的衍射信号。因此，通过信号分析与处理，TOFD不仅可以定位缺陷的深度位置，同时可以计算缺陷的高度信息。
国内外专家对TOFD检测技术进行了大量对比研究。安徽合肥通用机械研究院刘国栋等对比了TOFD和射线检测技术在压力容器对接焊缝检测中的优缺点，论证了TOFD检测技术在壁厚12毫米以上的钢板对接焊缝检测中具有一定优势。中国水利水电第三工程局有限公司周林对比了TOFD和射线检测技术的实桥检测效果，26组检测结果对比表明，TOFD检测对于内部缺陷比射线检测具有更高的检出率。荷兰克洛力有限公司Deleye X分别采用PAUT线形扫查、PAUT扇形扫查、TOFD三种检测技术对17个含有8类人工缺陷的试件进行了检测，试验结果表明TOFD与超声相控阵扇形扫查检测精度很高，但是TOFD检测技术对于表面和近表面缺陷存在检测盲区。
综上所述，超声波、磁粉、射线是建设期钢桥焊缝检测的主要方法， PAUT与TOFD等无损检测新技术在角焊缝内部缺陷及熔深检测方面展现出了一定优势，并纳入《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）中的辅助检测方法。由于钢桥焊缝十字接头要求100%的射线检测，其他对接焊缝按比例抽查，导致钢桥现场焊接检测工作量和难度大。TOFD检测技术对于焊缝内部缺陷检测，可以作为射线检测的替代方法，但是TOFD检测技术对于表面和近表面缺陷分辨率较差，可以采用磁粉检测作为辅助手段消除盲区，全面准确地反映焊缝质量。
由于钢桥的结构特点，焊接残余应力，结构本身存在的缺陷、施工质量问题，以及车辆疲劳荷载等因素，钢桥构件容易在局部应力集中形成疲劳裂纹。运营期钢桥常用的疲劳裂纹检测手段有磁粉检测、超声波检测等。
超声相控阵（PAUT）检测技术
正交异性钢桥面板顶板与U肋疲劳裂纹形式一般有三种：从焊趾向顶板开裂、从焊根向焊缝开裂、从焊根向顶板开裂。其中前两种裂纹形式可以采用磁粉或超声进行检测，但是第三种裂纹形式常规检测技术难以检出，TOFD检测技术只能在去除桥面铺装层后在桥面顶板上进行测量。江苏无锡锅炉压力容器学会无损检测专委会李衍针对顶板与U肋角焊缝内部焊根向顶板发展的裂纹，论证了超声相控阵检测技术的可检性和定量能力，解决了该类裂纹目视无法检测的问题。中交公路规划设计院有限公司张鹏通过仿真软件声束模拟提出超声相控阵检测技术可以适用于U肋角焊缝所有可能出现疲劳裂纹的位置。
红外热成像技术
红外热成像检测技术是通过测定目标区域与背景之间的温度差，实现构件表面或近表面缺陷检测的一种新型无损检测技术。按照热源激励不同分为主动红外热成像与被动红外热成像。日本滋贺县立大学Izumi Y提出采用被动红外热成像检测正交异性钢桥面板疲劳裂纹，钢桥面板路面铺装被阳光加热后，通过桥面板传递至U肋，当裂纹存在时，由于裂纹具有保温作用，裂纹区域与背景产生温度差，采用红外热像仪就可以实现正交异性钢桥面板的裂纹检测。主动红外热成像通过对构件表面施加热源激励，由于裂纹缺陷存在热阻效应，通过红外热像仪对裂纹缺陷进行定性、定量表征。韩国科学技术院An Y K等人利用激光作为热源对无涂层钢板进行了红外热成像检测，成功定量检测了钢板表面的疲劳裂纹。
根据开尔文方程，应力变化将引起固体中非常小的温度变化，这种现象被称为热弹性效应，由于裂纹尖端存在应力集中现象，温度变化值将高于其他区域。武汉科技大学汽车与交通工程学院严园等建立了钢结构表面温度变化与其应力之间的本构关系，通过测量畸变温度，实现疲劳裂纹检测。西南交通大学土木工程学院叶华文等利用热弹性原理对受拉钢板试件进行了检测，试验结果表明红外热成像检测技术可以准确测定裂纹长度，得到精确的裂尖位置。
综上所述，磁粉与超声波检测是运营期钢桥疲劳裂纹常规检测手段， TOFD与超声相控阵可以应用于顶板与U肋角焊缝内部焊根向顶板发展的裂纹等常规技术难以检测的部位，红外热成像技术具有远距离非接触的优点，在钢桥疲劳裂纹的快速扫查中具有应用价值。
钢桥长期暴露在大气环境中，经受风吹、日晒、雨淋和湿热的影响，容易引起腐蚀。涂装不仅能够使钢桥具有抗腐蚀性，还能够在一定程度上起到美化钢桥的作用。然而，钢桥涂装由于施工质量问题，以及环境的侵蚀，会出现粉化、气泡、裂缝、锈蚀、剥落等病害，这些都会导致钢桥涂装过早失效。
钢桥涂装检测可以保障涂装施工质量，为涂装养护维修提供依据，降低涂装的寿命周期费用。公路钢桥涂装检测施工期主要包括粗糙度检测、涂层厚度检测和涂层附着力检测，运营期主要包括涂装病害检测。
粗糙度检测
在进行钢桥涂装前，需要对钢桥表面进行喷砂或者抛丸处理，以获得足够的表面粗糙度，保证涂层附着力。依据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T 722-2008），常规检测方法主要有复制带法和触针法。
复制带法是将复制带贴在喷射清理后的钢桥表面上，施加稳定的压力，将钢桥表面复制下来，然后使用测厚仪测出钢桥表面的平均最大峰谷距离，测量方法简单。
触针法原理是，用触针垂直接触被测表面，并以恒定的速度沿被测表面移动，触针由于受到被测表面轮廓的微观不平度的影响，会在垂直于被测轮廓的方向产生上下位移，再通过位移传感器将位移量转换成电量，经信号放大并处理后，由指示器指示粗糙度参数值，该方法得到的检测结果可靠，不需要额外的耗材，但是仪器不易操作且测量区域有限。
涂层厚度检测
在公路钢桥涂装体系中，涂层厚度是一项很重要的控制指标。涂层厚度过大会导致成本增加；过小则不能起到保护钢桥表面的作用，导致钢桥过早腐蚀。钢桥涂层厚度的检测方法主要有磁性法、超声波法、红外热成像法等。
磁性法原理分为磁吸力测厚和磁感应测厚。磁吸力测厚是根据磁体从涂层移开所需要的力与涂层厚度的关系来得到涂层的厚度；而磁感应测厚是根据通过磁体探头与钢桥表面之间的磁通量大小与涂层厚度的关系来得到涂层厚度，涂层越厚，则磁阻越大，磁通量越小。
超声波法原理是，声速在涂层中是相同的，但是与底材中的声速有显著差异，根据这种特性，可建立声音传播时间与涂层厚度的关系模型，然后就可以通过测量超声波脉冲从发射至接收的间隔时间来换算成涂层的厚度。该方法方便快捷、操作简单、适用范围广。但是当涂层厚度太薄时，会发生波形混叠现象而无法准确区分出上下表面回波，使得该方法失去效果。为解决这个问题，北京理工大学林祺提出了一种基于Welch谱估计的涂层厚度超声无损测量方法，并将该方法的测量结果与显微测量法的结果进行对比，结果表明：该测量方法结果与显微测量法结果的相对误差小于6%。
随着红外技术的发展进步，红外热成像技术逐渐应用到涂层厚度检测领域。南京诺威尔光电系统有限公司江海军将锁相热波成像技术应用在涂层厚度测量，通过不同厚度涂层检测结果表明：该技术可有效测量厚度20微米至150微米的涂层，且涂层厚度检测结果重复性好，相对误差低，其检测原理是利用调制光源对涂层表面施加正弦波形的热源，涂层与基底材料的不同使热波在界面处传播速度发生变化，导致涂层表面反射热波波形发生变化。对入射波与反射波的相位结果进行分析，可以得到涂层厚度信息。电子科技大学何棱云等搭建了持续热流激励红外无损检测平台，并设计了三种涂层厚度检测方法，通过实验分别从温度信号中提取出与涂层厚度相关的特征信息，结果表明：三种基于红外热波的无损检测方法都能够有效地测量出涂层的厚度。
涂层附着力检测
涂层附着力是指漆膜与钢板表面之间的结合力，如果钢板表面有污染或者水分，会导致涂层附着力的下降，降低涂装的使用寿命。对于普通涂层附着力的检测，当检测的涂层厚度不大于250微米时，可以采用划格法。划格法是用划格器将涂层切成许多小方格，贴上胶带迅速拉开，使用放大镜对照标准与说明附图进行对比定级。当检测的涂层厚度大于250微米时，附着力检测按照拉开法进行。拉开法用胶黏剂将试柱直接黏结到涂层的表面，用拉力试验机通过黏结的试柱将涂层拉开，测得的破坏涂层附着所需的拉力即为涂层附着力。JT/T 722-2008要求涂层附着力不小于3兆帕，用于钢桥面的富锌底漆涂层附着力不小于5兆帕。
涂层外观检测
运营期钢桥涂装外观检测常规做法是使用桥检车作为作业平台，人工观测和记录涂层的受损情况，但是该方法需要消耗大量人力，且容易受到人的主观影响。近年来在公路钢桥涂装外观检测技术方面，基于图像处理和人工智能的检测方法得到了较快发展。ASTM和SSPC标准提供了一个无损的涂装评估模型，该模型利用图像处理和神经网络作为分析、识别和分类的工具，可以识别和测量桥梁在保修期内可能出现的涂层缺陷，包括生锈、起泡、开裂等。哈尔滨工业大学徐阳基于机器视觉提出了一种在役拉索高强钢丝腐蚀状态的识别方法，能有效地提高对拉索涂装损伤区域的识别准确率。长安大学安朗等在钢桥涂装检测过程中引入多分辨率图像分类技术，为锈蚀识别和涂装缺陷率计算提供了一条准确、有效的途径。
综上所述，在公路钢桥涂层检测方面，几种方法各有特点。磁性法与超声波法技术成熟、操作简便，磁性法检测速度快、精度高，适用于磁体基材上非磁性涂层的厚度测量，是目前公路钢桥应用最广泛的方法，红外热成像法具有适用范围广、单次检测面积大、快速、非接触、精度高等优点，在公路钢桥涂层检测方面具有较好的工程应用前景。
高强度螺栓具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳等优点，目前在我国钢结构桥梁构件中广泛使用。然而，施工过程中的欠拧和超拧问题常常导致高强度螺栓松弛或断裂脱落，给结构连接处带来隐患。目前高强度螺栓预紧力检测采用的扭矩法受摩擦系数影响，测量误差可达30%，国内外专家研发了声弹性法、压电阻抗法实现了预紧力的测量。
声弹性法
声弹性法原理是，超声波的速度会因材料中的应力变化而产生微小的变化，通过研究螺栓轴向应力与超声波传播时间变化率的关系，可以得到螺栓中的预紧力。
西南交通大学贾雪等建立了应力声时差关系拟合曲线，设计了试验标定系统，并且研究成果表明测量重复准确度达2%至5%。浙江大学张俊开发了一套超声螺栓紧固力测试系统，通过试验验证该系统测量的螺栓预紧力精度优于5%，可满足绝大多数钢桥施工现场的要求。
压电阻抗法
压电阻抗法将压电材料黏附于螺母外侧，通过分析压电材料的电导纳谱峰值频率和螺栓预紧力之间的变化规律，可以得到螺栓中的预紧力。武汉科技大学邵俊华结合试验使用压电阻抗法，分别研究了洁净环境和油污环境中压电材料导纳谱中的峰值频率随螺栓预紧力的变化，并得到了螺栓预紧力与峰值频率的拟合曲线，分析结果表明：压电导纳谱中的峰值频率随着螺栓预紧力的增大而降低，且两者具有较好的线性关系，可以通过测定峰值频率来精确获得螺栓预紧力。
综上所述，在公路钢桥高强螺栓检测方法中，扭矩法操作简单，但测量误差很大。声弹性法检测精度高，压电阻抗法抗干扰能力强，但这两种方法目前缺少经济可靠的仪器设备，限制了其在工程中的推广应用。
随着公路钢结构桥梁检测需求的增加，各种新型检测技术在钢桥检测中得到长足的发展和应用。本文对公路钢结构桥梁检测技术应用与发展现状进行了总结，重点阐述了钢桥焊缝检测技术、疲劳裂纹检测技术、涂装检测技术，以及螺栓检测技术的研究进展。
焊缝检测是钢桥质量检验与评定的重要内容，磁粉检测和超声波检测对角焊缝内部缺陷与熔深检测难度大；射线检测速度慢、费用高、对人体有辐射；超声相控阵可以实现U肋角焊缝缺陷与熔深的快速检测；TOFD检测技术对于焊缝内部缺陷的检出率与射线检测相近，并且检测速度更快。
常规检测技术难以对U肋角焊缝焊根往顶板扩展的疲劳裂纹进行有效检测，超声相控阵检测技术弥补了传统技术的不足，在隐蔽位置的疲劳裂纹检测具有独特优势；红外热成像检测技术具有远距离、非接触、大面积的优点，适用于钢桥疲劳裂纹的快速扫查。
基于红外热成像技术的涂层厚度测量具有非接触、大面积的优点，适用于施工期桥梁涂装质量检验；基于图像识别的运营期涂装检测方法效率高、不需要桥检车等检测平台，成为桥梁未来涂装病害检测的有效方法。
由于运营期螺栓扭矩系数会随时间发生变化，常规扭矩法对于螺栓紧固力检测不准确，声弹性法与压电阻抗法具有较高的检测精度，但是目前缺少成熟的仪器设备，限制了其在公路钢桥高强螺栓紧固力检测中的应用。
本文选自
《中国公路》杂志2020年第19期
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