橋梁檢測技術(shù)及其工程實(shí)踐應(yīng)用研究

張學(xué)卿　任子偉

摘 要：目前，我國橋梁的發(fā)展進(jìn)入新建和維修加固并舉的階段，而檢測技術(shù)是對舊有橋梁檢測評估和可靠鑒定的必要前提和依據(jù)。基于無損檢測技術(shù)和動靜載荷試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測試方法，并結(jié)合MIDAS有限元模擬分析，綜合分析評價了某現(xiàn)役鋼筋混凝土“T”形梁橋的工作和運(yùn)營性能。結(jié)果表明，該橋“T”梁構(gòu)件普遍存在裂縫、鋼筋銹脹等破損現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)，實(shí)測振型與頻率和理論計(jì)算值較為一致，承載力滿足汽-15荷載等級要求。檢測技術(shù)探討及其工程應(yīng)用為該橋的養(yǎng)護(hù)維修提供了可靠依據(jù)，并為同類結(jié)構(gòu)的加固改造提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；損傷檢測；載荷試驗(yàn)；性能評價

中圖分類號：TU375.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.006

隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，我國的橋梁事業(yè)已逐步進(jìn)入大規(guī)模新建和維修加固的并舉階段。舊有橋梁在自然環(huán)境、材料性能和使用荷載等多重因素影響下，會產(chǎn)生混凝土裂縫與碳化、鋼筋銹蝕等諸多病害與損傷，加之重型車輛和自然災(zāi)害的影響，鋼筋混凝土橋梁在服役20年后極易發(fā)生安全性和耐久性的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)役橋梁約40%已基本達(dá)到或接近其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，因此，對舊橋的安全性能和結(jié)構(gòu)工作狀況的評估與鑒定顯得非常重要，成為相關(guān)部門的緊要任務(wù)和國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，以確保道路運(yùn)輸樞紐的安全、可靠運(yùn)營。

橋梁同其他土木工程結(jié)構(gòu)相同，其健康診斷主要包括損傷狀態(tài)識別、損傷定位、損傷程度量化和殘余壽命預(yù)測四項(xiàng)內(nèi)容，具體地可分為基于無損檢測技術(shù)和結(jié)構(gòu)測試技術(shù)的結(jié)構(gòu)性能分析與評價兩個層次。

1 基于無損檢測技術(shù)的橋梁特性分析

無損（或微損）檢測是指在不（微）破損結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部狀態(tài)及其使用性能的前提下，利用各種媒介技術(shù)（聲波、超聲波、電磁波、電場、磁場、光、熱和射線等）對結(jié)構(gòu)的表觀和材料進(jìn)行檢測和評定。

1.1 表觀與材料的質(zhì)量檢測

表觀檢查是對橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸、線型走向、結(jié)構(gòu)病害（結(jié)構(gòu)裂縫、結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害）等進(jìn)行檢查與量測，其檢測項(xiàng)目和要求針對不同的橋型具有不同的側(cè)重點(diǎn)，以定量反映橋梁當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀況和滿足依據(jù)相關(guān)規(guī)范評定橋梁技術(shù)等級的要求。材料檢測主要包括混凝土的強(qiáng)度等級、裂縫寬度及深度、碳化深度、與耐久性有關(guān)的含堿量和氯離子含量以及鋼筋的直徑和位置、銹蝕狀況、保護(hù)層厚度測試等。

根據(jù)表觀檢查和材料檢測的成果，并結(jié)合結(jié)構(gòu)資料，利用Ansys、SAP等有限元分析軟件可對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力分析，實(shí)現(xiàn)對其工作狀況的評價。

1.2 常規(guī)項(xiàng)目檢測技術(shù)

基于常規(guī)項(xiàng)目的局部檢測，通用的成熟方法主要有沖擊回波技術(shù)、聲反射技術(shù)、超聲脈沖技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層X射線掃描技術(shù)等。

近年來，橋梁無損（或微損）檢測技術(shù)及測試儀器發(fā)展較快，融合電、磁、雷達(dá)、數(shù)字信號處理等相關(guān)學(xué)科的高新技術(shù)和設(shè)備成功研制，例如用于橋面板檢測的雙頻帶紅外線自動溫度成像系統(tǒng)、用于結(jié)構(gòu)層厚度及構(gòu)造與鋼筋位置間距等探測的探地雷達(dá)技術(shù)、用于裂縫檢測的新型超聲波與磁分析儀、測量鋼橋中疲勞裂縫的溫度成像系統(tǒng)等。此外，數(shù)字及圖像處理技術(shù)也取得了重大進(jìn)展，例如基于GPRS實(shí)現(xiàn)橋梁檢測遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

2 基于結(jié)構(gòu)測試技術(shù)的橋梁特性分析

結(jié)構(gòu)測試技術(shù)偏重于結(jié)構(gòu)的整體分析，通過模擬加載及其相應(yīng)力學(xué)指標(biāo)的量測，實(shí)現(xiàn)對橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與性能的鑒定和評估，分為靜荷載試驗(yàn)和動荷載試驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度、阻尼等性能參數(shù)的改變，因此，通過施加荷載（靜載或動載）并運(yùn)用有關(guān)儀器設(shè)備可獲得對應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。分析結(jié)構(gòu)靜力和動力響應(yīng)量的變化特性，從而量化評價結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，即進(jìn)行結(jié)構(gòu)反分析。

2.1 基于靜載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測試

靜載試驗(yàn)是在代表性橋跨的最不利位置布置設(shè)計(jì)荷載或其等效荷載（通常是載重汽車），通過測試控制截面的靜位移、靜應(yīng)變、靜轉(zhuǎn)角、裂縫等項(xiàng)目，以推斷橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。一般分為四個階段，即試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與分析階段、加載與觀測階段、試驗(yàn)資料分析階段和結(jié)構(gòu)性能分析階段。

基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)的損傷以系統(tǒng)識別法最為實(shí)用，即通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)（位移、應(yīng)變或應(yīng)力等）實(shí)測值與理論計(jì)算值的對比和模型參數(shù)的反復(fù)修改，使兩者達(dá)到可接受的程度（目標(biāo)函數(shù)），獲得校驗(yàn)系數(shù)η，進(jìn)而評價結(jié)構(gòu)性能。選取適當(dāng)?shù)淖R別參數(shù)是系統(tǒng)識別方法的關(guān)鍵，對于鋼筋混凝土梁橋，一般可選取梁的截面剛度作為待識別結(jié)構(gòu)模型參數(shù)；對于其他橋型，可以轉(zhuǎn)化為桿件系統(tǒng)，以桿件的剛度作為識別參數(shù)。

2.2 基于動載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測試

橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)利用某種激振方法激起橋梁的振動，測定其固有頻率、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)等行車響應(yīng)參數(shù)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車性能。橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)損傷識別在理論上和實(shí)際中被大家認(rèn)可的是融合振動理論、振動測試技術(shù)、信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法，其識別方法主要有有系統(tǒng)識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。

動載主要試驗(yàn)解決動荷載、動力特性和強(qiáng)迫振動效應(yīng)三類基本問題。橋梁動載試驗(yàn)的激振方法根據(jù)測試目的的不同，一般可分為脈動試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)（沖擊試驗(yàn)）、跑車試驗(yàn)和剎車試驗(yàn)等。

3 橋梁檢測工程實(shí)例

3.1 工程概況

某橋梁共5跨，總長100 m，跨徑組合為5 m×20 m，上部結(jié)構(gòu)為簡支普通鋼筋混凝土“T”梁，每跨5片“T”梁，各梁之間設(shè)5道橫隔板；下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩臺和重力式臺基橋臺，基礎(chǔ)采用明挖挖孔樁基。橋面采用混凝土鋪裝，總寬8 m，行車道寬7 m，兩側(cè)人行道各寬0.5 m，雙向兩車道。檢測目的是綜合評價該橋的整體狀況和工作性能，分析病害原因，為養(yǎng)護(hù)維修提出初步處理意見和提供原始數(shù)據(jù)。

3.2 外觀質(zhì)量及材料檢測

3.2.1 混凝土裂縫檢測

經(jīng)檢測，全部各“T”梁普遍存在少量豎向裂縫，但寬度未超過規(guī)范限值，另有部分延伸至底部形成“L”形裂縫。各“T”梁表面均出現(xiàn)10%～20%左右的麻面現(xiàn)象，嚴(yán)重位置已用水泥砂漿修補(bǔ)，而梁體淺層裂縫集中產(chǎn)生在麻面修補(bǔ)位置。因各墩頂均未設(shè)置支座，導(dǎo)致“T”梁端部與蓋梁接觸部位存在少量混凝土破損現(xiàn)象。其中，1-1#“T”梁右側(cè)腹板處有三條豎向裂縫，長寬分別為100 mm、0.2 mm，320 mm、0.02 mm，280 mm、0.01 mm；2-5#“T”梁腹板在跨中位置出現(xiàn)一條“U”形裂縫，組合長度為（900+200+700）mm，縫寬0.1 mm。

該橋蓋梁和橋墩未出現(xiàn)混凝土開裂，2#墩和4#墩蓋梁因受水侵蝕，底部均一處鋼筋銹脹，混凝土出現(xiàn)局部剝落。

3.2.2 材質(zhì)項(xiàng)目檢測

采用回彈儀測定混凝土的強(qiáng)度，采用酚酞試劑和深度測量儀測試混凝土的碳化深度，采用電位法量測鋼筋的銹蝕程度。根據(jù)檢定結(jié)果，認(rèn)為混凝土強(qiáng)度處于良好狀態(tài)，其中齡期超限、實(shí)測強(qiáng)度值僅作參考之用；保護(hù)層厚度對鋼筋耐久性影響甚微；碳化深度平均值在4～5 mm之間，且與保護(hù)層厚度比值均小于0.5，評定標(biāo)度為2，對鋼筋銹蝕影響較?。换炷罜l-含量、電阻率可不進(jìn)行測試。鋼筋銹蝕標(biāo)評定為1，即銹蝕活動性不確定，可能銹蝕速度很慢。

3.3 靜載試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案

按試驗(yàn)荷載效率，即試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力與控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力之比在0.95～1.05的布載確定原則，選擇第一跨進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)荷載由汽-15級荷載對橋梁主要控制截面產(chǎn)生的最不利內(nèi)力（位移）效應(yīng)并經(jīng)等效換算而得，如表1所示。采用MIDAS軟件計(jì)算，靜載試驗(yàn)加載及計(jì)算模型如圖1和圖2所示。

據(jù)圖4可知，實(shí)測撓度值較理論值較小，表明截面剛度符合設(shè)計(jì)要求。

從圖5和圖6中可以看出，最大及試驗(yàn)荷載與分級加載作用下跨中截面實(shí)測與理論應(yīng)變曲線基本吻合，實(shí)測應(yīng)變值略小于理論計(jì)算值。試驗(yàn)荷載作用下，“T”梁跨中截面最大應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)為0.84，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；梁跨中最大應(yīng)變的相對殘余應(yīng)變?yōu)?.33%，滿足不大于20%的要求；各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值線性關(guān)系良好，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)，滿足汽-15荷載等級的要求。

3.4 動載試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)方案

采用天然脈動的環(huán)境激勵和10 t載重汽車一輛的車輛激勵進(jìn)行試驗(yàn)。在橋面上，汽車分別以20 km/h、30 km/h的速度行駛，然后在跨中緊急剎車使橋梁產(chǎn)生受迫振動，量測橋梁的加速度時程曲線；在無車輛通行時，橋梁承受環(huán)境自然激勵，量測其固有振動頻率。

3.4.2 試驗(yàn)檢測結(jié)果

試驗(yàn)實(shí)測第一階頻率大于理論計(jì)算值，說明結(jié)構(gòu)整體剛度情況略大于理論計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求。

實(shí)測計(jì)算振型如圖7所示，脈動測試結(jié)構(gòu)自振頻譜分析如圖8所示，行車加速度時程曲線如圖9～12所示。

分析圖8～12可知，該橋整體性能較為平穩(wěn)，跑車、剎車和跳車（用前輪跳車）的各項(xiàng)動力系數(shù)和阻尼比均在正常范圍內(nèi)，其中，加速度幅值為10-1，與同類橋梁基本相似。

4 結(jié)束語

無損檢測技術(shù)和動荷載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測試技術(shù)相結(jié)合的方法能夠全面評判橋梁的工作和運(yùn)營性能。為進(jìn)行對比分析，MIDAS有限元的模擬分析可作為橋梁性能檢測的有效補(bǔ)充。

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作者簡介：張學(xué)卿（1983—），女，山西大同人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)（?？疲?，助理工程師，主要從事道路橋梁方面的研究。

〔編輯：王霞〕

Abstract： At present， the development of our country into the new bridge and repair and reinforcement of both the stage and the detection technique is detection and evaluation of the old bridge and reliable identification of a necessary prerequisite and basis. Based on non-destructive testing techniques and test static and dynamic load structural test methods， combined with MIDAS finite element analysis， a comprehensive analysis and evaluation of the existing reinforced concrete work and operational performance “T” shaped girder bridge. The results show that the bridge “T” beam members widespread cracks， steel corrosion and other damage occurred， but the overall structure in elastic state， is consistent with the measured modal frequencies and theoretical calculations， load bearing capacity to meet the grade requirements steam -15. Detection Techniques and engineering application maintenance and repair of the bridge to provide a reliable basis， and provide a reference for the reinforcement of the same structure.

Key words： bridge structure； damage detection； load test； performance evaluation