鋼架拱橋的檢測與評估

李志亮

（中交第四公路工程局有限公司，北京市 100020）

0 引言

鋼橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境中受溫度氣候作用，雨水和大氣腐蝕的作用，以及逐漸增加的交通荷載，使得橋梁耐久性受到考驗(yàn)，橋梁負(fù)載和使用頻率的增加，在耦合作用增加情況下材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命加快衰減的時(shí)間，橋梁隨著荷載頻率的增加和時(shí)間的累積會(huì)逐漸產(chǎn)生病害，并且是一個(gè)不可逆的過程。對運(yùn)營中鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行檢測評估通過檢測結(jié)果和評估報(bào)告，根據(jù)現(xiàn)階段橋梁病害類型和病害程度，制定適應(yīng)本橋的加固措施和方案，加固措施對于保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)和提升橋梁承載能力具有重要作用。橋梁安全可靠運(yùn)營保證的基本措施就是不斷對橋梁病害進(jìn)行修復(fù)和對橋梁損傷的加固[1]。橋梁加固需要根據(jù)橋梁的材料特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式、使用特點(diǎn)來對橋梁制定專用的加固和改造措施。加固措施的經(jīng)濟(jì)、安全、可靠性對現(xiàn)代橋梁加固有著重要的意義。

1 現(xiàn)階段鋼橋梁無損檢測評估技術(shù)

運(yùn)營期橋梁檢測要求比較高，許多重要的交通要道采用不斷交、不損害橋梁結(jié)構(gòu)的檢測是非常有必要的，因此無損檢測是當(dāng)前的橋梁檢測主要手段和工具，鋼橋梁檢測通過橋梁材料特性和現(xiàn)代超聲波、電流等一系列技術(shù)手段進(jìn)行無損探傷檢測。無損檢測對橋梁不產(chǎn)生傷害，通過對檢測橋梁主要受力結(jié)構(gòu)和材料的物理化學(xué)性質(zhì)以及機(jī)械作用在橋梁上對橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估和檢測的方法，在橋梁日益不斷增多的今天，橋梁檢測技術(shù)也在不斷地發(fā)展改進(jìn)，相對于傳統(tǒng)檢測方法而言，無損檢測的安全可靠性高、準(zhǔn)確性高、檢測方便容易操作[2]。我國的無損檢測方法在最近幾年發(fā)展迅速，本文介紹如下幾種常用的常規(guī)無損檢測手段的檢測原理和主要特征。

1.1 聲波探測檢測技術(shù)

聲檢測技術(shù)是通過聲音傳播特性來區(qū)分橋梁損傷部位，是比較通用的無損檢測技術(shù)，其缺點(diǎn)是受外界聲波干擾較大，而外界聲音混雜，因此聲波檢測技術(shù)主要技術(shù)難點(diǎn)是過濾掉非結(jié)構(gòu)傳播的聲音，通過聲音在結(jié)構(gòu)物中傳播的性質(zhì)來判斷其損傷位置。聲波檢測常用的方法包括超聲波無損檢測技術(shù)、沖擊回聲波發(fā)射檢測技術(shù)[3]。

沖擊回聲波檢測技術(shù)的檢測原理是通過沖擊聲波在橋梁檢測結(jié)構(gòu)中傳播，聲波頻率的變化來確定橋梁損傷位置，該法取決于橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料的傳播原理，應(yīng)用于測試的方式與超聲波相似。沖擊回聲波的發(fā)生一般采用聲波轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生應(yīng)力波（即脈沖回聲波）和用橋梁機(jī)械力產(chǎn)生沖擊回聲波（即應(yīng)力回聲波）。沖擊回聲無損檢測技術(shù)可以實(shí)時(shí)的反映橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和位置的缺陷[4]。

以下以反射波頻域測試方法和反射波時(shí)域法測試評估方法分析為例：

反射波頻域測試方法采用如下公式分析：

式中：C為混凝土聲速，m/s；f0為接收信號主頻，Hz；d為檢測梁板厚，m；T為波周期，s。

反射波時(shí)域法采用如下公式分析：

式中：Vp為聲波在混凝土中傳播速度，m/s；tR為反射回波時(shí)間，s；h為缺陷深度，m。

1.2 磁探測檢測技術(shù)

磁探測檢測技術(shù)根據(jù)檢測原理的不同所采用的方式也比較多，最常用的根據(jù)磁識別形式分為磁粉、漏磁、渦流等檢測方法[5]，還有一些應(yīng)用電磁感應(yīng)或電位檢測技術(shù)，比如磁探檢測技術(shù)以及其他一些電磁檢測和電位檢測技術(shù)。磁探測檢測技術(shù)常常用來檢測橋梁的涂層厚度、損害部位、斷裂位置以及銹蝕程度，磁探測技術(shù)檢測比較準(zhǔn)確。渦流感應(yīng)磁探測無損檢測技術(shù)對于檢測橋梁表面病害實(shí)用性較好，通過橋梁結(jié)構(gòu)材料的表面布設(shè)檢測導(dǎo)體線圈，根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生交互改變磁場，磁場所產(chǎn)生的感應(yīng)電流在構(gòu)件表面上，環(huán)狀的渦形。

振動(dòng)線圈法為例，該法主要用于測量恒定磁場，原理如下：匝數(shù)、截面面積、磁感應(yīng)強(qiáng)度使線圈中耦合的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈中產(chǎn)生的電動(dòng)感應(yīng)勢能：

式中：e為電動(dòng)感應(yīng)勢能；N為匝數(shù)；S截面面積。

由于為線圈常數(shù)，求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量：

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；e為電動(dòng)感應(yīng)勢能；N為線圈匝數(shù)；S為截面面積。

由上式可以看出，電磁感應(yīng)式探測線圈界定范圍內(nèi)磁感應(yīng)的平均值。

1.3 光、電檢測技術(shù)

傳統(tǒng)采用電檢方法對橋梁進(jìn)行檢測，即在橋梁結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片來測量橋梁變形，原理是通過應(yīng)變片變形對應(yīng)電量變化來計(jì)算的，應(yīng)變變化和應(yīng)變片電阻變化之間關(guān)系（為應(yīng)變率）來檢測。光探測是利用光線對特定物理量敏感的特殊性質(zhì)，把相應(yīng)物理量轉(zhuǎn)化成可用來分析的信號技術(shù)。光在光纖中傳播特征量受外界作用因素的作用發(fā)生直接或間接變化。

1.4 其他新型探測技術(shù)

我國道路橋梁技術(shù)快速發(fā)展檢測技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步發(fā)展，新型無損檢測檢測方法技術(shù)在橋梁檢測中逐漸普及應(yīng)用于橋梁的病害部位檢測，橋梁檢測中應(yīng)用較為廣泛的有核磁共振檢測、聲振檢測、聲發(fā)射檢測以及激光圖像檢測等，在人工智能日趨發(fā)展成熟智能識別技術(shù)，無人機(jī)航拍檢測等智能檢測手段也在逐步應(yīng)用于橋梁檢測中。目前智能檢測技術(shù)原理是將模糊算法、智能數(shù)字分析與處理等技術(shù)用于多種智能橋梁無損檢測，通過檢測技術(shù)的不斷提升和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對橋梁病害的自動(dòng)檢測，通過智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)生成檢測結(jié)果。

2 實(shí)例分析工程橋梁檢測評估

2.1工程概況

現(xiàn)在以一座某上承重鋼架拱橋?yàn)槔?，橋長234m，寬7.5m，有6墩5孔的鐵橋，橋上飛架5座弧形鋼架拱梁，該橋采用荷載標(biāo)準(zhǔn)為：車道荷載為城-A級；人群荷載為3.5kN/m；2m+7m+2m=11m，其中7m為機(jī)動(dòng)車道，2m為人行道。

2.2 橋梁檢測實(shí)測項(xiàng)目

2.2.1 橋梁外觀檢測

2.2.1.1 橋梁外觀檢測內(nèi)容

橋梁外觀檢測相對而言比較簡單直觀，外觀檢測對于橋梁病害原因的把握和橋梁病害部位的判斷較為直觀。分析起來相對而言準(zhǔn)確性較高。通過橋梁外觀檢測還能輔助橋梁內(nèi)部應(yīng)力損失原因做具體分析。鋼結(jié)構(gòu)橋梁病害外觀檢測的目的是將鋼結(jié)構(gòu)橋梁的外觀病害早發(fā)現(xiàn)早養(yǎng)護(hù)，外觀檢查是橋梁日常養(yǎng)護(hù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁病害避免橋梁病害的延續(xù)同時(shí)增加橋梁整體安全性，結(jié)合先進(jìn)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)來確定橋梁現(xiàn)狀，為橋梁加固提供參考依據(jù)，常規(guī)橋梁外觀檢測的內(nèi)容如下：

（1）資料收集；

（2）橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查收集；

（3）橋梁周邊環(huán)境調(diào)查，檢查內(nèi)容包括：水文、地質(zhì)變化，周邊構(gòu)造物變化及其他影響橋梁因素的變化等，重點(diǎn)是觀察橋位的沖刷處、有無人為挖方、泥石流發(fā)生清理、是否有滑坡等；

（4）橋面系日常檢查包括：橋面鋪裝、防水排水、護(hù)欄、橋梁伸縮縫；

（5）橋梁上部結(jié)構(gòu)：梁、板等主要承重構(gòu)件損壞程度調(diào)查。

2.2.1.2 橋梁附屬設(shè)施及外觀檢測結(jié)果

橋梁橋面附屬結(jié)構(gòu)檢測內(nèi)容包括：橋面系檢測評定、上部結(jié)構(gòu)檢測評定、下部結(jié)構(gòu)檢測評定三方面主要檢查內(nèi)容。

2.3.1 靜載實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

該次主要靜載試驗(yàn)按照4個(gè)工況進(jìn)行加載，工況具體布置方式如下：

工況1，汽-20級采用活載加載標(biāo)準(zhǔn)，車輛數(shù)為8，截面布載在橋跨的1/4處；

工況2，汽-20級采用活載加載標(biāo)準(zhǔn)，車輛數(shù)為8，截面布載在橋跨的1/2處；

工況3，汽-20級采用活載加載標(biāo)準(zhǔn)，車輛數(shù)為8，5行3列，單跨布置偏載；

工況4，最不利設(shè)計(jì)荷載，車輛數(shù)20，5行3列，單跨布置滿載。

以下為工況1橋梁布載情況，如圖1所示。

圖1 工況1中橋梁布載示意圖

測試內(nèi)容見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

靜載試驗(yàn)?zāi)軌虮容^真實(shí)準(zhǔn)確的的檢測出橋梁承載能力是否滿足安全運(yùn)營的條件，通過和原始設(shè)計(jì)比較，可以很好反映橋梁使用過程中承載能力的消減情況，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析可以比較準(zhǔn)確的判斷加固效果，以更好的適應(yīng)相應(yīng)公路的使用承載力要求，通過靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出該橋梁使用受力位移特征曲線如圖2所示。

（1）根據(jù)圖形可知，橋梁主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化和位移變化值均滿足誤差要求的范圍，對該橋?qū)崪y數(shù)據(jù)是可信的，檢測操作有效。

（2）靜載試驗(yàn)實(shí)測的撓度值和實(shí)測的應(yīng)力值與該橋根據(jù)理論所計(jì)算的理論對應(yīng)值作比較，比較兩者之間的差異性大小，該橋通過比較實(shí)測值和理論值發(fā)現(xiàn)其差異性較小，說明該橋的主要承重結(jié)構(gòu)完好。然而總體來看橋梁的實(shí)測應(yīng)力值和撓度值相較于理論計(jì)算值偏小，說明主體結(jié)構(gòu)主梁實(shí)際剛度較大，該橋?qū)嶋H衰減比預(yù)測要小，橋梁的力學(xué)性能要好于預(yù)期，橋梁運(yùn)營性能較好。

圖2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.3 橋梁自震特性分析

根據(jù)有限元分析該橋，建立的分析模型如圖3和圖4所示。

圖3 橫向（側(cè)向）彎矩圖

圖4 縱向彎矩圖

2.3.3.1 動(dòng)力特性測試

在邊跨立柱上方的帽梁中心位置布置橋梁動(dòng)力性能測試傳感器。測試結(jié)果見表2。

2.3.3.2 鋼板銹蝕檢測通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)該橋上拱鋼板及兩側(cè)都存不同程度的銹蝕，實(shí)際檢測數(shù)據(jù)見表3。

2.3.3.3 拱圈線形檢測

在主拱圈上下游軸線位置布置變形檢測測點(diǎn)，在第一跨布置七個(gè)測點(diǎn)，第二跨布置十八個(gè)測點(diǎn)，第三跨布置十六個(gè)測點(diǎn)，第四跨和第五跨共布置14個(gè)測點(diǎn)，把實(shí)測的上游、下游數(shù)據(jù)和竣工完成時(shí)的實(shí)測拱圈軸線做比較，繪制如下圖拱圈線形修正后檢測結(jié)果。我們對檢測結(jié)果做相關(guān)分析并修正，如圖5所示。

表2 動(dòng)力特性測試結(jié)果表 單位：Hz

表3 鋼板修飾檢測結(jié)果表

圖5 修正后的拱圈線性檢測結(jié)果

每個(gè)跨徑竣工拱圈軸線和實(shí)測線形相比較均出現(xiàn)一定的偏差。各偏差均在結(jié)構(gòu)安全的允許范圍，橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

2.3.3.4 橋梁及上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測

根據(jù)實(shí)測值推定橋梁①號墩混凝土強(qiáng)度推定值介于32.7~52.2MPa之間，檢測結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)該拱橋第一跨和第四跨的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低，第二跨、第三跨強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級40號；③號橋墩推定混凝土強(qiáng)度值為23.6MPa，大于設(shè)計(jì)的20號強(qiáng)度值。

3 橋梁檢測評估結(jié)果

根據(jù)檢測評估報(bào)告，評定橋梁總體工作狀態(tài)較差，應(yīng)該采用限重措施，該橋不宜承受較大動(dòng)力荷載作用，具體評估結(jié)果如下：

（1）橋跨鋼桁架在使用過程中承載力整體計(jì)算結(jié)果良好，有部分重要部位桿件銹蝕較嚴(yán)重，實(shí)測承載力較設(shè)計(jì)有一定下降，采取除銹對銹蝕損害不嚴(yán)重部件做防腐處理，部分重要部件進(jìn)行更換；

（2）橋梁桁架結(jié)構(gòu)由小鋼板和角鋼熱鉚釘連接而成，該橋結(jié)構(gòu)體系較為輕巧，鋼架連接部位較多而且復(fù)雜，部分構(gòu)件受力變形，綜合受力作用下部分部件易損壞，桁架體系為靜力簡支體系，該橋修建成時(shí)間較長，經(jīng)多次維修加固橋梁整體性受力有一定改變；

（3）橋梁撓度檢測測量點(diǎn)的實(shí)測值較理論值偏大，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)和《公路舊橋承載能力鑒定方法》（試行）所規(guī)定校驗(yàn)系數(shù)比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)測系數(shù)超出正常系數(shù)范圍；在外觀檢查中發(fā)現(xiàn)主梁右側(cè)面有微裂縫并有增大的趨勢，有些裂縫延伸到了腹板頂板位置，測量測點(diǎn)變形余量較大，恢復(fù)彈性減小，但是可以滿足《公路舊橋承載能力鑒定方法》（試行）規(guī)定а1≤20%的要求。根據(jù)動(dòng)力測試結(jié)果來看，實(shí)際頻率大于理論計(jì)算的頻率值，說明橋梁整體性滿足理論計(jì)算值要求，測量阻尼系數(shù)比較大，說明結(jié)構(gòu)損傷已經(jīng)存在橋梁內(nèi)部。橋梁上部附屬結(jié)構(gòu)評價(jià)結(jié)果：全橋技術(shù)狀況指數(shù)BCI值為71.15，橋梁技術(shù)等級評為C級，但該橋梁不能滿足汽—15的使用要求。

通過對該橋梁整體檢測評估，把該橋加固分成三部分：一是橋梁的外部結(jié)構(gòu)維修，對橋梁的整體性進(jìn)行整修維護(hù)，以增加橋梁外部特性；二是對橋的橫梁進(jìn)行加固，因?yàn)闃蛄旱闹髁旱拈_裂處于惡化的趨勢，需要對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以增加橋梁承載能力使橋梁達(dá)到承載力使用要求；三是對橋梁橋墩進(jìn)行加固，橋墩是橋梁重要的承重結(jié)構(gòu)，需要合理有效的加固維修。