談橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)的重要性及方法

楊 華

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西晉中 030600)

0 引言

國(guó)內(nèi)高速公路的通車公里數(shù)突飛猛漲，橋梁在使用過(guò)程中的各項(xiàng)功能如安全性、耐久性等都受到人們的高度關(guān)注。橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)方面都引起了人們的高度重視并加強(qiáng)了管理、提高了質(zhì)量，逐步開(kāi)展了對(duì)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究。近年來(lái)大型橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)估領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況的評(píng)估和對(duì)橋梁實(shí)時(shí)健康檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1 橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

由于自然環(huán)境的作用和建設(shè)材料隨時(shí)間各種性能也隨之退化，導(dǎo)致橋梁在建造和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的損傷，若損傷得不到及時(shí)檢查及維修，會(huì)使橋梁影響行車安全甚至垮塌，導(dǎo)致橋梁使用壽命縮短。只有加強(qiáng)對(duì)橋梁健康檢測(cè)和安全評(píng)估的管理意識(shí)，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性，所以提出對(duì)橋梁施工、養(yǎng)護(hù)、管理等工作要實(shí)施合理的方法更為重要。

2 橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)的重要性

近年來(lái)隨著交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展壯大，橋梁在設(shè)計(jì)和建設(shè)的跨度越來(lái)越大，功能和形式更加復(fù)雜并多樣化，以及國(guó)家在橋梁建設(shè)所花費(fèi)的巨大投資將會(huì)極大的刺激國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始國(guó)內(nèi)外多個(gè)國(guó)家越來(lái)越重視到橋梁的安全評(píng)估和健康檢測(cè)工作。例如，丹麥在大橋施工階段以及大橋首次通車時(shí)對(duì)總長(zhǎng)為1 726 m的Faroe跨海斜拉大橋進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)估;墨西哥有一座總長(zhǎng)為1 543 m的名叫Tampico斜拉橋，對(duì)大橋進(jìn)行了傳統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)并對(duì)大橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)試。例如英國(guó)橋長(zhǎng)為522 m的Foyle橋，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是較早的也是較為完整的，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析。美國(guó)Sunshine Skyway Bridge斜拉橋(主跨440 m)、加拿大Confederation Bridge橋、英國(guó)Flint shire獨(dú)塔斜拉橋(主跨194 m)等橋梁都典型地建立健康檢測(cè)系統(tǒng)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始我國(guó)上海徐浦大橋、虎門大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、武漢陽(yáng)邏公路的大橋，蘇通大橋都建立了健康檢測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng);江蘇潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)更加全方位，它的檢測(cè)包括:對(duì)地動(dòng)脈、大橋的車流量、橋址處的氣候環(huán)境(風(fēng)向、風(fēng)速)、道路車輛荷載狀況(車載、車流量、車速)、索塔沉降等。

3 橋梁健康檢測(cè)內(nèi)容、依據(jù)及方法

橋梁健康檢測(cè)內(nèi)容及依據(jù)主要有:1)荷載:由風(fēng)、溫度、地震和交通等引起的荷載。用以記錄風(fēng)向、風(fēng)速等進(jìn)程和歷史的風(fēng)速儀，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后可以算出風(fēng)功率譜;用以記錄車流通過(guò)橋梁的時(shí)程歷史，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)處理后可計(jì)算出交通荷載譜的動(dòng)態(tài)地秤;用以記錄溫度和溫差時(shí)程歷史的溫度計(jì);用以記錄地質(zhì)作用和地震作用的強(qiáng)震儀;用以記錄橋梁上車流情況和橋梁上的交通事故的攝像機(jī)。2)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力反應(yīng):用力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷等測(cè)力計(jì)記錄主纜、錨桿和吊桿的張力歷史;用位移計(jì)、傾角儀記錄結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力變形和轉(zhuǎn)角、支座和伸縮縫靜動(dòng)力相對(duì)位移歷史;用加速度計(jì)記錄結(jié)構(gòu)各部位的反應(yīng)加速度及結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù);用應(yīng)變儀記錄橋梁構(gòu)件的靜動(dòng)力應(yīng)變和應(yīng)力。3)幾何監(jiān)測(cè):對(duì)橋梁各部位的靜態(tài)位移和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所使用傳感器有:位移計(jì)、GPS、傾角儀、數(shù)字像機(jī)、電子測(cè)距儀(EDM)等。

橋梁健康檢測(cè)的主要方法有:1)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)。在確?；炷恋慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件不被破壞的前提下，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件原位處直接進(jìn)行混凝土強(qiáng)度及缺陷的定量檢測(cè)。常用的無(wú)損檢測(cè)包括如鉆芯、射釘或拔出等局部破損的檢測(cè)技術(shù)和方法。2)混凝土結(jié)構(gòu)半破損檢測(cè)。利用拔出儀將埋置于混凝土表面層的錨桿拉拔出來(lái)，再依據(jù)所得到的混凝土拉拔強(qiáng)度值，進(jìn)而推算出混凝土的整體抗壓強(qiáng)度。此方法的原理是對(duì)混凝土的基本力學(xué)特性直接進(jìn)行測(cè)定，故測(cè)得的數(shù)據(jù)一般較為可靠，目前我國(guó)也對(duì)半破損檢測(cè)方法制定了標(biāo)準(zhǔn)。3)鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)。在不損害、不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，利用聲、光、磁和電等特性，看被檢對(duì)象中是否存在不均勻或其他缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，判定被檢對(duì)象的技術(shù)狀態(tài)是否合格及其剩余壽命，利用這些技術(shù)手段對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。常用的方法有:超聲檢測(cè);射線檢測(cè);磁粉檢測(cè);滲透檢驗(yàn)。4)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)由于能獲得可靠的質(zhì)量、較高的單樁承載力和施工效率，并且綜合造價(jià)也較低，目前在全國(guó)范圍內(nèi)的很多地區(qū)都得到極其廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的檢測(cè)階段具體分為三部分，第一階段是試樁檢測(cè)，第二階段是施工監(jiān)控，第三階段則是驗(yàn)收檢測(cè)。

4 橋梁安全評(píng)價(jià)

4.1 橋梁安全的耐震評(píng)價(jià)

高速公路的路基、橋梁、隧道及防護(hù)工程在施工階段對(duì)防震都采取了相應(yīng)的措施和對(duì)策。日本針對(duì)地震震坍護(hù)坡的實(shí)例，發(fā)明了通過(guò)護(hù)坡耐震模型振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行原因分析，其分析結(jié)果有兩個(gè):1)破壞要素可能有護(hù)坡高度、坡頂土層厚度、護(hù)坡土質(zhì)狀況、土質(zhì)粘著力等;2)地震不同震級(jí)的震坍點(diǎn)會(huì)引起護(hù)坡發(fā)生變形或震坍，因?yàn)檎鹛c(diǎn)是為其2倍左右的加速度。

4.2 橋梁安全的荷載評(píng)價(jià)

荷載的作用可導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，也是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)病害發(fā)展的最主要的原因。荷載過(guò)大會(huì)使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，承載力不足會(huì)使構(gòu)件變形或受力裂縫過(guò)寬，導(dǎo)致橋梁的正常使用，同時(shí)還能加劇結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕，尤其是混凝土受拉區(qū)的鋼筋。

橋梁荷載試驗(yàn)是指對(duì)橋梁進(jìn)行加載，然后測(cè)得橋梁加載后的數(shù)據(jù)變化，通過(guò)試驗(yàn)，可以了解橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)。從而可以判定橋梁結(jié)構(gòu)的形變以及應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)的要求，還可以尋求橋梁整體結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況和工作狀況，可以給橋梁投入運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)及管理提供科學(xué)依據(jù)，舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)還可以給橋梁進(jìn)行技術(shù)加固提供依據(jù)。

4.3 橋梁安全的河川耐洪能力評(píng)價(jià)

根據(jù)查閱國(guó)內(nèi)對(duì)河川橋梁沖刷相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)橋梁受洪水沖刷時(shí)，影響橋梁安全的危害程度的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并區(qū)分為橋梁環(huán)境影響程度指標(biāo)及橋梁耐洪能力危害度指標(biāo)，確認(rèn)評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)目，完成本方法之評(píng)估目標(biāo)及層級(jí)架構(gòu)。再以層級(jí)分析法通過(guò)專家問(wèn)卷方式進(jìn)行各指標(biāo)項(xiàng)目之權(quán)重，權(quán)重決定后與指標(biāo)項(xiàng)目?jī)?nèi)容評(píng)分分?jǐn)?shù)相乘，即得各指標(biāo)分?jǐn)?shù)。以橋梁環(huán)境影響程度指標(biāo)為縱軸，橋梁耐洪能力危害度指標(biāo)為橫軸，得到橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣圖，即完成本研究之橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策模式。

橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策模式建立后，搜集國(guó)內(nèi)北部、中部、南部河系上橋梁基本數(shù)據(jù)、河川水文數(shù)據(jù)及評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析，得各橋梁之風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)之風(fēng)險(xiǎn)排序，評(píng)估結(jié)果再與橋梁主管機(jī)關(guān)之養(yǎng)護(hù)橋梁工程司進(jìn)行排序之比較，依本方法之風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估排序皆與專家依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷之排序相符。暨有公路橋梁耐洪初評(píng)項(xiàng)目系將環(huán)境影響程度與橋梁耐洪能力危害度合并評(píng)估，本方法將環(huán)境影響程度與橋梁耐洪能力危害度分開(kāi)評(píng)估，可得到較精確結(jié)果，提供橋梁主管機(jī)關(guān)于臺(tái)風(fēng)暴雨前，對(duì)轄管橋梁進(jìn)行橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，排序橋梁危險(xiǎn)之優(yōu)先級(jí)。

4.4 土石流橋梁安全評(píng)價(jià)

泥石流(Debris flow)，又稱土石流，是指在地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，比如山區(qū)或者其他溝谷深壑等，由于暴雨暴雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)的攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流。泥石流具有突然性、流量大、流速快、物質(zhì)容量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。發(fā)生泥石流常常會(huì)沖毀公路等交通設(shè)施甚至村鎮(zhèn)等，造成巨大損失。

5 結(jié)論與建議

近年來(lái)，許多國(guó)家的橋梁在設(shè)計(jì)階段就考慮到健康檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施以及安全狀態(tài)評(píng)估手段的研究。致使橋梁結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)和安全評(píng)估已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，2003年7月在瑞士國(guó)際橋梁協(xié)會(huì)已制訂了有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的國(guó)際規(guī)程，作為指導(dǎo)和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

大跨橋梁對(duì)新材料、新技術(shù)的大量應(yīng)用，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，必須緊密的結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、地理環(huán)境、監(jiān)測(cè)目標(biāo)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、歸檔及結(jié)構(gòu)健康狀況的評(píng)估等，進(jìn)行先進(jìn)的總體技術(shù)設(shè)計(jì)與研究，才能確保大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)真正為橋梁健康評(píng)估和養(yǎng)護(hù)維修發(fā)揮出它的功效。

[1]章關(guān)永.對(duì)結(jié)構(gòu)材料和橋梁進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)有技術(shù)[J].國(guó)外橋梁，2000(2):35-38.

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