昆明某長年使用橋梁的檢測方法研究

周春雷

(云南大學建筑與規(guī)劃學院,云南 昆明 650500)

1 引 言

橋梁是城市交通系統(tǒng)的重要節(jié)點,在方便居民出行、提高居民出行質(zhì)量、帶動城市經(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)揮著非常重要的作用。我國的橋梁保養(yǎng)制度重點關注日常維護和定期檢查,橋梁的養(yǎng)護內(nèi)容主要包括初期檢測、日常檢測、特殊檢測、結構檢測等。

樊健生等[1]提出用時空融合診斷體系進行橋梁檢測;常勇等[2]設計了一種輕質(zhì)長臂機器人來進行特殊部位的橋梁檢測。橋梁檢測經(jīng)過多年的發(fā)展,雖然發(fā)揮了重要的作用,但也逐漸出現(xiàn)了一些不可忽視的問題,如檢測時通常只是對橋梁進行簡單的靜態(tài)分析,而沒有采用動態(tài)分析。

本文結合對某橋的檢測試驗,梳理出橋梁檢測存在的不足,并展示一套完整的動態(tài)和靜態(tài)檢測體系,以期推動該領域的進一步發(fā)展,為今后的橋梁檢測提供參考。

2 橋梁檢測試驗

2.1 概況

該橋位于云南省昆明市呈貢區(qū),基本參數(shù)如圖1所示。橋梁上部結構采用14～30m的T形連續(xù)梁,按5孔一聯(lián)設計,下部結構采用樁柱式橋墩及橋臺。預制T形梁、伸縮縫端現(xiàn)澆橫梁及墩頂現(xiàn)澆連續(xù)段采用50號混凝土,橋墩蓋梁采用30號混凝土,防撞墻、臺帽、墩柱采用25號混凝土,樁基礎采用25號水下混凝土。

圖1 橋梁立面圖

2.2 檢測儀器設備

試驗中采用的檢測設備有:精密全站儀Leica TM50、靜態(tài)電阻應變儀DH3821、動態(tài)信號分析儀DH5902N、電阻應變計BX-120系列。

2.3 試驗方法

2.3.1 靜載試驗

靜載試驗選擇該橋1跨進行測試,主要觀測內(nèi)容包括主梁撓度、主梁應變和外觀檢查,根據(jù)試驗目的、結構形式、測試內(nèi)容等選擇測試截面和布置測點,測點布置見圖2。

圖2 測點布置圖

在試驗開始前進行橋梁空載時的位移初讀,獲取各測點初始狀態(tài)讀數(shù)。隨后測讀各試驗工況下的撓度,各工況均在試驗車輛到位10min后進行。試驗結束后,再次對橋梁卸載(空載)10min后的撓度進行測讀。

可以通過電測法并借助靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行橋梁應力應變的測試。測試完成后會在電腦端直接顯示出各測點的應變值,并據(jù)此算出應力值。試驗過程中可以通過卡車來施加所需的荷載,施加荷載的卡車具有進出方便、可以通過裝卸貨物來改變重量、可以隨時?？吭谥付ㄎ恢脕頋M足所有工況的要求等優(yōu)點。在加載時,應把卡車停在最不利的位置,確保靜載試驗的準確性。

(1)預載。在加載時,應在有信號的情況下對試驗構件施加適當?shù)念A載,使構件進入正常的運行階段,并發(fā)揮預演的功能。在試驗進行中,用單臺試驗車低速行駛多次穿梭于測試橋梁,以減少部分殘余應力,達到使測量結果保持穩(wěn)定的效果。

(2)正式加載。為保證試驗的準確性和防止橋梁構件出現(xiàn)損傷,試驗時需要進行分級加載。本次試驗荷載分兩次遞加,施加到最大荷載后分級卸載。每次加載或卸載須等到測試儀器顯示結構的應變圖形趨于穩(wěn)定才可以進行。同級荷載內(nèi),如果結構的最大變位測點在最后5min內(nèi)的變位增量小于第一個5min的15%、或小于測試儀器的最小分辨率時,認為結構變位達到相對穩(wěn)定。只有等到相對穩(wěn)定后,才可以進入下一個階段施加荷載。在加載過程中需要測量橋梁的溫度,盡可能避免溫度場對試驗的影響,盡量選擇在溫度變化不大的時間段進行試驗。

(3)持荷時間。試驗時,橋梁加載和卸載的時間都要足夠長,這可以使變形達到穩(wěn)定?？紤]到溫度變化的影響,根據(jù)檢測經(jīng)驗,一般需要15min才可以進行讀數(shù)。荷載施加完畢、讀數(shù)完成后才可以卸載,先讓結構變形恢復約半個小時,在測量儀器上再讀一次數(shù)據(jù)作為結構的殘余變形值。

(4)試驗中止條件。為了保證整個試驗過程的安全,需要隨時把關鍵部位的實測值與計算值、規(guī)范允許值進行比較,實時掌握結構的工作狀態(tài),以保證對加載過程進行有效控制。此外,如果在加載過程中出現(xiàn)以下幾種情況,要立即終止試驗或暫停試驗,待查明原因或問題解決后才可繼續(xù)試驗:加載過程中,測量部位的實測值與理論值嚴重不符;關鍵節(jié)點的應變或位移超過設計值,且遠遠超過規(guī)范安全條件的容許值;橋梁檢測節(jié)點出現(xiàn)明顯的受力損傷或局部損壞的情況,可能影響試驗的進行或有可能對檢測人員造成人身危害;出現(xiàn)其他意外狀況,如橋梁附近有施工產(chǎn)生較大噪聲或重大的機器運行。

2.3.2 動載試驗

本次動載試驗,采用環(huán)境激勵法,先利用高靈敏度傳感器和滿足頻率要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對橋梁脈動響應進行數(shù)據(jù)采集,再通過頻譜分析,得到橋梁的響應頻譜圖和自振頻率,通過設定基準測試點再對數(shù)據(jù)處理就可以得出橋梁測試段的各階主要振型圖。

在橋面上布設速度測點,進行多點測量。根據(jù)結構檢算計算得到的理論振型,選擇在結構振型曲線的波峰、波谷位置布設傳感器。當采集得到振動波形后,擬使用DHDAS模態(tài)分析軟件分析結構振型、頻率和阻尼比。

在空載情況下借助拾振器進行脈動信號連續(xù)足時采集,通過對采集所得到的時程曲線進行頻譜分析,便可得出所測結構的動力特性參數(shù)、頻譜分析圖及基本振型。

3 試驗結果分析

經(jīng)靜力荷載試驗測試,橋梁結構在各工況試驗荷載作用下,位移校驗系數(shù)值在0.36～0.50之間,滿足相關規(guī)范要求。各工況試驗荷載作用下,應變校驗系數(shù)值在0.10～0.94之間,其上、下限值均超出《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》針對預應力混凝土橋的應變校驗系數(shù)常值范圍0.20～0.40,表明在可變荷載作用下,斜交板內(nèi)部應力分布不均,對結構的耐久性不利。各工況相對殘余位移值和相對殘余應變值均小于規(guī)范值,表明在試驗荷載作用下結構一直處于彈性階段。

根據(jù)動載試驗,可以測出在不同速度下的沖擊系數(shù),如表1所示。

表1 各速度下的沖擊系數(shù)

從表1可以看出,在相同的車速下,跑車和跳車的沖擊系數(shù)是相同的。隨著車速的增加,沖擊系數(shù)不斷增加,但沖擊系數(shù)增加的幅度不斷減小,特別是當車速從10km/h增加到15km/h時,沖擊系數(shù)僅增加了約0.1。由此可見,沖擊系數(shù)和車速間不存在函數(shù)關系。另根據(jù)沖擊系數(shù)的定義,其計算式寫為1+μ=動力響應/靜力響應,就可計算橋梁的動力沖擊系數(shù)1+μ。

4 結 論

本文基于該橋的靜載和動載試驗,得到如下結論:

(1)靜載試驗中,在滿載情況下,因測點位置不同,應變的理論值和實測值較大。

(2)動載試驗中,在跑車和跳車相同速度下,兩者的沖擊系數(shù)是一致的。

(3)為進一步提高橋梁檢測的智能化,本次試驗中,運用有限元軟件、DHDAS模態(tài)分析軟件進行分析,為今后智能化橋梁檢測提供了參考。

(4)采用智能化橋梁檢測軟件分析時,可以進行動態(tài)分析,分析較為全面、結果較為精準,具有一定的應用前景。