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    移動紅外掃描——替代傳統橋梁檢測方法的高科技、高精度備選方案

    日期:2022-04-29 22:16
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    摘要:

    土木工程師目前面臨的一大難題是:美國境內有成千上萬座橋梁的使用年限早已超過了其50年的設計壽命。據美國聯邦公路管理局(FHWA)透露,在美國境內的611,845座橋梁中,有約1/4存在結構性缺陷或在功能上陳舊過時。這些橋梁將需要進行大幅的維護、維修或更換,在未來12年里預計每年支出的成本將高達205億美元。

    現階段用于識別混凝土橋面結構性缺陷的傳統方法不但費時、準確性不高,而且難以保障檢測人員和司機的人身安全。這些方法依靠檢測人員的主觀評估,也要求在檢測期間關閉橋梁車道,造成交通堵塞或嚴重遲緩。而一種全新的高科技方法將移動紅外熱像儀與分析軟件相結合,提供了更安全、更客觀的解決方案。

    識別橋梁脫層

    造成混凝土橋梁損壞的兩大主要因素是混凝土的脫層和開裂。脫層指的是混凝土分裂為多層或表面涂層與基層脫離。內嵌的鋼筋會隨著時間的推移發生腐蝕,導致膨脹,使混凝土橫向分裂為多層(脫層)或分裂成塊,在損壞區域上發生折斷(開裂)。

    找出混凝土脫層問題通常涉及一種稱作鏈條拖拽聲學檢測的無損檢測(NDT)形式。檢測人員會拖著一根重鏈通過橋面,仔細傾聽脫層區域發出的獨特空響聲。然后,檢測人員會用該等數據創建一張橋面的脫層圖。

    鏈條拖拽法有不少缺點。雖然這種檢測方**關閉正在檢測的車道,但是檢測人員經常需要沿著空車道進行檢測作業,車流噪音會令鏈條在通過脫層混凝土時發出的聲響難以辨別。此外,鏈條拖拽法在極大程度上要依靠檢測人員的專業知識和經驗,這樣就會比較主觀,也可能降低準確性。事實上,美國聯邦公路局(FHWA)曾開展一項針對橋面脫層檢測的研究,結果表明鏈條拖拽法不能始終提供**的結果。

    替代鏈條拖拽聲學檢測方法的高科技備選方案使用車載熱像儀可**定位混凝土橋面上的脫層區域。NEXCO-West USA公司開發了這種無損探傷檢測技術,將FLIR制冷型紅外熱像儀拍攝的圖像結合到由NEXCO-West專用軟件創建的地圖上。公司工程師正與中佛羅里達大學合作開發供美國各州公路管理機構在美國境內使用的高效、客觀的橋梁檢測規程。


    紅外熱像儀檢測到的橋面可見光脫層圖像、脫層原始圖像和經過處理的脫層圖像
    來源:“用于混凝土橋面掃描的紅外熱像儀對比:- **卷,秣市橋現場試驗”,2014年12月,NEXCO-West USA公司。

    安全、高效、移動的方法

    NEXCO-West USA公司總裁兼**執行官Masato Matsumoto表示:“NEXCO-West公司的橋面脫層檢測方法是一種利用安裝在車頂的紅外熱像儀進行的移動式檢測方法。我們的方法不要求關閉車道或降低限速,因此,能在保持交通順暢的同時,保障檢測人員的人身安全?!?/p>

    通常在白天或太陽落山后幾個小時內進行掃描,這個時候可以觀察到大量的溫度變化。舉例來說,下午受熱升溫的混凝土橋面,會在太陽落山后開始慢慢降溫,形成了可測量的溫度變化。雖然,大部分橋面會均勻升溫或降溫,但脫層會破壞傳熱通路?;炷翗蛎鎿p傷部位在白天的升溫速度更快,而在夜間的降溫速度也快得多,這些跡象均可以被紅外熱像儀輕松檢測到。

    完好混凝土橋面和損壞混凝土橋面的溫差示例
    來源:“用于混凝土橋面掃描的紅外熱像儀對比:
    - **卷,秣市橋現場試驗”,2014年12月,NEXCO-West USA公司。

    在以50英里時速駛過橋面時通過車載紅外熱像儀完成檢測。Matsumoto表示,用紅外熱像儀在全長一英里的橋面上全程掃描一條車道只需短短幾分鐘。

    NEXCO-West公司掃描系統內所采用的紅外熱像儀產品是FLIR A6701sc中波紅外科研型熱像儀。Matsumoto解釋稱:“我們使用A6700系列紅外熱像儀的原因是這款熱像儀能在高速行駛的過程中拍攝高分辨率的清晰熱圖像。這款熱像儀配備的制冷型銻化銦探測器的積分時間可短至0.48 μs,幫助作業團隊記錄像素高達640×512的清晰熱圖像,不會出現任何動態模糊?!盡atsumoto表示,他們通常會將熱像儀幀頻設置在10Hz,在高速行駛的狀態下每2米就能記錄一張清晰的熱圖像。如果將熱像儀連接至正在運行NEXCO-West公司紅外橋梁評估系統(IrBAS)軟件的筆記本電腦后,團隊可以看到實時分析信息,并識別潛在的脫層區域。


    筆記本電腦顯示了通過NEXCO-West的IrBAS軟件產生的紅外實時流數據


    用于創建橋面缺陷圖的熱圖像

    數據處理

    作業團隊收集了橋面每條車道的相關數據后,便會開始處理這些數據。Matsumoto指出:“大部分的數據分析和報告流程由IrBAS軟件自動進行,在繪制缺陷圖時可以節省大量的時間和成本?!避浖褂萌毕輬D計算發生脫層的橋面區域百分比,然后基于美國州公路及運輸協會(AASHTO)的標準對這些工況條件進行分類。

    按損壞程度分成三類:

    1. 跡象:脫層等損傷距混凝土表面≥4cm。
    2. 警示:脫層等損傷距混凝土表面≥2cm。
    3. 危險:脫層達到混凝土表面。

    橋面區域歸入“跡象”時,則視作符合要求,歸入“警示”時,需要密切監控。當歸入“危險”時,需要立即采取行動。

    讓決策更完善,讓橋梁更安全


    使用IrBAS軟件進行受損分類
    來源:“用于混凝土橋面掃描的紅外熱像儀對比:
    - **卷,秣市橋現場試驗”,2014年12月,NEXCO-West USA公司。

    拖拽鏈條法的主觀性及可能存在的不準確性需要對這種傳統橋面檢查方式進行復查。紅外掃描方式的結果更客觀,支持移動測量,避免了關閉車道的內在劣勢,包括安全危險,交通堵塞,排放量增加。

    NEXCO-West**、客觀的數據采集方式的另一項優勢是能讓州公路管理機構長期監測橋梁性能。Matsumoto表示:“NEXCO-West的紅外圖像能夠幫助橋梁管理人員做出以數據為導向的決策,并*終幫助橋梁業主避免代價高昂的災難性修復?!蓖ㄟ^在早先的記錄中添加缺陷圖,工程師能夠確定橋梁的工況與脫層程度,并幫助他們預測惡化發展,規劃好橋梁的修復工作。

    橋面的熱掃描圖(左圖)和經過IrBAS處理過的用于創建橋面缺陷圖的熱圖像(右圖)

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