基于被動敲擊掃描式檢測方法的工程橋梁損傷檢測

林 萍 * 胡祝友 ** 郭 河 * 喬 磊 * 向志海 **

*(中交基礎設施養護集團有限公司，北京 100011)

?(中交路橋檢測養護有限公司，北京 101300)

**(清華大學航天航空學院，北京 100084)

橋梁的健康狀態關乎交通運營以及過往車輛的人身安全。傳統的橋梁檢測技術可以準確地定位損傷并對橋梁的健康狀況做出評定[1-5]，但往往需要中斷交通，費時費力，且檢測效率較低。隨著橋梁數量的日益增長，對高效的橋梁檢測技術的需求越來越強烈。借助移動車輛，可以很方便地得到橋梁的頻率、模態振型、阻尼、損傷等多種特性。因此，基于該思路的橋梁快速檢測方法成為近年來研究者關注的熱點[6]。

車輛行駛在橋面時會引起橋梁的振動，而橋梁的振動也會對行駛的車輛產生影響，從而將橋梁的信息傳遞給車輛。利用這種車–橋耦合振動特性，就有可能從移動車的振動信號中提取出橋梁結構的信息。Yang 等[7]首先建立了這種方法的車–橋耦合模型，并根據移動車的振動響應提取出橋梁的基頻。經過多年的研究，采用該方法已經可以提取更豐富的橋梁特性，如高階頻率、模態振型、阻尼、路面粗糙度等[8-9]。在此基礎上，Zhang 等[10]提出基于梁模態的平方對橋梁的損傷進行檢測。隨后基于模態提取技術的橋梁損傷檢測得到了眾多研究者的關注[11-12]。

在基于移動車的橋梁損傷檢測中，路面粗糙度會對車–橋耦合系統的振動響應產生干擾，從而增加了提取橋梁結構信息的難度[13-14]。為了提高信噪比，文獻[15-16]提出了敲擊掃描式損傷檢測方法。該方法通過移動車上的敲擊裝置對橋梁施加檢測車敏感頻率附近的敲擊力，從而提高車輛加速度對損傷的靈敏度。另外，當檢測車的敏感頻率高于環境噪聲頻段時，損傷檢測結果不受周圍環境的影響，從而可以實現在不中斷交通情況下的正常檢測。為了進一步簡化檢測車的硬件系統，還可以利用車輪的敲擊齒被動地產生敲擊力，從而發展出被動敲擊掃描式損傷檢測理論[17]。在研究被動敲擊掃描理論的過程中，Hu 等[18]還發現移動車的加速度對橋梁剛度的不連續性更敏感，并給出了移動車加速度和橋梁彎曲剛度變化率的定量關系。

目前，上述基于移動車的橋梁檢測方法多用于實際橋梁的振動特性測試，在實際橋梁損傷檢測方面的報導很少[6]。為了驗證被動敲擊掃描式損傷檢測方法的工程實用性，本文對兩座實際橋梁進行了測試。實驗結果表明，該方法不但可以找到人工檢測發現的損傷，而且可以給出這些損傷的定量評估指標。另外，使用該方法還可以找到一些肉眼容易忽視的隱蔽損傷。

為了便于讀者理解，本文首先簡單介紹被動敲擊掃描式檢測方法的原理，并用一個T 梁實驗進行說明。在此基礎上，再介紹兩座實際橋梁的檢測結果。最后給出對該研究工作的總結和展望。

1 被動敲擊掃描式檢測方法的原理

被動敲擊掃描式檢測方法通過測量移動車的加速度信號，提取相應功率譜密度圖中的異常點，獲得梁結構剛度突變位置及其變化程度。該方法的理論模型如圖1 所示。

圖1 車–橋耦合系統Fig.1 Vehicle–bridge interaction system

基于Euler–Bernoulli 梁模型和單自由度移動車模型，車–橋耦合系統的運動方程為[18]

圖1 和式（1）中，MV為移動車的質量，kV為懸掛系統的剛度，μV為懸掛系統的阻尼常數，EI為梁的彎曲剛度，m為梁單位長度的質量，μB為橋梁的阻尼常數，r為路面粗糙度，v為移動車的速度，g為重力加速度。yV和yB分別代表移動車和梁在y方向的位移，F為梁對車輪的y方向支承力。FT是車輪敲擊齒與梁之間的敲擊力，可表示為

式中，A是敲擊力幅值，ω0是敲擊力的圓頻率。

橋梁的局部阻抗Z(x)=-(F+MVg)/[yB(x,t)δ(x-vt)]包含了橋梁的損傷信息。根據式（1）～式（3）可知，移動車的加速度中顯式包含局部阻抗

這樣，就可以從移動車的加速度信號中提取出橋梁的損傷信息。

橋梁的損傷可看作梁截面彎曲剛度的變化。本文中將損傷位置處的彎曲剛度記為(EI)D。但是圖1 的模型中的梁是完整的，并不包含損傷信息。為了仍然采用圖1 的模型進行分析，可以引入損傷等效模型[18]，即將橋梁的損傷轉換為移動車等效剛度k(x)的變化

式中，θ(x)≡(EI)D/(EI) 是梁彎曲剛度比，Ds是和梁位置相關的系數。

基于上述等效關系，就可以用Duhamel 積分方法求解運動方程，得到移動車位移中的主要成分

式中，U,V和W是與車橋特性有關的待標定參數。

根據以上原理可以建立被動敲擊掃描式損傷檢測方法，其流程如圖2 所示。

圖2 敲擊掃描方法的檢測流程Fig.2 The detection process of the tap-scan damage detection method

2 損傷檢測車及標準預應力T 梁檢測實驗

根據上述理論模型以及檢測方法的要求，可以設計出基于被動敲擊掃描式方法的損傷檢測車（如圖3 所示）。損傷檢測車主要由外殼、車身、驅動輪以及敲擊裝置4 部分構成。在敲擊裝置（圖3(a)）中，敲擊輪通過均勻分布在車輪上的敲擊齒對路面產生具有穩定頻率的敲擊力；輪軸上的采集點則用于收集敲擊裝置在檢測過程中的振動數據。由于敲擊裝置的固有頻率遠高于路面粗糙度的主要頻段，所以可以達到很高的檢測信噪比?；谏鲜鲈O計要求，首先開發了一臺原理樣車（圖3(b)）用于一根預應力混凝土T 梁檢測實驗，并對式（8）中的參數進行標定。在該原理樣車的基礎上，為了保證在實際橋梁上的操作安全性，又設計了工程檢測車，增加了醒目的車身和閃光報警燈（圖3(c)）。

圖3 損傷檢測車Fig.3 Damage detection vehicle

為驗證檢測方法和檢測車的合理性與可靠性，利用原理樣車對一根標準預應力混凝土T 梁（圖4(a)）從左至右進行掃描測試。根據定點敲擊方法，原理樣車在T 梁上靜置時的敏感頻率約為136 Hz，所以在測試中通過調整車速將原理樣車的敲擊頻率設定為138 Hz。根據T 梁的結構性質，梁在沿長度方向有7 個剛度突變點。檢測車從啟動位置出發會經歷加速行駛階段再達到勻速行駛狀態，在檢測第3～7 個剛度突變點（即圖4(a)中的STP1～STP5 點）時，檢測車處于勻速階段且敲擊頻率較穩定。從采集信號中可以捕捉到梁彎曲剛度的突變對于檢測車加速度的影響，如圖4(b)所示，5 個剛度突變點所處位置的功率譜密度顯著高于其他位置。同時，實驗結果也表明歸一化后檢測車的加速度YE和梁剛度比θs 之間存在二次多項式的關系（相關系數為0.85），和式（8）的理論預測一致。

圖4 檢測結果Fig.4 The detection results

基于式（9），STP1～STP5 的實際剛度比分布如圖4(c)所示。其中STP2 位于梁的橫隔板處（如圖4(a)），因此其剛度比顯著大于其他剛度突變點。

3 實橋測試

使用上述被動式敲擊掃描檢測車對兩座在役橋梁的部分橋跨進行了損傷檢測，并將檢測結果和人工檢測進行對比，以驗證檢測車的科學性和實用性。

3.1 京津高速某橋

該橋梁位于京津高速，是一座預應力混凝土連續小箱梁橋，如圖5 所示。橋梁全長1 721.5 m，共57 跨，橋面總寬20.5 m，橫向有6 片主梁，支座形式為板式 + 盆式橡膠支座。用原理樣車對橋梁右幅的第8 跨至22 跨的右側第1 片梁（標準編號為R8-1#～R22-1#）進行了快速篩查。每跨為長度30 m 的小箱梁，標準橫斷面以及檢測車道如圖5(b)所示。

圖5 京津高速橋梁概況Fig.5 Brief information of the bridge on Jingjin high way

如圖5(b)所示，在用原理樣車對橋梁進行掃描檢測過程中僅封閉了待檢測車道，其余車道均保持正常通行。根據定點敲擊方法，原理樣車在該橋梁上靜置時的敏感頻率約為141 Hz，所以在測試中通過調整車速將檢測車的敲擊頻率設定為138 Hz。為了保證檢測結果的可靠性，對待檢測車道進行了4 次檢測。

圖6 為檢測區域中包含的15 處支座的檢測情況。正常情況下，支座是一個剛度突變點。在4次檢測中如果至少有3 次能發現剛度突變點，則可以判斷該支座是正常的，否則很可能有支座脫空現象。對4 次檢測結果做平均處理，各支座位置處是否有剛度突變以及突變程度如圖6(a)所示。在4 次測試中，2 次測試的檢測結果中都未在R9#支座的位置捕捉到剛度突變點，故圖6(a)中無該支座的剛度比結果，由此可以判斷該支座可能已經脫空。如圖6(b)所示，在現場照片也發現該支座的確有脫空現象。其余支座位置在4 次檢測中均有至少3 次在檢測信號中出現剛度突變點，人工檢測也未發現脫空現象。需要說明的是，在最初的人工檢測報告中并沒有提到R9#支座脫空的問題。當敲擊掃描結果提示該處可能出現支座脫空后，再去復檢時才確認了這個損傷。這說明敲擊掃描方法有可能發現一些容易被人工檢測所忽視的損傷。

圖6 支座檢測結果Fig.6 Detection result of supports

對于橋梁上的其他位置，當4 次檢測中出現2 次及以上的顯著信號時可判定該位置有剛度缺失的情況。根據上述標準，檢測結果表明檢測區域內有3 處損傷，其中兩處剛度折損較小，一處剛度折損較大。圖7 為剛度折損較大位置的平均檢測結果，位于第18 跨主梁。人工檢測也發現該處有銹脹露筋的情況，如圖7(b)所示。

圖7 損傷檢測結果Fig.7 Detection result of damage

3.2 貴陽某橋

該橋位于貴陽市，是一座先結構簡支后橋面連續的小箱梁橋，如圖8 所示。橋梁全長256 m，跨徑組合為6×40 m，橋面寬度為17.25 m，橫向有5 片主梁，圖8(b)所示為標準橫斷面以及檢測車道。該橋常有重型車輛經過，因此路面情況較差，主梁上也存在較多結構性損傷。采用圖3(b)中的工程檢測車對橋梁左幅的第4 跨和5 跨的第5 片梁進行了5 次檢測。根據定點敲擊方法，工程檢測車在橋梁上靜置時的敏感頻率約為125 Hz，所以在測試中通過調整車速將工程檢測車的敲擊頻率設定為127 Hz。

圖8 貴陽市橋梁概況Fig.8 Brief information of the bridge in Guiyang city

綜合5 次測試，當其中出現4 次及以上的顯著信號時可判定該位置的剛度存在較大突變。圖9為工程檢測車對第4 跨主梁的平均檢測結果，快速檢測方法在4 m，8 m 以及36 m 處發現了損傷。在人工檢測中，第4 m，第8 m 和第36 m處也都發現了銹蝕露筋的情況。對于第5 跨主梁，在位置約13 m，33 m 處至少在4 次檢測中捕捉到了剛度突變點，如圖10 所示，人工檢測也發現在對應位置處有露筋現象。

圖9 第4 跨檢測結果Fig.9 Detection result of span 4

圖10 第5 跨檢測結果Fig.10 Detection result of span 5

4 結論和展望

本文簡要介紹了被動敲擊掃描式檢測理論以及基于該理論研制的橋梁損傷快速檢測車。使用這種檢測車對兩座在役橋梁進行了實地檢測，可得到以下結論。

(1) 被動式敲擊掃描檢測車結構簡單、操作便捷，可在不完全中斷交通的情況下快速完成橋梁損傷檢測。

(2) 檢測車不但可以準確地定位表現在橋梁外部的損傷，而且能夠找到支座脫空這類比較隱蔽的損傷，另外還可以給出剛度變化的定量評估結果。

限于激振功率、便攜性要求等限制因素，本檢測車目前只適用于中小型混凝土梁式橋梁的損傷檢測。在后續的研究工作中，將進一步考慮不同路面情況對檢測結果的影響，并討論所檢測出來的損傷指標對橋梁承載力評估的作用。