中、小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁健康監(jiān)測技術(shù)分析

韓基剛

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院 遼寧 沈陽 110166）

中、小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁健康監(jiān)測技術(shù)分析

韓基剛

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院 遼寧 沈陽 110166）

隨著橋梁建設(shè)規(guī)模的逐漸增大，大部分預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的病害問題也逐漸顯露出來。本文較深入地探討了預(yù)應(yīng)力無損檢測及局部破損檢測技術(shù)在役預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究進(jìn)展，分析了檢測技術(shù)應(yīng)用中的常見問題，有針對性地提出預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁提高測試精度應(yīng)采用局部破損檢測與無損檢測相結(jié)合的方法，將智能傳感器埋設(shè)于預(yù)應(yīng)力鋼筋中用于長期監(jiān)測混凝土橋梁的應(yīng)力。

混凝土橋梁 健康監(jiān)測 橋梁質(zhì)量

1. 序言

預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展主要體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的建設(shè)中，并使梁式橋梁跨度得到快速增長，自二十世紀(jì)五十年代建設(shè)的萊茵河沃爾姆斯作為突破百米跨度的第一座橋，逐步發(fā)展到二十世紀(jì)末建設(shè)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋已超過300米跨度。預(yù)應(yīng)力發(fā)揮的作用十分明顯，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益，并在各種橋梁結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，不只是促進(jìn)了中小跨度橋梁的發(fā)展，也有力促進(jìn)了大跨度橋梁建造技術(shù)的進(jìn)步。在正常使用的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，因承載頻繁以及超載等作用的影響，再受到一些自然災(zāi)害侵蝕及各類事故影響，很多原因都降低了預(yù)應(yīng)力，輕者使橋梁縮短壽命，嚴(yán)重的將對橋梁安全產(chǎn)生不利影響。在普查德國公路橋梁中，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土橋應(yīng)用達(dá)30年左右的橋梁中有近一半在橋梁上部結(jié)構(gòu)都發(fā)生不成程度的損傷。

目前國內(nèi)公路橋梁中，超過90%都采用混凝土結(jié)構(gòu)，超過75%的橋梁都是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)過使用幾十年后，多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)都發(fā)生老化。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁建成后都發(fā)生混凝土結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象。甚至可能會對正常使用的橋梁結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響，而在一些預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁式橋中相繼產(chǎn)生主拉應(yīng)力裂縫。影響預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁安全的一個最主要因素就是預(yù)應(yīng)力損失，因此，對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件工作性能評價的關(guān)鍵在于存在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的現(xiàn)存應(yīng)力。在生產(chǎn)至安裝使用，預(yù)應(yīng)力都逐漸減少，混凝土收縮徐變、錨具變形與滑移等都是影響因素。結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范，都需要通過試驗才能獲得上述各項預(yù)應(yīng)力損失值，而各項損失值又將伴隨時間而相互發(fā)生作用。另外，如嚴(yán)重超載、自然災(zāi)害或交通事故等因素影響，也增加了估算預(yù)應(yīng)力損失值的不確定性。所以，檢測混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力不管對于評定橋梁結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計分析橋梁結(jié)構(gòu)都具有重要指導(dǎo)作用。

2. 預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

對橋梁結(jié)構(gòu)使用性能產(chǎn)生影響的一個主要指標(biāo)就是預(yù)應(yīng)力的持久應(yīng)力大小，無損檢測和局部破損檢測是國內(nèi)外普遍采用有效的兩類預(yù)應(yīng)力檢測方法。

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

無損檢測是在對被檢測構(gòu)件不產(chǎn)生損傷的情況下，利用專業(yè)設(shè)備對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部特征進(jìn)行探測，進(jìn)而對橋梁整體性能進(jìn)行推定。主要檢測方法有以下幾種：一是聲發(fā)射技術(shù)。該技術(shù)在美國應(yīng)用比較廣泛，很多學(xué)者都利用該技術(shù)對影響預(yù)應(yīng)力損失的時效性和錨固端的滑移進(jìn)行分析，但距離實際應(yīng)用還存在較大差距。二是電磁效應(yīng)檢測法。主要分為渦流、測漏磁和磁粉檢測三種方法，檢測利用磁場變化原理，基于磁通量泄漏原理對預(yù)應(yīng)力筋損失的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行檢測。應(yīng)力變化時因物體伸縮導(dǎo)致磁通在磁路中發(fā)生變化，并引起感應(yīng)電流在感應(yīng)器線圈中變化，據(jù)此對應(yīng)力變化進(jìn)行測定。三是超聲波檢測法。該方法是無損檢測法中發(fā)展最快的，國外研究人員依據(jù)通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線后超聲波的頻率變化對其拉應(yīng)力進(jìn)行推斷。在不具有應(yīng)力作用時，在各向同性的彈性體內(nèi)超聲波傳播速度與有應(yīng)力作用時存在差異，利用對超聲波波速與應(yīng)力之間關(guān)系的研究實現(xiàn)對構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的測量。從理論中，超聲波具有足夠大的發(fā)射功率，能夠?qū)⑷我夂穸却┩?，所以，對于大型?gòu)件現(xiàn)存應(yīng)力的測量比較適合，但達(dá)不到較高測量精度低，只能對高值現(xiàn)存應(yīng)力測試，目前還在試驗研究中。從原理上來說，很多無損檢測方法都屬于間接檢測方法，其測試精度還需要不斷進(jìn)行提高。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土局部破損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

局部破損檢測主要是采用儀器試驗構(gòu)件局部損傷情況，結(jié)合獲得到的數(shù)據(jù)，對構(gòu)件整體性能進(jìn)行推定的一種檢測方法，主要有預(yù)應(yīng)力筋直接檢測技術(shù)和應(yīng)力釋放兩種檢測方法。預(yù)應(yīng)力筋直接檢測技術(shù)是將傳感器布置在預(yù)應(yīng)力筋上，直接對預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測量。粘貼光纖光柵傳感器目前采用較多，為有效避免孔道摩擦和擠壓引起的數(shù)據(jù)失真，應(yīng)深入研究傳感器復(fù)合工藝。應(yīng)力釋放法是利用機(jī)械切割釋放約束產(chǎn)生的應(yīng)力，對切割前后的構(gòu)件應(yīng)變進(jìn)行測試，進(jìn)而結(jié)合材料本構(gòu)關(guān)系獲得構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)。有關(guān)學(xué)者在預(yù)應(yīng)力混凝土梁中應(yīng)用試驗、理論推導(dǎo)和有限元分析方法推算有效預(yù)應(yīng)力，目前還局限于單點應(yīng)力釋放，測試精度不超過90%。該方法最早在測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘余應(yīng)力中進(jìn)行應(yīng)用，利用對構(gòu)件分割前后位移和應(yīng)變的測量，經(jīng)換算得到應(yīng)力。在金屬材料尤其是測試鋼材殘余應(yīng)力方面應(yīng)用比較廣泛，目前逐漸引入到測試混凝土等材料的應(yīng)力中。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果顯示，應(yīng)力釋放法應(yīng)用于混凝土構(gòu)件應(yīng)力的測試還處于初步研究階段，只針對軸心受壓的小構(gòu)件試件。因受力不復(fù)雜，條件比較易于實現(xiàn)，很多試驗均基于理想狀態(tài)下，沒有考慮實際應(yīng)用中干擾因素。所以，若對應(yīng)力釋放法測試結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存應(yīng)力開展深入研究，就需要結(jié)合橋梁實際結(jié)構(gòu)模型，以及各種影響因素，在實際工程中才能應(yīng)用好相關(guān)研究成果。

3. 預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)應(yīng)用難點

對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁檢測持久應(yīng)力盡管取得一些進(jìn)展，但在具體應(yīng)用中，也存在一些技術(shù)難點，主要體現(xiàn)在：一是測試精度需不斷提高。在測試精度方面，應(yīng)力釋放法相對于其它測試方法具有一定優(yōu)勢，但目前國內(nèi)外還局限于單點釋放應(yīng)力，測試精度不超過90%，難以對現(xiàn)存持久應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測試，難以準(zhǔn)確評價預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及承載能力。二是應(yīng)力釋放法還有待于深入研究。因該方法具有較強(qiáng)的現(xiàn)場操作性，設(shè)備價格不高，盡管破壞部分結(jié)構(gòu)，但對橋梁整體性能不會產(chǎn)生影響。所以，該方法對于測試預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存應(yīng)力比較可行，但因混凝土材料不均勻、切割時受多種因素影響等原因，有關(guān)參數(shù)與預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系還有待于深入研究。三是國內(nèi)外學(xué)者利用將傳感器安裝到錨固端實現(xiàn)對錨具受壓狀態(tài)的測量，而得到預(yù)應(yīng)力變化值，但該方法難以獲得預(yù)應(yīng)力筋分布應(yīng)力的情況，受預(yù)應(yīng)力管道摩阻等影響，難以獲得混凝土持久應(yīng)力狀態(tài)。

4. 總結(jié)

綜上所述，通過比較國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁健康監(jiān)測技術(shù)及方法，可發(fā)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁持久應(yīng)力還依然存在測試精度低、測試方法不夠完善等技術(shù)難點。因此，可建議結(jié)合局部破損檢測方法和無損檢測方法，有效測試預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的持久應(yīng)力。而且，將智能傳感器埋設(shè)于預(yù)應(yīng)力鋼筋中才能長期監(jiān)測該類橋梁預(yù)應(yīng)力的持久應(yīng)力。

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K928

B

1007-6344（2015）12-0182-01

韓基剛（1982—），男，遼寧大連人，研究方向：大跨徑及中小跨徑橋梁健康或安全運(yùn)營監(jiān)測。

1.本文系遼寧省交通廳科技項目，基金號201514,基金名稱：適合東北地區(qū)的低成本橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.本文系遼寧省高速公路科研項目，基金號201409,基金名稱：預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋安全運(yùn)營監(jiān)測實用技術(shù)研究