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摘 要：結(jié)合橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)的實(shí)際需要，綜述國(guó)內(nèi)外水下基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀。針對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)中存在的 問(wèn)題， 提出采用水下機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)，其是融合專(zhuān)家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)進(jìn)行損傷檢測(cè)與診斷的新技術(shù)。評(píng)估水下機(jī)器人在我國(guó)的應(yīng)用前景并展望橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：橋梁水下基礎(chǔ)；無(wú)損檢測(cè)；水下機(jī)器人；損傷診斷

文章編號(hào)：1009－6477（2012）02－0071－03 中圖分類(lèi)號(hào)：U445．55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

ResearchonDetectingTechniquesforUnderwaterFoundationsofBridges HUGuoxi，MIUPinbo

隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，交通量不斷增加，荷 載等級(jí)逐漸提高，以及受環(huán)境條件和橋梁施工階段留下隱患的影響，橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病害，其中包括橋梁水下基礎(chǔ)的病害。橋梁水下基礎(chǔ)作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，承擔(dān)著將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞給地基的重要任務(wù)，其病害的發(fā)生、發(fā)展直接影響橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和耐久性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及橋梁運(yùn)營(yíng)安全。但目前對(duì)于橋梁水下基礎(chǔ)的檢測(cè)還只是停留在傳統(tǒng)檢測(cè)方法上，沒(méi)有一套系統(tǒng)、成熟、適用于既有橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)與診斷的技術(shù)。因此，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外水下基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)的 基礎(chǔ)上， 針對(duì)目前橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)中存在的問(wèn)題，提出采用水下機(jī)器人，結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)進(jìn)行損傷檢測(cè)與診斷的新技術(shù)，并對(duì)其在我國(guó)的應(yīng)用前景進(jìn)行評(píng)估。1橋梁水下基礎(chǔ)常規(guī)檢測(cè)方法1．1 超聲脈沖檢測(cè)法 超聲波法是在樁基混凝土灌注前，沿樁的長(zhǎng)度 方向預(yù)埋若干根平行的檢測(cè)用管道，作為超聲脈沖發(fā)射和接收探頭的通道；管內(nèi)充滿(mǎn)清水等偶合劑，將檢測(cè)探頭分別在2個(gè)管子中同步上下移動(dòng)，由儀器發(fā)出周期性電脈沖，逐點(diǎn)測(cè)出樁基沿不同深度橫截面上超聲脈沖穿透混凝土?xí)r的各項(xiàng)參數(shù)（聲時(shí)、波幅、主頻、波形以及頻譜等），根據(jù)所測(cè)參數(shù)由相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行綜合判斷和分析，以判斷樁基混凝土各斷面是否存在缺陷及缺陷 的性質(zhì)、大小和位置，同時(shí)評(píng)價(jià)混凝土的總體均勻性和強(qiáng)度等級(jí)指標(biāo)。超聲脈沖檢測(cè)法主要用于樁基礎(chǔ)檢測(cè)，其可對(duì)直徑為0．6～1．0m樁的樁身進(jìn)行完整性檢測(cè)，且不受樁長(zhǎng)的限制。近年來(lái)由于測(cè)試儀器和方法不斷完善，故其應(yīng)用較為廣泛。江陰長(zhǎng)江大橋所有382根鉆孔灌注樁均逐根采用了超聲波法進(jìn)行檢測(cè)，收到了較好效果。1．2鉆孔取芯法 該方法直接在灌注樁上鉆取圓柱形芯樣，用局部區(qū)域（芯樣）的混凝土強(qiáng)度代表樁身混凝土強(qiáng)度，通過(guò)取芯過(guò)程和芯樣觀察（包括切片），對(duì)樁身完整 性進(jìn)行描述。該方法是一種半破損檢測(cè)法，芯樣直徑一般不小于骨料zui大粒徑的3倍，高徑比應(yīng)在 1～2范圍內(nèi)。采用該方法雖然可直接得到檢測(cè)結(jié)果，但檢測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，費(fèi)用高，且不能全面診斷樁基混凝土的內(nèi)部缺陷。1．3 水下目視檢測(cè)法 水下目視檢測(cè)法是一種純粹的人工作業(yè)法，是由潛水員攜帶水下攝影機(jī)潛入水底對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行拍攝，并親手逐個(gè)摸索檢測(cè)區(qū)，切身感受是否出現(xiàn)裂痕或破損等病害。由于能見(jiàn)度的影響，與陸上目視檢測(cè)法相比，水下目視檢測(cè)法需要通過(guò)水下照明系統(tǒng)取得立體和本色圖像。因此，在水深30m以?xún)?nèi)的作業(yè)區(qū)要用人工補(bǔ)償（如色譜照明光）記錄結(jié)構(gòu)圖像，在深水區(qū)則隨著深度增加依次采用石英碘燈、水銀蒸氣燈、鉈碘燈、鏑碘燈與高壓鈉燈等進(jìn)行泛光照明，以觀測(cè)和記錄基礎(chǔ)表面的狀態(tài)，
為是否
 
需作進(jìn)一步的檢測(cè)提供依據(jù)。該方法是一種zui基本 且非常重要的方法，已在杭州灣跨海大橋水下基礎(chǔ)檢測(cè)中得到應(yīng)用。1．4 低應(yīng)變法（反射波法） 該方法是在樁頂安放速度傳感器并在樁頂施加豎向激振力，產(chǎn)生的彈性波沿樁身向下傳播，當(dāng)下行 的彈性波在樁身存在明顯的波阻抗界面（如樁底、斷樁、縮徑、擴(kuò)徑或離析等部位），就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上行反射波；檢測(cè)儀器將接收到的反射波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可識(shí)別樁身不同部位的反射信息，并根據(jù)反射波形的正負(fù)極性和幅度大小及其隨時(shí)間的變化 特征， 可判斷樁身的完整性和樁基混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。由于該方法測(cè)試速度快，且能較為準(zhǔn)確地判斷較嚴(yán)重的缺陷，故常被用于帶有“普查”性質(zhì)的逐樁檢測(cè)中。2 目前橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)中存在的問(wèn)題 上述幾種橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)方法中，每種方法 都或多或少存在著一些缺陷。超聲波法雖然穿透能 力強(qiáng)、 檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作使用方便，但其檢測(cè)結(jié)果易受混凝土中的鋼筋和水分的影響；超聲法檢測(cè)無(wú)論是理論上還是在實(shí)際檢測(cè)中都有很多不完善之處。鉆芯法具有直觀、準(zhǔn)確、代表性強(qiáng)的特點(diǎn)，但它對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有局部破損，且對(duì)于位于深水區(qū)的基礎(chǔ)，由于取芯速度較慢，要想取出完整的芯樣則非常困難。水下目視檢測(cè)法不僅要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且還很容易受到環(huán)境的影響；對(duì)于水下能見(jiàn)度較低（尤其是水質(zhì)渾濁）的區(qū)域，即使派有經(jīng)驗(yàn)的潛水 員， 也很難保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。橋梁水下基礎(chǔ)可分為2部分：河床以下和河床以上。對(duì)于介于河床以上與水面以下之間的橋梁基礎(chǔ)部分， 其混凝土缺陷中的空隙常被水充滿(mǎn)，如使用超聲波法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，則很難保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn) 確性；而對(duì)于河床以下的橋梁基礎(chǔ)， 鉆芯檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等方法又幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于既有橋 梁， 由于樁頂被承臺(tái)覆蓋，傳統(tǒng)的通過(guò)分析實(shí)測(cè)樁頂加速度響應(yīng)信號(hào)的特征來(lái)進(jìn)行樁基檢測(cè)的反射波法難以使用。此外，目前使用的橋梁損傷檢測(cè)方法大多是依靠人工來(lái)完成的，對(duì)于處于深水區(qū)的橋梁基礎(chǔ)，由于有些區(qū)域水流湍急，氣候環(huán)境惡劣，人工檢測(cè)很難進(jìn)行。3 橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)新技術(shù) 由于現(xiàn)有的橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)方法本身存在缺 陷， 且應(yīng)用這些方法時(shí)也存在諸多困難，因此可運(yùn)用自動(dòng)化設(shè)備的研究成果（如水下機(jī)器人）來(lái)進(jìn)行橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合目前橋梁健康監(jiān)測(cè)研究中較為*損傷識(shí)別技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和綜合診斷，從而建立一個(gè)完整的橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)、 診斷與評(píng)估體系。水下機(jī)器人是集水下高技術(shù)于一體的儀器設(shè)備，它集成了動(dòng)力電源、控制、推進(jìn)、導(dǎo)航等儀器設(shè)備，還按照不同的應(yīng)用目的相應(yīng)配置了不同類(lèi)型的探測(cè)儀器。水下機(jī)器人是人類(lèi)智能和各種感官、器官在水下的延伸， 可利用水下機(jī)器人進(jìn)行水下檢測(cè)和研究作業(yè)，去完成人類(lèi)肌體無(wú)法適應(yīng)的各種水下 環(huán)境的檢測(cè)、 探索和研究。目前已研制的觀測(cè)型水下機(jī)器人可應(yīng)用于代替潛水員觀察和水下設(shè)施檢測(cè)等方面。因而，在橋梁水下基礎(chǔ)的檢測(cè)過(guò)程中，可考 慮以遙控水下機(jī)器人為載體， 在機(jī)器人上配備淺剖聲吶、高頻成像聲吶等檢測(cè)傳感器，使之成為一個(gè)裝備有聲、光、電等多種*傳感器的綜合體，去實(shí)現(xiàn) 橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集。 對(duì)于通過(guò)水下機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和綜合診斷，可采用工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究中提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專(zhuān)家系統(tǒng)。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已成功應(yīng)用了濾波、 譜估計(jì)、信號(hào)檢測(cè)、系統(tǒng)辨識(shí)、模式識(shí)別等技術(shù)，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法可有效避免高噪音 干擾和模式損失等不利因素。由于橋梁水下基礎(chǔ)損傷檢測(cè)難以獲得完備的檢測(cè)數(shù)據(jù)， 然而利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，并結(jié)合小波分析法，可提取基礎(chǔ)損傷特征 和處理檢測(cè)信號(hào)。利用有限的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在無(wú)數(shù)學(xué)模型的情況下，可根據(jù)不完備的數(shù)據(jù)識(shí)別較好地解決非線性和不確定性引起系統(tǒng)的辨識(shí)問(wèn) 題。目前， 基于誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF）、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ART）等已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的準(zhǔn)確性是與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的完整程度有很大的關(guān)系，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集越完整則其準(zhǔn)確性越高。此外，橋梁水下基礎(chǔ)的缺陷診斷與評(píng)估可考慮結(jié)合使用專(zhuān)家系統(tǒng)。如果僅有深厚的理論基礎(chǔ)而沒(méi)有豐富的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，或僅有豐富的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)而沒(méi)有深厚的理論基礎(chǔ)，則診斷與評(píng)估結(jié)果往往會(huì)發(fā)生較大偏離。因?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具備學(xué)習(xí)能力，但不具備解釋能力；而專(zhuān)家系統(tǒng)是基于符號(hào)的推理系統(tǒng)，雖 具備解釋功能， 但獲取知識(shí)困難，因此將專(zhuān)家系統(tǒng)和27公路交通技術(shù)2012
年

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，建立損傷智能診斷系統(tǒng)，可 綜合診斷橋梁水下基礎(chǔ)病害。4 應(yīng)用前景分析 橋梁水下基礎(chǔ)的損傷、裂縫致使橋梁塌覆將造 成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，橋梁水下基礎(chǔ)的健康狀況不僅直接影響到經(jīng)濟(jì)效益，而且關(guān)系到人的生命安全。如2000年8月27日，位于中國(guó)臺(tái)灣省連接高雄與屏東重要通道上的高屏大橋發(fā)生一起16輛 汽車(chē)墜入河中， 22人受傷的慘劇。原因是該橋基礎(chǔ)早已裸露，臺(tái)風(fēng)造成河水暴漲，橋基被沖垮，導(dǎo)致橋 梁下陷斷裂。隨著各國(guó)對(duì)交通運(yùn)行安全性要求的不斷提高，對(duì)橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷增大，對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)的可靠性要求以及健康狀況評(píng)價(jià)精度也越來(lái)越高，對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)進(jìn)行定期檢測(cè)與維護(hù)已成為必然的要求。因此，橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)新技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，而加快這一技術(shù)的研究和應(yīng)用具有如下重要意義： 1）可減少檢測(cè)時(shí)間，節(jié)省檢測(cè)費(fèi)用。橋梁水下基礎(chǔ)需要定期檢測(cè)，如果每次檢測(cè)都靠潛水員來(lái)完成， 則必將耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，利用水下機(jī)器人等*設(shè)備的檢測(cè)相比人工檢測(cè)更具有經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。 2）可保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)，增加橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。通過(guò)對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)的定期檢測(cè)，對(duì)病害嚴(yán)重的基礎(chǔ)及時(shí)給予補(bǔ)救措施，可避免因裂紋和損傷的不斷擴(kuò)大而引起的橋梁zui終坍塌。 3）可縮小我國(guó)與國(guó)外橋梁無(wú)損檢測(cè)水平的整體差距。目前我國(guó)尚未*成熟應(yīng)用橋梁水下基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，還需利用自身的優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)跟蹤研究，爭(zhēng)取獲得重大的技術(shù)突破。5 結(jié)論與展望 從國(guó)內(nèi)外水下基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀看，橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)新技術(shù)還不*成熟，需要不斷研究和完善。鑒于其在保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)方面具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行研究： 1）加強(qiáng)橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)與評(píng)估中計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、損傷識(shí)別技術(shù)以及*信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用研究。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)橋梁需進(jìn)行健康診斷和評(píng)估，而水下基礎(chǔ)的檢測(cè)受環(huán)境條件限制， 難以進(jìn)行有效檢測(cè)與評(píng)估。因此，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、損傷識(shí)別技術(shù)（包括基于動(dòng)力特性的損傷識(shí)別技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）以及*信號(hào)處理技術(shù)（如小波分析技術(shù)）對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估具有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，不斷提高橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)的數(shù)字化和智能化水平。 2）加強(qiáng)橋梁水下基礎(chǔ)檢測(cè)與評(píng)估用檢測(cè)儀器、設(shè)備和自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)（包括水下機(jī)器人）的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。應(yīng)借鑒水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的研究成果， 不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用橋梁水下基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備、儀器和自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。