橋梁檢測基本理論

序

第1 章 橋梁概論與維護管理
1.1 橋梁力學.................................................................................................................. 1-1
1.1.1 橋梁設計載重............................................................................................. 1-1
1.1.2 橋梁之載重作用反應................................................................................. 1-4
1.1.3 材料之載重作用反應................................................................................. 1-8
1.1.4 材料力學................................................................................................... 1-10
1.1.5 橋梁變位................................................................................................... 1-11
1.1.6 橋梁跨徑分類........................................................................................... 1-12
1.1.7 主梁與橋面板之接合型式....................................................................... 1-14
1.2 橋梁構件與系統.................................................................................................. 1-15
1.2.1 橋梁主要構件........................................................................................... 1-15
1.2.2 基本構件型式........................................................................................... 1-15
1.2.3 連接構件................................................................................................... 1-19
1.2.4 橋面板....................................................................................................... 1-20
1.2.5 上部結構................................................................................................... 1-23
1.2.6 支承........................................................................................................... 1-27
1.2.7 下部結構................................................................................................... 1-29
1.3 橋梁材料.............................................................................................................. 1-32
1.3.1 砂石材料................................................................................................... 1-32
1.3.2 石灰和水泥材料....................................................................................... 1-33
1.3.3 混凝土....................................................................................................... 1-34
1.3.4 金屬材料................................................................................................... 1-37
1.4 橋梁安全維護管理.............................................................................................. 1-39
1.4.1 橋梁施工監控........................................................................................... 1-40
1.4.2 橋梁檢測................................................................................................... 1-41
1.4.3 橋梁監測................................................................................................... 1-41
1.4.4 橋梁維護與補強....................................................................................... 1-42
1.5 參考文獻.............................................................................................................. 1-45

第2 章 橋梁之劣化與損傷
2.1 凝土構材之劣化.................................................................................................... 2-1
2.1.1 鋼筋腐蝕..................................................................................................... 2-2
2.1.2 收縮............................................................................................................. 2-5
2.1.3 鹼質-粒料反應............................................................................................ 2-6
2.1.4 硫酸鹽侵蝕................................................................................................. 2-7
2.1.5 酸侵蝕......................................................................................................... 2-8
2.1.6 沉陷及移動................................................................................................. 2-9
2.1.7 磨蝕............................................................................................................. 2-9
2.1.8 凍融........................................................................................................... 2-10
2.1.9 溫度效應................................................................................................... 2-10
2.1.10 突發性加載............................................................................................. 2-12
2.1.11 設計錯誤................................................................................................. 2-13
2.1.12 施工錯誤................................................................................................. 2-15
2.2 鋼構材之劣化...................................................................................................... 2-18
2.2.1 製造缺陷................................................................................................... 2-18
2.2.2 焊接缺陷................................................................................................... 2-18
2.2.3 疲勞應力產生之疲勞裂縫....................................................................... 2-23
2.2.4 鋼材之腐蝕............................................................................................... 2-24
2.2.5 過大之應力、事故或災害造成變形....................................................... 2-25
2.2.6 螺栓鬆動或脫落....................................................................................... 2-26
2.2.7 塗裝劣化................................................................................................... 2-27
2.3 上部結構之損傷模式.......................................................................................... 2-29
2.3.1 橋面板....................................................................................................... 2-29
2.3.2 橋面伸縮縫............................................................................................... 2-31
2.3.3 大梁........................................................................................................... 2-33
2.3.4 支承........................................................................................................... 2-38
2.4 下部結構之損傷模式.......................................................................................... 2-41
2.4.1 橋墩........................................................................................................... 2-41
2.4.2 橋台與翼牆............................................................................................... 2-43
2.4.3 橋梁基礎................................................................................................... 2-44
2.5 特殊橋梁構件之損傷模式.................................................................................. 2-48
2.5.1 I 型梁式鋼橋............................................................................................. 2-48
2.5.2 箱型梁式鋼橋........................................................................................... 2-48
2.5.3 其他型式鋼橋........................................................................................... 2-51
2.5.4 預力混凝土橋系統................................................................................... 2-55
2.5.5 斜張橋系統............................................................................................... 2-57
2.5.6 懸索橋系統............................................................................................... 2-58
2.6 參考文獻.............................................................................................................. 2-60

第3 章 感測器原理
3.1 應變計.................................................................................................................... 3-1
3.1.1 電阻式應變計............................................................................................. 3-1
3.1.2 光纖式應變計............................................................................................. 3-7
3.2 位移感測器.......................................................................................................... 3-10
3.2.1 磁阻變化式位移感測器........................................................................... 3-11
3.2.2 電阻式位移感測器................................................................................... 3-12
3.2.3 渦電流式位移感測器............................................................................... 3-13
3.2.4 光學式位移感測器................................................................................... 3-14
3.3 速度計.................................................................................................................. 3-16
3.4 加速度計.............................................................................................................. 3-22
3.4.1 加速度計原理........................................................................................... 3-22
3.4.1 加速度計型式........................................................................................... 3-23
3.5 壓力計定義........................................................................................................ 3-26
3.5.1 壓力計結構............................................................................................... 3-26
3.5.2 壓力感測器種類....................................................................................... 3-27
3.5.3 壓力感測器性能與特性........................................................................... 3-29
3.6 流量、流速計...................................................................................................... 3-31
3.6.1 流速量測................................................................................................... 3-31
3.6.2 流量量測..................................................................................................... 3-33
3.7 溫度計.................................................................................................................. 3-36
3.7.1 電阻式溫度計........................................................................................... 3-37
3.7.2 電敏電阻溫度計....................................................................................... 3-37
3.7.3 熱電偶溫度計........................................................................................... 3-37
3.8 超音波探頭.......................................................................................................... 3-40
3.8.1 壓電效應................................................................................................... 3-40
3.8.2 壓電材料................................................................................................... 3-40
3.8.3 探頭的基本構造....................................................................................... 3-40
3.8.4 壓電材料厚度與頻率............................................................................... 3-41
3.8.5 超音波之近場與遠場............................................................................... 3-41
3.8.6 超音波探頭的種類................................................................................... 3-41
3.9 參考文獻.............................................................................................................. 3-44

第4 章 應力波檢測原理
4.1 應力波理論.............................................................................................................. 4-1
4.1.1 導論............................................................................................................. 4-1
4.1.2 應力波傳行為............................................................................................. 4-1
4.1.3 應力波源特性............................................................................................. 4-8
4.2 超音波法.............................................................................................................. 4-13
4.2.1 脈波回波(PE)超音波檢測法之原理及應用............................................ 4-13
4.2.2 時差衍射(TOFD)超音波檢測法之原理及應用...................................... 4-16
4.2.3 相控陣超音波檢測(PAUT)法之原理及應用........................................... 4-19
4.3 敲擊回音法.......................................................................................................... 4-25
4.3.1 敲擊回音法之基本原理(反射波之頻域分析法)..................................... 4-25
4.3.2 繞射波時域分析法................................................................................... 4-32
4.3.3 折射波時域分析法................................................................................... 4-38
4.3.4 正規化頻譜分析法................................................................................... 4-45
4.4 音洩法.................................................................................................................. 4-49
4.4.1 音洩法概述............................................................................................... 4-49
4.4.2 儀器設備................................................................................................... 4-50
4.4.3 音洩事件的位置估算............................................................................... 4-53
4.4.3 音洩法目前的應用................................................................................... 4-57
4.5 衝擊反應法.......................................................................................................... 4-60
4.5.1 方法概述................................................................................................... 4-60
4.5.2 基礎理論背景........................................................................................... 4-61
4.6 音波回音法.......................................................................................................... 4-65
4.6.1 概述........................................................................................................... 4-65
4.6.2 基本原理................................................................................................... 4-65
4.6.3 試驗設備與方法....................................................................................... 4-68
4.6.4 音波回音法之優點與限制....................................................................... 4-70
4.6.5 混凝土波傳速度與品質之關係............................................................... 4-72
4.7 跨孔音波檢層法.................................................................................................. 4-73
4.7.1 概述........................................................................................................... 4-73
4.7.2 基本原理................................................................................................... 4-73
4.7.3 試驗設備與方法....................................................................................... 4-75
4.6.4 音波回音法之優點與限制....................................................................... 4-78
4.8 平行震測法.......................................................................................................... 4-80
4.8.1 方法概述................................................................................................... 4-80
4.8.2 理論背景與修正因數............................................................................... 4-83
4.9 超震波法.............................................................................................................. 4-87
4.9.1 原理方法................................................................................................... 4-87
4.10 參考文獻............................................................................................................ 4-91

第5 章 橋梁結構系統振動檢測基本原理
5.1 纜索........................................................................................................................ 5-1
5.1.1 鋼纜側向振動行為..................................................................................... 5-1
5.1.2 索力與振動頻率之關係式......................................................................... 5-2
5.1.3 小結............................................................................................................. 5-6
5.2 動力問題基本要素................................................................................................ 5-8
5.2.1 單質點系統................................................................................................. 5-8
5.2.2 多質點系統................................................................................................. 5-8
5.3 下部基礎結構之一維有限元素模擬.................................................................. 5-11
5.3.1 受土壤束制之軸向振動運動方程式....................................................... 5-11
5.3.2 有限元素數值模擬分析........................................................................... 5-13
5.4 Rayleigh 法近似解............................................................................................... 5-15
5.5 含基礎墩柱之簡易模擬...................................................................................... 5-17
5.5.1 簡易橋墩模型之自然頻率公式............................................................... 5-17
5.6 上部結構之檢測.................................................................................................. 5-19
5.6.1 殘值指標關係的建立............................................................................... 5-19
5.6.2 模態曲率觀念應用於直接損傷定位....................................................... 5-20
5.7 參考文獻.............................................................................................................. 5-26

第6 章 電磁檢測原理
6.1 透地雷達................................................................................................................ 6-1
6.1.1 透地雷達電磁波基本理論......................................................................... 6-1
6.1.2 電磁波的波動方程式................................................................................. 6-2
6.1.3 電磁波入射與反射行為............................................................................. 6-3
6.1.4 電磁波之基本特性..................................................................................... 6-4
6.1.5 電磁波之解析能力..................................................................................... 6-6
6.1.6 電磁波波速分析相對介電常數................................................................. 6-7
6.1.7 電磁波反射界面分析相對介電常數......................................................... 6-8
6.1.8 單一鋼筋尺寸分析原理........................................................................... 6-10
6.1.9 雙排鋼筋尺寸分析原理........................................................................... 6-12
6.1.10 鋼筋界面反射電壓分析原理................................................................. 6-14
6.2 渦電流.................................................................................................................. 6-16
6.3 磁力檢測法.......................................................................................................... 6-22
6.3.1 基本原理................................................................................................... 6-22
6.3.2 磁化現象................................................................................................... 6-22
6.3.3 檢測程序................................................................................................... 6-23
6.3.4 檢測注意事項........................................................................................... 6-24
6.4 地電阻.................................................................................................................. 6-25
6.4.1 施測方法................................................................................................... 6-27
6.4.2 施測參數選定........................................................................................... 6-27
6.4.3 探測步驟................................................................................................... 6-27
6.4.4 資料處理與解析....................................................................................... 6-28
6.5 雷達波.................................................................................................................. 6-32
6.5.1 檢測原理................................................................................................... 6-32
6.5.2 現場檢測應注意事項............................................................................... 6-35
6.5.3 檢測應用實例........................................................................................... 6-37
6.6 參考文獻.............................................................................................................. 6-42

第7 章 化學反應檢測原理
7.1 氯離子含量............................................................................................................ 7-1
7.1.1 概述............................................................................................................. 7-1
7.1.2 影響混凝土氯離子含量因素..................................................................... 7-1
7.1.3 評估混凝土抗氯離子入侵能力的方法..................................................... 7-2
7.2 中性化.................................................................................................................... 7-5
7.2.1 混凝土中性化反應機制............................................................................. 7-5
7.2.2 混凝土中性化之影響因素......................................................................... 7-5
7.2.3 混凝土中性化深度檢測............................................................................. 7-7
7.2.4 混凝土中性化深度預測............................................................................. 7-9
7.3 腐蝕...................................................................................................................... 7-12
7.3.1 半電池電位量測法................................................................................... 7-12
7.3.2 線性極化法............................................................................................... 7-16
7.3.3 交流阻抗測試法....................................................................................... 7-19
7.4 鹼質粒料反應...................................................................................................... 7-21
7.4.1 鹼-骨材反應機制...................................................................................... 7-21
7.4.2 鹼-骨材反應特徵...................................................................................... 7-22
7.4.3 影響鹼-骨材反應膨脹的因素.................................................................. 7-25
7.4.4 裂縫特徵................................................................................................... 7-30
7.4.5 鹼-骨材反應防制方法.............................................................................. 7-31
7.5 參考文獻.............................................................................................................. 7-35

第8 章 光學檢測原理
8.1 3D 雷射掃描法...................................................................................................... 8-1
8.1.1 三維雷射掃描儀系統................................................................................. 8-1
8.1.2 三維雷射掃描原理..................................................................................... 8-1
8.1.3 坐標轉換..................................................................................................... 8-4
8.2 數位反射式光彈法................................................................................................ 8-6
8.2.1 數位反射式光彈法..................................................................................... 8-6
8.2.1 差異化數位反射式光彈條紋處理............................................................. 8-8
8.3 數位照相法.......................................................................................................... 8-11
8.3.1 數位影像量測技術回顧........................................................................... 8-11
8.3.2 二維數位影像相關係數法....................................................................... 8-12
8.3.3 三維數位影像相關係數法....................................................................... 8-15
8.4 參考文獻.............................................................................................................. 8-21

第9 章 放射線檢測原理
9.1 核子密度儀............................................................................................................ 9-1
9.1.1 多重中子測水公式之推論......................................................................... 9-1
9.1.2 半經驗公式的參數推導及檢測步驟......................................................... 9-4
9.2 伽瑪射線檢測原理................................................................................................ 9-7
9.2.1 基本原理..................................................................................................... 9-7
9.2.2 伽瑪射線之衰變......................................................................................... 9-8
9.2.3 放射線檢測法之強度、距離及時間......................................................... 9-8
9.2.4 放射線與物質之作用................................................................................. 9-9
9.2.5 底片黑度..................................................................................................... 9-9
9.2.6 幾何模糊度............................................................................................... 9-10
9.2.7 底片品質................................................................................................... 9-11
9.3 參考文獻.............................................................................................................. 9-12

第10 章 其他檢測
10.1 切槽應力法-Slotstress.......................................................................................... 10-1
10.1.1 方法概述................................................................................................. 10-1
10.1.2 切槽應力法功能介紹............................................................................. 10-2
10.1.3 切槽應力法現地試驗............................................................................. 10-6
10.2 盲孔法.............................................................................................................. 10-11
10.2.1 反射式光彈法與盲孔法原理............................................................... 10-11
10.2.3 實際案例探討....................................................................................... 10-15
10.3 斷層掃描法...................................................................................................... 10-19
10.3.1 級數展開法........................................................................................... 10-19
10.3.2 惠更斯原理........................................................................................... 10-22
10.3.3 線性走時內插法................................................................................... 10-23
10.4 液滲透檢測法.................................................................................................. 10-25
10.4.1 檢測方式............................................................................................... 10-26
10.5 熱感應.............................................................................................................. 10-27
10.5.1 熱放射................................................................................................... 10-27
10.5.2 熱傳遞與分析模式............................................................................... 10-28
10.5.3 紅外線影像裝置的原理....................................................................... 10-32
10.5.4 影像處理與應用實例........................................................................... 10-33
10.6 聲納法.............................................................................................................. 10-38
10.6.1 背景與聲納原理................................................................................... 10-38
10.6.2 運用於水下結構物檢測與成像........................................................... 10-40
10.6.3 困難與解決途徑................................................................................... 10-44
10.7 參考文獻.......................................................................................................... 10-48

第11 章 資料處理與分析
11.1 數據統計法........................................................................................................ 11-1
11.1.1 分析數據前應注意事項......................................................................... 11-1
11.1.2 數據的基本描述..................................................................................... 11-4
11.1.3 常用的檢定方法..................................................................................... 11-8
11.1.3 相關性與迴歸分析............................................................................... 11-12
11.2 訊號與影像處理.............................................................................................. 11-14
11.2.1 波到時間辨識....................................................................................... 11-14
11.3 快速傅立葉轉換(FFT)..................................................................................... 11-20
11.4 小波轉換(WT).................................................................................................. 11-24
11.4.1 小波轉換............................................................................................... 11-24
11.4.2 連續小波轉換(CWT)............................................................................ 11-25
11.4.2 離散小波轉換....................................................................................... 11-26
11.4.3 小波轉換應用....................................................................................... 11-28
11.5 Hilbert-Huang Transform 之基本原理............................................................ 11-31
11.5.1 Hilbert transform 之定義....................................................................... 11-31
11.5.2 經驗模態分解法................................................................................... 11-32
11.5.3 全相經驗模態分解法........................................................................... 11-34
11.5.4 瞬時頻率分析(instantaneous frequency analysis) ................................ 11-37
11.6 特徵正交分解.................................................................................................. 11-44
11.6.1 簡介....................................................................................................... 11-44
11.6.2 數學理論............................................................................................... 11-45
11.6.3 實例應用............................................................................................... 11-46
11.7 系統識別.......................................................................................................... 11-52
11.8 參考文獻.......................................................................................................... 11-59

序

第1 章 橋梁概論與維護管理
1.1 橋梁力學.................................................................................................................. 1-1
1.1.1 橋梁設計載重............................................................................................. 1-1
1.1.2 橋梁之載重作用反應................................................................................. 1-4
1.1.3 材料之載重作用反應................................................................................. 1-8
1.1...