移动红外扫描替代传统桥梁检测方法的高科技、高精度备选方案

土木工程师目前面临的一大难题是：美国境内有成千上万座桥梁的使用年限早已超过了其50年的设计寿命。

据美国联邦公路管理局(FHWA)透露，在美国境内的611,845座桥梁中，有约1/4存在结构性缺陷或在功能上陈旧过时。这些桥梁将需要进行大幅的维护、维修或更换，在未来12年里预计每年支出的成本将高达205亿美元。

现阶段用于识别混凝土桥面结构性缺陷的传统方法不但费时、准确性不高，而且难以保障检测人员和司机的人身安全。这些方法依靠调查人员的主观评估，也要求在调查期间关闭桥梁车道，造成交通堵塞或严重迟缓。但是，高科技的方法将移动红外热像仪与分析软件相结合，提供了更安全、更客观的解决方案。

识别桥梁脱层

造成混凝土桥梁损坏的两大主要因素是混凝土的脱层和开裂。脱层指的是混凝土分裂为多层或表面涂层与基层脱离。内嵌的钢筋会随着时间的推移发生腐蚀，导致膨胀，使混凝土横向分裂为多层(脱层)或分裂成块，在损坏区域上发生折断(开裂)。


找出混凝土脱层问题通常涉及无损检测(NDT)形式，称作链条拖拽声学检测。检测人员会拖着一根重链通过桥面，仔细倾听脱层区域发出的独特空响声。然后，检测人员会用该等数据创建一张桥面的脱层图。

链条拖拽法有不少缺点。检测人员经常需要沿着空车道进行检测作业，车流噪音会令链条在通过脱层混凝土时发出的声响难以辨别。此外，链条拖拽法在极大程度上要依靠检测人员的专业知识和经验，这样就会比较主观，也可能降低准确性。

替代链条拖拽声学检测方法的高科技备选方案使用车载热像仪可精确定位混凝土桥面上的脱层区域。

笔记本电脑显示了通过NEXCO-West的IrBAS软件产生的红外实时流数据。

用于创建桥面缺陷图的热图像

NEXCOWest USA公司开发了这种无损探伤检测技术，将FLIR制冷型红外热像仪拍摄的图像结合到由NEXCO-West专用软件创建的地图上。公司工程师正与中佛罗里达大学合作开发供美国各州公路管理机构在美国境内使用的高效、客观的桥梁检测规程。

安全、高效、移动的方法

NEXCO-West USA公司总裁兼首席执行官Masato Matsumoto表示：“NEXCOWest公司的桥面脱层检测方法是一种利用安装在车顶的红外热像仪进行的移动式检测方法。我们的方法不要求关闭车道或降低限速，因此，能在保持交通顺畅的同时，保障检测人员的人身安全。”

NEXCO-West的移动调查装备。

通常在白天或太阳落山后几个小时内进行扫描，这个时候可以观察到大量的温度变化。举例来说，下午受热升温的混凝土桥面，会在太阳落山后开始慢慢降温，形成了可测量的温度变化。虽然，大部分桥面会均匀升温或降温，但脱层会破坏传热通路。在白天，混凝土桥面损伤部位白天的升温速度更快，而在夜间的降温速度也快得多，这些迹象均可以被红外热像仪轻松检测到。

红外热像仪检测到的桥面可见光脱层图像、脱层原始图像和经过处理的脱层图像。

在以50英里时速驶过桥面时通过车载红外热像仪完成检测。Matsumoto表示，用红外热像仪在全长一英里的桥面上全程扫描一条车道只需短短几分钟。

NEXCO-West公司扫描系统内所采用的红外热像仪产品是FLIR A6701sc制冷式中波科研型红外热像仪。


Matsumoto解释称：“我们使用A6700系列红外热像仪的原因是这款热像仪能在高速行驶的过程中拍摄高分辨率的清晰热图像。这款热像仪搭载的制冷型锑化铟探测器的积分时间可短至0.48 μs，帮助作业团队记录像素高达640 x 512的清晰热图像，不会出现任何动态模糊。”

Matsumoto表示，他们通常会将热像仪帧频设置在10Hz，在高速行驶的状态下每2米就能记录一张清晰的热图像。如果将热像仪连接至正在运行NEXCO-West公司红外桥梁评估(IrBAS)软件的笔记本电脑后，团队可以看到实时分析信息，并识别潜在的脱层区域。

完好混凝土桥面和损坏混凝土桥面的温差示例

数据处理

作业团队收集了桥面每条车道的相关数据后，便会开始处理这些数据。Matsumoto指出：“大部分的数据分析和报告流程由IrBAS软件自动进行，在绘制缺陷图时可以节省大量的时间和成本。”

桥面的热扫描图(左图)和经过IrBAS处理过的用于创建桥面缺陷图的热图像(右图)。

软件使用缺陷图计算发生脱层的桥面区域百分比，然后基于美国州公路及运输协会(AASHTO)的标准对这些工况条件进行分类。

IrBAS软件的受损分类

按损坏程度分成三类：

迹象：脱层等损伤距混凝土表面≥4cm。
示警：脱层等损伤距混凝土表面≥2cm。
危险：脱层达到混凝土表面。

桥面区域归入“迹象”时，则视作符合要求，归入“示警”时，需要密切监控。当归入“危险”时，需要立即采取行动。

让决策更完善，让桥梁更安全

拖拽链条法的主观性及可能存在的不准确性需要对这种传统的桥面检查方式进行复查。红外扫描方式的结果更客观，能支持移动测量，避免了关闭车道的内在不利的劣势，包括安全危险，交通堵塞，排放量增加。

NEXCO-West全面、客观的数据采集方式的另一项优势是能让州公路管理机构长期监测桥梁性能。Matsumoto表示：“NEXCO-West的红外图像能够帮助桥梁管理人员做出以数据为导向的决策，并最终帮助桥梁业主避免代价高昂的灾难性修复。”通过在早先的记录中添加缺陷图，工程师能够确定桥梁的工况与脱层程度，并帮助他们预测恶化发展，规划好桥梁的修复工作。