既有橋梁快速試驗(yàn)檢測評估技術(shù)分析

唐文

（贛州市交通工程試驗(yàn)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(dǎo)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(yùn)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(biāo)進(jìn)行檢測，基于試驗(yàn)檢測結(jié)果采取相應(yīng)的維護(hù)和保養(yǎng)措施。在此過程中，對既有橋梁的快速試驗(yàn)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(yùn)營安全。

1 既有橋梁快速試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)檢測，應(yīng)用分層綜合評定和單項(xiàng)控制指標(biāo)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(jìn)而基于檢查的結(jié)果對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價?，F(xiàn)階段，外觀調(diào)查評定法能夠直接基于先進(jìn)的檢測儀器設(shè)備來實(shí)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(jìn)行分析的過程中，最終也需要落實(shí)各類病害對橋梁整體承載能力產(chǎn)生的影響。因而，在實(shí)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(jìn)行計(jì)算的原理。

現(xiàn)階段，能夠用于既有橋梁快速試驗(yàn)檢測的橋梁承載能力系數(shù)計(jì)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(shí)極限強(qiáng)度，對應(yīng)抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等方面的指標(biāo)；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(jìn)行計(jì)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(biāo)變化的影響，因而在后續(xù)快速試驗(yàn)檢測中，應(yīng)考慮無損檢測方法與荷載試驗(yàn)方法對提升橋梁質(zhì)量檢測評估科學(xué)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(jìn)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(dǎo)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(qiáng)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(jìn)行劃分。對于橋梁承載能力中抗力降低率的計(jì)算，可以在應(yīng)用可靠度校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值、汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的效應(yīng)；K1、K2分別表示恒載與汽車荷載的分項(xiàng)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(xiàng)系數(shù)、荷載分項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)值。

在明確這一關(guān)系的基礎(chǔ)上，可以將橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中以標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)的設(shè)計(jì)表達(dá)式與基本變量相關(guān)的統(tǒng)計(jì)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(xiàng)系數(shù)。在分項(xiàng)系數(shù)改變的情況下，涉及的橋梁可靠指標(biāo)也會發(fā)生變化，進(jìn)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(xiàng)系數(shù)的方式來對橋梁結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而達(dá)到檢測橋梁安全性等級和程度的目的。

1.3 荷載試驗(yàn)法

荷載試驗(yàn)法通常分為靜力荷載試驗(yàn)以及動力荷載試驗(yàn)兩種類型。靜力荷載試驗(yàn)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(jìn)行檢測；而動力荷載試驗(yàn)則更多是利用激振方法來實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)振動中各項(xiàng)參數(shù)變化情況的檢測[2]。在荷載試驗(yàn)法應(yīng)用過程中會涉及一些理論計(jì)算的內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁使用的實(shí)際受力狀態(tài)和隱藏性病害的檢測分析，因而在當(dāng)前既有橋梁快速試驗(yàn)檢測中有著更為廣泛的應(yīng)用。

2 荷載試驗(yàn)法在既有橋梁快速試驗(yàn)檢測中的應(yīng)用原理

荷載試驗(yàn)法是能夠?qū)崿F(xiàn)對既有橋梁快速試驗(yàn)檢測的重要方法，需要依據(jù)更先進(jìn)的檢測設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對橋梁檢測中涉及的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算，從而提升橋梁檢測的實(shí)際效果。

2.1 選取試驗(yàn)效率與加載工況

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

對于橋梁移動荷載的試驗(yàn)，主要應(yīng)用靜力荷載試驗(yàn)的方法，基于明確荷載試驗(yàn)?zāi)軌蚍从车慕Y(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)這一原理，在應(yīng)用試驗(yàn)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(jì)算效應(yīng)以及橋梁截面對應(yīng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算值，單位為kN；ηq表示靜力試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(xì)

2.2 動態(tài)響應(yīng)的采集

荷載試驗(yàn)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(biāo)，在試驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)。應(yīng)用相對式測量方法，能夠直接通過位移計(jì)、傾角儀以及電測儀配合采集系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，進(jìn)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(biāo)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(jìn)而通過積分計(jì)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(shí)際獲得的動撓度曲線變化情況，結(jié)合以下公式進(jìn)行計(jì)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(jì)算

在明確采集的動態(tài)響應(yīng)值大小之后，還需要進(jìn)行橋梁動態(tài)響應(yīng)值的計(jì)算。當(dāng)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(shí)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(jìn)而對既有橋梁的靜撓度以及靜應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

2.4 評定承載能力

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

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

基于當(dāng)前對橋梁工程質(zhì)量檢測提出的標(biāo)準(zhǔn)要求，在計(jì)算橋梁承載能力過程中，如果靜力荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的計(jì)算值不超過1，則可以證實(shí)橋梁的實(shí)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(jì)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(yàn)的實(shí)例分析

某既有橋梁工程以先張預(yù)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(yàn)檢測中，該工程以梁體跨中截面彎矩作為控制內(nèi)力進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，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(jìn)行測試。同時，通過模態(tài)試驗(yàn)和移動荷載試驗(yàn)的方法，確定試驗(yàn)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(yàn)步驟和公式計(jì)算要求得到以下移動荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

當(dāng)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(yàn)速度分別為5km/h、10km/h、20km/h 的情況下，計(jì)算得到的靜載試驗(yàn)效率為0.64；當(dāng)橋梁處于6#梁跨中彎矩的控制內(nèi)力作用時，計(jì)算得到的靜載試驗(yàn)效率為0.58；處于9#梁跨中彎矩的控制內(nèi)力作用時，計(jì)算得到的靜載試驗(yàn)效率為0.64。

基于計(jì)算得到的加載工況靜載試驗(yàn)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(jìn)而對梁跨中截面的撓度和應(yīng)變值進(jìn)行測試。

在靜力荷載試驗(yàn)中，基于工程整體要求共布置7個撓度測點(diǎn)和7 個應(yīng)力測點(diǎn)，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(yàn)的效率處于0.95～1.05 之間，其余試驗(yàn)效率均未超過0.95，總體試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

而對該工況下的橋梁靜力荷載撓度校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)梁的撓度校驗(yàn)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(yàn)結(jié)果未超過0.95 的梁體，撓度校驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)梁的應(yīng)變校驗(yàn)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(yàn)結(jié)果未超過0.95 的梁體，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.34～0.63 之間，相對殘余應(yīng)變在0～8.33%之間。基于橋梁工程的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，證實(shí)該工況下的橋梁質(zhì)量符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用荷載試驗(yàn)的方法能夠有效滿足對既有橋梁進(jìn)行快速試驗(yàn)檢測的要求?？紤]到當(dāng)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(yàn)的方法對橋梁的承載能力進(jìn)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(biāo)，嚴(yán)格遵循試驗(yàn)檢測方法的步驟要求，在保證橋梁承載力檢測評估效果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，更好地維護(hù)和保障既有橋梁的運(yùn)營安全。