 贺拴海，工学博士、二级教授、博士生导师，长安大学副校长。国际桥梁与结构工程学会会员，中国土木工程学会桥梁与结构工程分会理事，中国公路学会桥梁与结构工程学会常务理事，陕西省公路学会常务理事、副秘书长兼学术委员会主任委员，茅以升教育基金会桥梁委员会委员，陕西省建设科学技术委员会委员。《中国公路学报》、《长安大学学报（自然科学版）》等学术期刊编委，享受政府特殊津贴。 0 引言 截至2016年底，中国已建公路桥梁约80.53万座，并且以每年2～3万的数量在不断增加。随着时间的推移，由于自然环境、材料劣化、施工缺陷、超载因素等，桥梁结构会出现不同程度的损伤和病害，如开裂、下挠、锈蚀等。需要采取定期检测的方法，掌握桥梁损伤程度和特征，从而为结构安全性评价提供依据。 公路桥梁检测的主要内容包括外观损伤、内部缺陷、力学性能及几何参数检测等。目前，外观损伤仍以人工目测为主，工作强度大、效率低，需要借助检测支架或检测车等设备接近结构表面，对检测人员的专业知识和经验要求较高。非接触式检测方法近年来有了较大发展，在结构内部缺陷检测方面应用较多，但技术上仍不成熟。结构的力学性能检测难度更大，但其对桥梁结构安全性评价起着重要的作用。近年来，国内外许多学者基于不同理论和方法提出了多种检测手段，有力地推动了桥梁检测技术的发展。诸如应力释放法、磁通量法、射线法、超声法、电磁波法、图像识别法等在不同的检测领域都有一定的应用。与此同时，在役桥梁的评价方法也在不断发展和进步，提出了一系列桥梁承载力和安全性评价方法，有力推动了中国在役混凝土桥梁及钢桥运营期间安全性评价技术的发展。 本文对公路桥梁检测和评价技术现状进行了综述，重点论述公路桥梁外观损伤、内部缺陷、力学性能及几何参数检测技术、在役混凝土桥梁及钢桥评价技术的应用及研究进展，指出公路桥梁检测及评价技术的发展趋势。 1 桥梁检测技术 1.1 结构缺陷检测 1.1.1 混凝土桥梁外观缺陷 结构裂缝是混凝土桥梁的主要病害特征。《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21-2011)对混凝土桥梁使用阶段不同部位裂缝最大宽度有严格限制，其宽度和分布特征对评价桥梁结构安全性能有重要作用。常规检测中，一般是借助检测支架、专用检测车等辅助设备，配合小型裂缝测宽仪、钢尺和相机等工具，通过贴近结构表面，人工观测、记录裂缝分布和特征。该方法需投入较多的人力、物力，检测周期长、强度大、费用高，大量的检测记录还需人工进行整理和汇总。因此，该检测方法严重制约着桥梁外观缺陷检测技术的发展。 近年来，国内外学者在外观缺陷的无损检测方面做了大量研究。图像识别技术由于其远距离、非接触的检测方式和精度高、速度快的优点，逐渐应用到结构外观检测领域，成为桥梁外观检测的发展方向。该技术通过目标区域的图像采集，利用计算机对图像进行处理和分析，以识别检测目标和对象的技术。该方法通过提取图像特征数据，并与设定的阈值进行比较，从而确定裂缝或其他缺陷特征。某试验梁裂缝识别示意见图1。 （a）模型梁裂缝特征示意（b）识别后的裂缝特征示意 图1 裂缝图像检测示意图 1.1.2 钢桥外观缺陷 钢桥外观缺陷主要表现为结构锈蚀、连接构造失效、构件及焊缝的疲劳开裂。结构开裂及焊缝开裂等病害具有很强的隐蔽性旧常检查中难以察觉，对结构安全运营带来隐患。目前钢桥缺陷检测主要采用超声法、热成像法和射线法。其中超声法是焊缝检测的主要方法，并写入中国标准《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》（GB/T 11345-2013）。但是，超声法在微小缺陷检测、材料内部特定位置检测和缺陷形状检测方面还需要进一步提高。 1.1.3 混凝土桥梁内部缺陷 混凝土桥梁在施工浇筑阶段易形成空洞、夹层、蜂窝等质量缺陷，造成混凝土强度的降低（图2a）。预应力混凝土桥梁的预应力孔道施工状况和压浆密实度均对钢束的安全性和耐久性有较大影响。传统压浆工艺中的浆液离析现象会造成孔道内空洞的产生，导致钢束严重锈蚀（图2b），进而引起结构承载能力降低。因此，内部缺陷是桥梁特殊检测中的一项重要内容，常用的无损检测方法有超声法、冲击回波法、雷达法等。
(1)超声法 超声法工作原理是通过测量低频超声脉冲波在混凝土中的传播速度、首波幅度和主频率等声学参数来判断混凝土缺陷位置、类型和尺寸。可以通过波幅、声速、主频率和波形变化来判断缺陷性质和大小。图3所示为超声仪检测混凝土的工作原理。 图3 超声法检测原理示意 (2)冲击回波法 冲击回波法是通过锤击方式产生瞬时冲击弹性波并接收冲击弹性波信号，通过分析冲击弹性波及其回波的波速、波形和频率等参数，判断混凝土结构内部缺陷。其检测原理如图4所示，通过锤击使混凝土结构表面产生P波和S波，并传输到混凝土结构内部。P波和S波受内部缺陷(声阻抗差)或外部边界影响而被反射。当反射波返回混凝土结构表面时，接收传感器会测量到二者的位移。由于P波在混凝土内部空隙经历多次反射，传感器能够检测到一系列的低振幅震荡波谱，从而反映出混凝土内部缺陷。 图4 冲击回波法基本原理 (3)计算机透析成像(声波CT)技术 声波CT技术使用声波穿透混凝土，由于混凝土内部孔隙率、密实性、弹性模量等影响，使得声波产生能量衰减，根据透射波走时和能量衰减特征，采用计算机方法重建声波穿透混凝土的速度和吸收系数的分布，实现混凝土内部成像，进而作为混凝土密实性和强度评价的定量指标。 长安大学开展了稀土换能器及系统集成的桥梁无损检测技术开发研究，研发了适用于桥梁大体积混凝土无损检测的大功率（16kW）、高频(43kHz)和短余震(小于1个周期)的超磁致伸缩换能器，开发了基于有限元分析和四端网络法的稀土换能器优化设计软件包。开发了具有层析成像功能，并同时具有测强、测缺和测厚功能的桥梁混凝土结构智能化无损检测系统。系统结构如图5所示，成像示意如图6所示。 图5 混凝土层析成像检测系统示意 图6 混凝土层析成像结果 （4）雷达法 雷达法是通过发射天线向被探测介质内部发射高频电磁波，根据电磁脉冲传播到目标物反射回来的时间来确定目标物的深度和位置。不同的介质在电磁特性上的差异会造成雷达反射回波在波幅、波长及波形上的变化，接收到的雷达信号经计算机软件处理后形成雷达图像（图7）。 图7 探地雷达（GPR）原理图 1.1.4 普通钢筋锈蚀 由于结构开裂、碳化作用、氯离子侵蚀等因素，使得钢筋发生电化学反应而锈蚀。锈蚀不仅造成钢筋截面积减小，同时导致体积膨胀，使钢筋与混凝土之间丧失握裹力，严重影响桥梁的承载力。 电位法是目前应用最为广泛的一种评定混凝土结构锈蚀程度的无损检测方法，该方法通过测定钢筋、混凝土组成的电极与混凝土表面的铜、硫酸铜参考电极之间的电位差，评定钢筋的锈蚀状态。电位法检测原理见图8。 图8 电位检测示意图 1.1.5 体内预应力钢束缺陷 PC桥梁体内预应力钢束有效预应力检测技术是当前的研究热点和难点。预应力典型缺陷主要可以分为4类：孔道定位偏差、管道压浆密实度、预应力钢束锈蚀状况和钢束有效张力。其中，钢束有效张力是反映桥梁结构状况最重要的指标之一，直接反映了桥梁的服务水平，同时也影响到桥梁正常使用阶段的承载力和安全性评价。以下主要介绍预应力钢束张力的检测方法。 长安大学是国内最早开展PC桥梁预应力检测和状态评估的单位。自2005年开始，长安大学即开展了PC简支梁动、静力性能研究，提出了一套较完整的用于检测有效预应力的半经验公式，形成有效预应力的无损检测基础方法—基于动力性能的有效刚度代换法与基于静力性能的有效刚度代换法，见图9；同时基于静力学测试原理，研发了针对PC桥梁预应力钢束应力有效值的实时获取专项设备—预应力钢索张力测试仪。该设备通过预应力钢绞线横向张力及相应变形的测试，结合静力学平衡原理建立了特定位移下横向张力与预应力之间的力学关系，达到钢束有效张力检测的目的，为实桥应用提供了一种设计合理、灵敏度高、稳定性好、工程实用性强的预应力张力测试设备，检测误差可控制在３％以内，见图10。近年来，预应力钢束张力测试仪成功应用在虎门大桥辅航道桥、嘉绍大桥、宁夏石嘴山黄河大桥等２０多座桥梁体内预应力检测和评估项目，得到了行业的广泛认可。
图10 预应力钢索张力测试仪工作原理 1.2 力学及几何特性检测 1.2.1 强度 混凝土强度是结构的一项重要力学参数，对保证桥梁结构承载力和运营安全性具有重要影响，也是评价桥梁施工质量的关键指标。在役混凝土桥梁混凝土强度检测方法主要有钻孔取芯法、回弹法、超声回弹综合法、拔出法、压痕法等。其中回弹法是主要的检测方法，目前是新桥无损强度检测的主要方法。由于强度检测技术相对较为成熟，此处不再赘述。 1.2.2 结构应力 应力释放法是解决恒载下结构应力测试的有效手段之一。其基本原理是采用机械切割的方法，对有初始约束应力的测试构件进行切割，达到应力释放目的。再对切割前后构件的应变进行测试，得到构件的应力状态。目前，多用于钢结构的残余应力测试。见图11。
图11 普通钢筋应力释放法示意 1.2.3 索力 现代大跨径斜拉索、系杆拱桥吊杆及悬索桥吊杆多采用柔性索结构，采用合理的方法进行索力及吊杆力测试是保证桥梁施工和运营安全的必要手段。目前索力测试主要有压力表测定法、压力传感器测定法、频率法和磁通量法。 压力表测定法是根据千斤顶液压推算张力的一种方法，该方法主要用于施工阶段。压力传感器测定法是在施工阶段安装压力传感器，达到对索力的实时监测。该方法精度相对较高，但压力传感器售价比较高，一般作为频率法的补充，仅对特定拉索或吊杆进行监测。 频率法是根据索力与索的振动频率之间的对应关系，在已知索长度、两端约束情况、分布质量等参数时，通过测量拉索在环境振动激励下的振动信号，经过分析得出斜拉索的自振频率，进而由索力与拉索自振频率之间的关系获得索力。 磁通量法是利用套在拉索或吊杆外部的小型电磁传感器来测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系，推算索力或吊杆力。磁通量法是一种相对值测量方法，能够实现索力变化量的实时监测，不能用于索力绝对值的测量，限制了该方法的应用领域。 1.2.4 变形 桥梁抵抗活载的变形能力是评价桥梁正常使用阶段结构刚度特征的重要参数，主要包括主梁挠度、主塔塔顶三维变位。变位测试方法包括接触式挠度计、激光挠度仪、光电挠度仪、基于图像识别的挠度测试系统等。基于数字图像技术的桥梁挠度测量方法通过比较未结构变形前和变形后的数字图像来获得结构变位信息，具有远距离、非接触、速度快、精度高、方便快捷等优点，目前已经成为桥梁荷载试验和其他建筑物相对挠度变化测试的新方法。 以上简要介绍了桥梁外观、内部缺陷检测、几何特征及力学特征检测以及预应力综合检测等方面的检测手段、原理和方法。为了便于归类，表2给出了目前桥梁检测中的主要方法。 表2 桥梁结构主要检测方法
2 桥梁评价技术 桥梁结构性能随运营时间和交通量的增加逐渐下降，需要采取合适的评价方法对其承载能力进行评定，以保证桥梁结构的安全运营。在役桥梁承载力评定受多重因素影响，其服役期间的技术状况和安全性评价难度远大于新建桥梁。 2.1 在役桥梁一般评价方法 对于服役期间的桥梁，其技术状况评价方法一般可分为以下7类: 2.1.1 打分排序法 技术人员通过对桥梁进行检查，按照一定规则和要求，对桥梁进行技术状况评定。中国交通运输部《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）给出的桥梁技术状况评定方法即打分法。将桥梁分成部件和构件，根据各部件权重进行桥梁等级评定。 2.1.2 分析检算法 分析检算法通过引入桥梁损伤参数，对桥梁抗力进行折减，并采用强度验算的方法评价桥梁承载力。《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）通过引入多个检算系数对桥梁承载力进行量化评定。 2.1.3 荷载试验法 荷载试验法是通过对桥梁直接施加相当于设计荷载（或目标荷载）的试验荷载，直接测试结构控制截面的应力和变形，并与理论值进行比较。由于荷载试验过程中已经综合反映了桥梁缺陷和损伤，且能够直接得到桥梁控制截面的力学指标，因此，该方法是目前唯一能够准确评价桥梁实际承载能力的方法。但是，荷载试验方法费时费力，费用较高，且需要临时中断交通，一般是在外观检测和分析检算基础上，综合确定是否采用。 2.1.4 专家评定法 专家评定法以专家意见调查权重及其关系为依据，采用计算机模拟专家的知识、经验水平和决策机理，对损伤桥梁进行的综合评价方法。但是，由于工程问题的复杂性，许多不确定因素或理论问题无法数值化，系统建立的难度较大。因此，该方法的应用受到限制，目前仅用于为模糊评价法提供依据。 2.1.5 可靠度法 可靠度法是从结构概率安全性角度出发，将结构抗力和荷载均看作随机过程，考虑材料退化，计算结构可靠性指标。近年来，可靠度法成为评定桥梁承载力的研究热点。但是由于桥梁结构构件众多，系统复杂，最低可靠度指标较难确定。 2.1.6 层次分析法 层次分析法是按结构组成的支配关系将复杂桥梁结构表示为有序的递阶层次结构，通过两两比较确定层次中因素的相对重要性，综合人的判断以决定因素相对重要性顺序，统一处理决策中的定性与定量因素进行评价，是一种模糊评价方法。层次分析法只能从已知方案中优选，不能生成方案，得出的结果只是粗略排序，主观成分较大，是一种定量与定性相结合的方法。 2.1.7 模糊综合评价法 模糊综合评价法将安全与不安全、稳定与不稳定、健康与不健康等不确定性现象及结构量变到质变连续过程用模糊数学来定量表示，进而分析其综合结果。 除此之外，国内外学者还提出了灰色理论法、神经网络法等评价方法，在桥梁安全性评价方面均有所应用。 2.2 在役混凝土桥梁评价新方法 2.2.1 钢筋混凝土结构 早期修建的大量低标准RC梁桥由于裂缝和钢筋锈蚀，造成结构性能严重下降，急待对其进行合理的结构性能评价，以保证桥梁安全运营。长安大学自20世纪90年代开始，系统开展了RC桥梁结构性能评价研究工作。通过RC板梁室内试验的裂缝特征，经回归分析及结构非线性分析，建立了以裂缝统计特征推测结构受压区高度、变形曲率，进而预测结构配筋率的方法，达到结构性能进评估评价的目的。 RC梁裂缝的离散性较大，但从统计学观点来看，裂缝的某些参数又有一定规律，且与截面的力学性能密切相关。若取出开裂梁段，则此梁段内裂缝统计参数有：裂缝的平均高度 为了反映在役RC梁带裂缝工作的特性，引入一个能够反应结构当前平均工作性能的参数，即名义配筋率 2.2.2 预应力混凝土结构 针对大跨径PC箱梁桥出现的开裂与下挠病害，长安大学系统开展了开裂和下挠的预应力混凝土桥梁承载力和安全性评价研究，结合最新预应力检测手段，提出了基于裂缝统计特征以及基于有限点预应力测试的在役PC梁桥承载力评价方法。 （1）基于裂缝特征的在役PC梁桥承载力评估 对于开裂损伤的在役PC梁桥，参考RC梁桥裂缝统计特征的建立方法，对受弯段横向裂缝（以下称为正裂缝）区域建立了裂缝统计特征参数，从而将不规则实际裂缝特征转变为裂缝分布的数学模型。正裂缝区段的阶梯型折减刚度及截面受力特征如图12所示。图中B为混凝土梁截面刚度，
（a）开裂后阶梯型刚度分布
（b）正截面应力分布示意 图12 正裂缝区域单元特征简化示意 截面平衡状态示意如图13所示。其中
图13 正裂缝区段截面应力（应变）平衡状态 对于斜裂缝区段，将斜裂缝之间的混凝土部分看作受压斜杆，则箱梁斜裂缝以上部分可看作是
（a）引入裂缝统计特征后的斜裂缝分布
图14 平面框架模型示意 为了反映桥梁承载力和刚度下降程度，引入刚度折减系数 （2）基于有限点预应力的在役PC梁桥承载力评估 通过前述的预应力钢束张力检测方法，可得到有限点预应力钢束张力。首先需要将普遍采用的组合曲线型钢束进行归纳，依据几何型式抽象为一个具有代表性的统一数学模型。摩阻损失沿程分布示意如图15所示。
图15 摩阻损失分布示意 在得到主损失 3 结语 桥梁检测技术和评价技术已成为多学科理论、方法、技术相互结合的交叉研究领域，其方法研究和实际应用得到了长足的发展。本文对公路桥梁检测和评价技术现状进行了阐述，重点论述了公路桥梁缺陷检测技术、力学性能及几何参数检测技术、在役混凝土结构及钢结构桥梁评价技术的应用及研究进展。主要结论如下： （1）桥梁外观缺陷检测是桥梁技术状况评定的主要内容，传统检测方法需要借助桥梁专用检测车或检测支架，检测周期长、工作强度大、费用高，严重阻碍桥梁检测技术进步。基于图像识别的检测方法具有远距离、非接触、高精度、高效率的优点，成为桥梁外观检测的发展方向。 （2）桥梁内部缺陷检测是检验桥梁施工质量和工艺的重要依据，传统超声检测法精度不高，冲击回波法又不能准确反映病害深度。基于大功率、高频率和短余震的超磁致伸缩换能器，具有层析成像功能的计算机透析成像技术，可快速、准确地实现大体积混凝土内部缺陷检测和评价。 （3）混凝土桥梁预应力检测技术一直是PC桥梁检测的重点和难点，本文提出的预应力成套检测技术可实现预应力孔道定位、管道压浆密实度、预应力钢筋锈蚀和钢束张力等4项预应力关键参数的定量测试，为PC桥梁安全性评价提供了重要依据。 （4）由于早期服役的RC桥梁经常存在资料不全的问题，本文提出了基于裂缝统计特征的钢筋混凝土承载力评价方法，通过建立裂缝与结构受压区高度、曲率的关系，提出名义配筋率概念，进而进行刚度预测和承载力评价，有效解决了基于外观检测手段的RC桥梁安全性评价。 （5）针对大跨PC梁桥普遍存在的开裂和下挠的问题，一方面基于主要受力裂缝的外观统计特征，通过构造正裂缝区损伤单元和斜裂缝区损伤单元，采用刚度折减方法，建立了基于裂缝统计特征参数的损伤预应力混凝土箱梁计算模型，实现了损伤预应力混凝土结构安全性量化评价；另一方面，基于有限点预应力钢束应力的直接测试，结合预应力损失沿程分布模型和截面非线性分析方法，同样可以得到桥梁刚度分布和特征，从而实现PC梁桥运营阶段的承载能力评价。 |
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