基于无损检测技术的高速公路桥梁结构健康监测

王晨

摘要 文章研究基于无损检测技术的高速公路桥梁结构健康监测方法，利用超声波发生器，向桥梁结构内发射超声波，通过超声波接收器采集超声波数据，对比分析采集的超声波数据与健康桥梁结构时的超声波数据，如果两个数据相同，说明桥梁结构无损伤，如果两个数据不同，说明桥梁结构有损伤，并根据两个数据的差距，判断桥梁结构的损伤程度，确定损伤位置，实现高速公路桥梁结构健康监测；
通过ABAQUS软件模拟分析该方法的桥梁结构健康监测效果。研究结果表明，对于较小损伤与较大损伤，该方法均可精准监测桥梁结构的损伤程度，并确定损伤位置，具备较高的桥梁结构健康监测精度。

关键词 无损检测技术；
高速公路；
桥梁结构；
健康监测；
超声波

中图分类号 U446.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0001-03

0 引言

当公路桥梁出现安全事故时，不仅会影响人们的生命安全，还会给社会造成经济损失。运用科学、合理的高速公路桥梁结构健康监测方法可及时发现公路桥梁存在的安全隐患，避免出现严重的安全事故[1]。无损检测技术不仅不会损伤桥梁的内部结构，还能够有效检测桥梁结构的微小损伤，确定损伤程度与位置。为此，研究基于无损检测技术的高速公路桥梁结构健康监测方法，精准监测桥梁结构的健康情况具有一定的现实意义。

1 高速公路桥梁结构健康监测

1.1 超声波技术的工作原理

超声波技术属于一种无损检测技术，该技术可有效地检测桥梁结构的缺陷。受车辆荷载与环境等因素影响，桥梁结构会出现不同程度的损伤情况，利用超声波技术，可有效得到桥梁结构的健康状态信息，并和原始结构信息展开对比，确定桥梁结构是否存在损伤，以及损伤程度[2]。

超声波技术的工作原理：向高速公路桥梁结构发射超声波，采集超声波数据，并对采集的数据进行处理与分析，得到高速公路桥梁结构的损伤程度，监测桥梁结构的健康情况，及时做好防御工作，避免出现桥梁安全事故。

1.2 工程概况

以某市的高速公路斜拉桥为研究对象，该座桥梁共包含4期，其具体信息如表1所示。

1.3 桥梁结构健康监测的工作流程

在高速公路桥梁上安装超声波发生器与接收器，利用超声波发生器将超声波作用在桥梁结构中，由接收器接收作用在桥梁结构中的超声波[3]。基于超声波技术的高速公路桥梁结构健康监测流程如图1所示。

具体步骤如下：

步骤1：在桥梁沟槽内，安装超声波发生器，令其向桥梁结构内发射超声波。

步骤2：通过超声波接收器采集超声波数据。

步骤3：通过中央处理器，存储采集的数据，并对其进行处理[4]。

步骤4：对比分析处理后的数据与健康桥梁结构数据，如果两个数据完全相同，说明此时桥梁结构无损伤，如果两个数据不同，说明此时桥梁结构有损伤，并根据两个数据的差距，判断桥梁结构的损伤程度，确定损伤位置，实现对高速公路桥梁结构的健康监测。

1.4 数值模拟

为分析超声波技术对高速公路桥梁结构健康监测的作用，利用ABAQUS软件，设置不同桥梁工况，模拟分析超声波技术的桥梁结构健康监测效果。ABAQUS软件模拟分析的具体步骤如下：

步骤1：依据斜拉索桥梁的实际情况，建立桥梁结构三维模型[5]，并设置参数，包含模型形状与材料性质等。选择弹性本构关系类型，结合直接建模方法，构建健康与存在缺陷的高速公路桥梁结构三维模型，并将缺陷尺寸与有关参数直接导入三维模型内。

步骤2：设置分析类型，制定分析步骤与输出方式。利用瞬态动力学分析法，分析荷载作用下，超声波在桥梁结构内的运动传播过程，分析过程中需确保接收到的回波信号无缺失。

步骤3：对三维模型进行网格划分，确定需要划分的单元类型与长度。网格单元尺寸Δq与时间步长Δt，均会影响有限元分析精度。网格单元尺寸与其包含的模型信息具有负相关关系，与有限元分析结果精度也具有负相关关系，但Δq越小，计算时间越长。Δt的大小与有限元分析结果精度具有负相关关系，但Δt越小，计算时间越长。为此，需要合理选择Δq与Δt。Δq的计算公式如下：

式中，λ——超声波波长。

Δt的计算公式如下：

式中，cg——超声波传播速度。

以实体单元类型，为桥梁结构三维模型的网格划分单元类型，可提升有限元分析精度，该单元类型可近似实际桥梁结构，误差较小。

步骤4：在桥梁结构模型上施加荷载，并设置不同温度条件，同时设计约束与边界条件。确定桥梁结构三维模型后，需要确定荷载激励方式，在实验中采用纵向轴对称模式发射超声波，仅能获取桥梁结构水平方向的变形量和垂直方向高程变化量。为此，在桥梁结构三维模型中施加荷载，可模拟分析实际情况下的超声波记录，并依据信号传播过程，获取加速度的变化情况。以真空条件作为桥梁结构三维模型的边界条件，在橋梁结构末端施加固定约束。在桥梁结构三维模型中，均匀设置10个监测点，记作监测点1、监测点2、监测点3、监测点4、监测点5、监测点6、监测点7、监测点8、监测点9、监测点10。

步骤5：对不同工况下的数值模型进行数值计算。

步骤6：以二进制文件格式存储数值计算结果，并进行后处理。

步骤7：以表格与曲线图等方式呈现超声波技术的桥梁结构健康结构监测结果。

2 实验分析

利用ABAQUS软件，模拟分析该文方法在高速公路桥梁结构健康监测中的应用效果。分析高速公路桥梁结构损伤不同位置时，该文方法所测得的桥梁结构健康监测效果的分析结果如图2所示：桥梁结构损伤位置分别设置在监测点2与监测点3之间，以及监测点7与监测点8之间，其中监测点2至监测点3之间的损伤程度较小，监测点7至监测点8之间的损伤程度较大。

对比分析图2（a）与图2（b）可知，超声波加速度波形图在监测点2至监测3之间存在小幅度的波动情况，说明监测点2与监测点3之间存在损伤，且损伤程度较小，与实际情况相符，说明该文方法可精准监测桥梁结构的轻微损伤情况，并精准地确定桥梁结构损伤位置与损伤程度。对比分析图2（a）与图2（c）可知，超声波加速度波形图在监测点7至监测8之间存在大幅度的波动情况，说明监测点7与监测点8之间存在损伤，且损伤程度较大，与实际情况相符，说明该文方法可精准地监测桥梁结构的严重损伤情况，并精准地确定桥梁结构损伤位置与损伤程度。综合分析可知，無论是较小程度的损伤，还是较大程度的损伤，该文方法均可精准地监测到损伤位置，并确定损伤程度，即该文方法具备较高的高速公路桥梁结构健康监测精度。

分析不同温度工况下，该文方法的高速公路桥梁结构健康监测效果，温度工况分别为主梁温度梯度是15 ℃、索塔温度梯度是15 ℃、索梁温差是15 ℃。分析结果如表2所示。

根据表2可知，在三种不同温度工况下，该文方法均可有效监测到该高速公路桥梁结构的主梁竖向变形情况；
三种温度工况下，该高速公路桥梁均存在不同程度的主梁竖向变形情况，其中，索梁温度15 ℃时，高速公路桥梁结构的主梁竖向变形量最大，最高变形量是35.94 mm；
其余两种温度工况下，主梁竖向变形量相差较小，主梁温度梯度15 ℃时的最大主梁竖向变形量是

3.54 mm，索塔温度梯度15 ℃时的最大主梁竖向变形量是3.99 mm。综合分析可知，在日常维护该高速公路桥梁结构时，需重点考虑索梁温差情况，避免出现桥梁事故，提升高速公路桥梁使用的安全性。

3 结语

高速公路桥梁为人们的生活提供了很多便利，但受车辆荷载与天气等因素的影响，导致其使用性能迅速下降，加大了桥梁安全事故发生的概率。为此，研究基于无损检测技术的高速公路桥梁健康监测方法，在不损伤桥梁结构的同时，可及时发现桥梁结构存在的损伤问题，并制定合理的维护方案，提升桥梁使用的安全性能。

参考文献

[1]李帆. 云计算技术在桥梁结构健康监测中的应用[J]. 公路， 2022（4）：
177-181.

[2]朱利明， 卓静超， 邢世玲. 基于CEEMDAN-NAR-ARIMA组合模型的桥梁结构健康监测应变预测[J]. 科学技术与工程， 2020（4）：
1639-1644.

[3]杨建喜， 张利凯， 李韧， 等. 联合卷积与长短记忆神经网络的桥梁结构损伤识别研究[J]. 铁道科学与工程学报， 2020（8）：
1893-1902.

[4]高江华， 韩春华， 郭健， 等. 基于最小二乘积求解的高速公路桥梁形变监测[J]. 计算机仿真， 2022（12）：
169-172+234.

[5]田壮， 樊启武， 王昌杰. 深度学习在桥梁响应预测与健康监测中的应用[J]. 铁道工程学报， 2021（6）：
47-52.

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