既有橋梁快速試驗檢測評估技術(shù)分析

唐文

（贛州市交通工程試驗檢測中心，江西贛州 341000）

0 引言

橋梁工程在投入使用后會受到多種因素影響而導致結(jié)構(gòu)損傷，在多種因素的作用下降低橋梁自身的承載力。為保障橋梁的運營安全，需要對既有橋梁的承載力這一直接關(guān)系到橋梁質(zhì)量的指標進行檢測，基于試驗檢測結(jié)果采取相應(yīng)的維護和保養(yǎng)措施。在此過程中，對既有橋梁的快速試驗檢測評估技術(shù)應(yīng)用效果會直接關(guān)系到橋梁整體的運營安全。

1 既有橋梁快速試驗檢測評估基本步驟和程序

1.1 外觀調(diào)查評定方法與原理

外觀調(diào)查評定法主要是指從橋梁構(gòu)件、部件、橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及全橋等角度對橋梁進行試驗檢測，應(yīng)用分層綜合評定和單項控制指標相結(jié)合的方法，明確橋梁的整體幾何尺寸和局部構(gòu)造幾何尺寸，能夠及時發(fā)現(xiàn)既有橋梁中存在的病害種類和程度，進而基于檢查的結(jié)果對橋梁結(jié)構(gòu)進行評價?，F(xiàn)階段，外觀調(diào)查評定法能夠直接基于先進的檢測儀器設(shè)備來實現(xiàn)[1]。對于既有橋梁的外觀調(diào)查，在對橋梁的各種病害進行分析的過程中，最終也需要落實各類病害對橋梁整體承載能力產(chǎn)生的影響。因而，在實際應(yīng)用外觀檢測評定法的過程中，也需要明確對于橋梁承載能力系數(shù)進行計算的原理。

現(xiàn)階段，能夠用于既有橋梁快速試驗檢測的橋梁承載能力系數(shù)計算公式為：

式（1）中：R.F.表示橋梁承載能力系數(shù)；Ru表示被評估的橋梁截面的真實極限強度，對應(yīng)抗彎強度、抗剪強度等方面的指標；γD表示恒載的荷載系數(shù)；γL表示活載的荷載系數(shù)；1 表示活載的沖擊系數(shù)；D表示橋梁截面的恒載效應(yīng)；L表示截面的活載效應(yīng)。

在遵循這一公式進行計算的前提下，需要明確橋梁承載能力具體會受到混凝土材料、荷載等方面指標變化的影響，因而在后續(xù)快速試驗檢測中，應(yīng)考慮無損檢測方法與荷載試驗方法對提升橋梁質(zhì)量檢測評估科學性的作用。

1.2 無損檢測方法

無損檢測方法的應(yīng)用不會對既有橋梁造成額外損傷，能夠從橋梁材料損傷以及結(jié)構(gòu)受力損傷兩個方面來進行檢測。其中，既有橋梁在使用中很容易由于疲勞損傷和鋼筋腐蝕導致材料損傷。而在結(jié)構(gòu)受力損傷方面，鋼筋與混凝土的應(yīng)用狀況是無損檢測方法中強調(diào)的重要內(nèi)容。例如，對于既有橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土的性能檢測，可以從橋梁承載能力的降低率角度來對橋梁的安全性和等級進行劃分。對于橋梁承載能力中抗力降低率的計算，可以在應(yīng)用可靠度校準方法的基礎(chǔ)上，明確抗力與綜合荷載效應(yīng)之間的關(guān)系：

式（2）中：SGK、SQK分別表示基于規(guī)范規(guī)定的荷載標準值、汽車荷載標準值計算的效應(yīng)；K1、K2分別表示恒載與汽車荷載的分項系數(shù)；γ3表示橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作條件系數(shù)，在橋梁構(gòu)件受到延性破壞和脆性破壞的情況下也會產(chǎn)生不同的值；γ4、γ5分別表示材料分項系數(shù)、荷載分項系數(shù)的調(diào)整系數(shù)；RK表示橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力標準值。

在明確這一關(guān)系的基礎(chǔ)上，可以將橋梁設(shè)計規(guī)范中以標準值表達的設(shè)計表達式與基本變量相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)結(jié)合起來，基于既定的基本綜合變量概率，將降低的抗力轉(zhuǎn)化為修改的分項系數(shù)。在分項系數(shù)改變的情況下，涉及的橋梁可靠指標也會發(fā)生變化，進而使抗力與荷載效應(yīng)之間的關(guān)系發(fā)生變化。在這種情況下，就可以直接通過改變抗力分項系數(shù)的方式來對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠指標進行計算，進而達到檢測橋梁安全性等級和程度的目的。

1.3 荷載試驗法

荷載試驗法通常分為靜力荷載試驗以及動力荷載試驗兩種類型。靜力荷載試驗主要是基于靜止的荷載作用原理，對橋梁指定位置結(jié)構(gòu)的靜位移、靜應(yīng)變以及裂縫等靜態(tài)參數(shù)進行檢測；而動力荷載試驗則更多是利用激振方法來實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)振動中各項參數(shù)變化情況的檢測[2]。在荷載試驗法應(yīng)用過程中會涉及一些理論計算的內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁使用的實際受力狀態(tài)和隱藏性病害的檢測分析，因而在當前既有橋梁快速試驗檢測中有著更為廣泛的應(yīng)用。

2 荷載試驗法在既有橋梁快速試驗檢測中的應(yīng)用原理

荷載試驗法是能夠?qū)崿F(xiàn)對既有橋梁快速試驗檢測的重要方法，需要依據(jù)更先進的檢測設(shè)備和系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁檢測中涉及的各類指標數(shù)據(jù)的計算，從而提升橋梁檢測的實際效果。

2.1 選取試驗效率與加載工況

應(yīng)用荷載試驗法對既有橋梁進行快速試驗檢測，需要建立在明確試驗效率與加載工況的基礎(chǔ)上。

對于橋梁移動荷載的試驗，主要應(yīng)用靜力荷載試驗的方法，基于明確荷載試驗?zāi)軌蚍从车慕Y(jié)構(gòu)受力特點這一原理，在應(yīng)用試驗檢測設(shè)備獲得檢測數(shù)據(jù)之后，應(yīng)用以下公式來求得橋梁某一控制截面的計算效應(yīng)以及橋梁截面對應(yīng)的設(shè)計控制效應(yīng)的比值：

式（3）中：Ss表示橋梁加載控制截面內(nèi)力的最大計算效應(yīng)值，單位為kN；μ表示沖擊系數(shù)值；S`表示橋梁加載控制截面應(yīng)力的最不利效應(yīng)計算值，單位為kN；ηq表示靜力試驗荷載效率。

而對于加載工況的選取，則需要利用三軸載重加載車來滿足荷載試驗的要求。如圖1 所示，在明確加載車尺寸的基礎(chǔ)上，需要讓車輛方向在荷載試驗中能夠保持一致，同時也需要控制好車間距離[3]。

圖1 加載車尺寸明細

2.2 動態(tài)響應(yīng)的采集

荷載試驗法中對動態(tài)響應(yīng)參數(shù)的采集，主要包括撓度與應(yīng)變兩個指標，在試驗中需要分別基于動撓度和動應(yīng)變的檢測來明確橋梁受到損傷的實際情況。

2.2.1 動撓度的采集

對于既有橋梁撓度的采集，通常應(yīng)用相對式測量以及絕對式測量的兩種方法來實現(xiàn)。應(yīng)用相對式測量方法，能夠直接通過位移計、傾角儀以及電測儀配合采集系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)的采集和分析，進而得到相對式撓度；應(yīng)用絕對式測量方法則需要從絕對加速度以及絕對速度兩個指標入手，應(yīng)用加速度傳感器或速度傳感器來獲得相對應(yīng)的加速度值，進而通過積分計算的方法得到絕對動位移值[4]。

在應(yīng)用絕對式測量方法的過程中，會涉及以下公式：

式（4）～式（5）中：yda表示絕對動撓度；v0表示初始速度，單位為m/s；a表示加速度，單位為m/s；a0表示初始加速度，單位為m/s；v表示速度，單位為m/s。

2.2.2 動應(yīng)變的采集

動應(yīng)變的采集主要是基于橋梁移動荷載與靜力荷載作用下產(chǎn)生的靜態(tài)響應(yīng)值的比值大小，通常需要基于實際獲得的動撓度曲線變化情況，結(jié)合以下公式進行計算：

式（6）中：Smax表示橋梁處于移動荷載作用下時，測量位置的最大應(yīng)變值，單位為m；Smin表示與最大應(yīng)變值相對應(yīng)的最小應(yīng)變值，單位為m。

2.3 靜態(tài)響應(yīng)的計算

在明確采集的動態(tài)響應(yīng)值大小之后，還需要進行橋梁動態(tài)響應(yīng)值的計算。當橋梁受到移動荷載作用向其施加的荷載力時，基于動力增大系數(shù)的定義和原理，可以明確橋梁的動態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)響應(yīng)關(guān)系，能夠應(yīng)用以下公式表示。

式（7）中：Ss表示動態(tài)響應(yīng)；Sdr表示靜態(tài)響應(yīng)；1 +μ表示實測動力增大系數(shù)。

在明確橋梁動態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，還可以直接明確橋梁靜撓度與動撓度之間的關(guān)系，進而對既有橋梁的靜撓度以及靜應(yīng)變進行計算。

2.4 評定承載能力

應(yīng)用荷載試驗的方法對既有橋梁承載能力進行評定，需要在明確以上各項數(shù)值計算原理和方法的基礎(chǔ)上，基于測點的實測彈性撓度和相應(yīng)的理論計算值比較情況來進行計算。在實際檢測試驗中，通常應(yīng)用以下公式和符號進行計算：

式（8）中：ζ表示靜力荷載試驗的橋梁結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)；Ss表示荷載作用下的橋梁實測彈性撓度值；Se表示荷載作用下橋梁測點的理論計算撓度值。

基于當前對橋梁工程質(zhì)量檢測提出的標準要求，在計算橋梁承載能力過程中，如果靜力荷載試驗結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)的計算值不超過1，則可以證實橋梁的實際承載能力能夠滿足橋梁使用的要求；而如果得到的這一計算值大于1，則證明橋梁的承載力已經(jīng)難以滿足橋梁質(zhì)量的要求。

3 應(yīng)用荷載試驗的實例分析

某既有橋梁工程以先張預應(yīng)力空心梁板結(jié)構(gòu)為主，跨徑大小為13.8m，橋梁整體由9 片寬0.99m 的中梁和2 片1.495m 的邊梁組成，橋梁路面總體寬度為12m。

在試驗檢測中，該工程以梁體跨中截面彎矩作為控制內(nèi)力進行靜力荷載試驗，對不同工況下橋梁各梁體跨中截面的靜撓度和靜應(yīng)變進行測試。同時，通過模態(tài)試驗和移動荷載試驗的方法，確定試驗的控制變量為5km/h、10km/h、20km/h 的加載工況。在加載車單輛重375kN 的情況下，結(jié)合以上試驗步驟和公式計算要求得到以下移動荷載試驗數(shù)據(jù)：

當橋梁處于3#梁跨中彎矩的控制內(nèi)力作用時，在單輛車移動荷載試驗速度分別為5km/h、10km/h、20km/h 的情況下，計算得到的靜載試驗效率為0.64；當橋梁處于6#梁跨中彎矩的控制內(nèi)力作用時，計算得到的靜載試驗效率為0.58；處于9#梁跨中彎矩的控制內(nèi)力作用時，計算得到的靜載試驗效率為0.64。

基于計算得到的加載工況靜載試驗效率，還需要結(jié)合工況布置車輛荷載位置。例如，在橋梁處于3#梁跨中彎矩的控制內(nèi)力作用時，單輛車的偏載工況應(yīng)作用于梁體跨中的位置，進而對梁跨中截面的撓度和應(yīng)變值進行測試。

在靜力荷載試驗中，基于工程整體要求共布置7個撓度測點和7 個應(yīng)力測點，分別在橋梁的1/4、1/2、3/4 三個截面位置，以橋梁橫向中間和兩側(cè)的位置，共布置9 個傳感器。

結(jié)合表1 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該工況下的4～6 梁靜力荷載試驗的效率處于0.95～1.05 之間，其余試驗效率均未超過0.95，總體試驗效率范圍在0.48～1.04之間。

表1 某一工況下的橋梁靜力荷載試驗結(jié)果

而對該工況下的橋梁靜力荷載撓度校驗系數(shù)進行計算，發(fā)現(xiàn)梁的撓度校驗系數(shù)普遍處于0.24～0.27之間，相對殘余變形量在1.22%～5.04%之間。其中，對于靜力荷載試驗結(jié)果未超過0.95 的梁體，撓度校驗系數(shù)在0.24～0.31 之間，相對殘余變形在0～6.19%之間；對于該工況下的應(yīng)變檢測結(jié)果進行計算，發(fā)現(xiàn)梁的應(yīng)變校驗系數(shù)在0.42～0.54 之間，相對殘余應(yīng)變在0～3.03% 之間。其中，對于靜力荷載試驗結(jié)果未超過0.95 的梁體，應(yīng)變校驗系數(shù)在0.34～0.63 之間，相對殘余應(yīng)變在0～8.33%之間?；跇蛄汗こ痰馁|(zhì)量檢驗標準，證實該工況下的橋梁質(zhì)量符合相應(yīng)的標準要求。

4 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用荷載試驗的方法能夠有效滿足對既有橋梁進行快速試驗檢測的要求?？紤]到當前既有橋梁在投入使用后可能受到的各種因素影響，可以應(yīng)用荷載試驗的方法對橋梁的承載能力進行快速評定。在此過程中，需要明確各種影響橋梁承載力大小的因素和指標，嚴格遵循試驗檢測方法的步驟要求，在保證橋梁承載力檢測評估效果準確性的基礎(chǔ)上，更好地維護和保障既有橋梁的運營安全。