振動測試技術(shù)在公路橋梁耐久性評估中的應(yīng)用

摘 要：耐久性評估是判定公路橋梁剩余耐久年限是否滿足預(yù)期使用年限需求的重要手段，對于防止耐久性病害進一步惡化，保障公路橋梁安全性和使用年限具有現(xiàn)實意義。本文清醒地認(rèn)識到我國公路橋梁養(yǎng)護需求巨大的客觀事實，通過回溯公路橋梁耐久性評估的歷史演進，明確振動測試技術(shù)優(yōu)勢，并分析公路橋梁環(huán)境振動測試技術(shù)、余震測試技術(shù)、沖擊振動測試技術(shù)的優(yōu)劣勢，提出振動測試技術(shù)在公路橋梁耐久性評估中應(yīng)用的方法，分別是構(gòu)建公路橋梁耐久性評估體系、合理選用和安裝傳感器、靈活控制測試時機與時長，從而為公路橋梁維護和預(yù)防性養(yǎng)護提供參考。

關(guān)鍵詞：振動測試技術(shù) 公路橋梁 耐久性評估

公路橋梁，即為滿足車輛和行人通行需求，在山谷、河流等特殊地形和平面相互交叉的城市道路上修建的橋梁。通常公路橋梁的構(gòu)造較為復(fù)雜，包括路基工程、路面工程、橋梁工程、隧道工程和交通工程等部分，是交通的重要組成部分，對產(chǎn)業(yè)流通、經(jīng)濟發(fā)展等起到不可替代的作用。

改革開放以來，我國持續(xù)突破建設(shè)技術(shù)，公路橋梁建設(shè)規(guī)模日益壯大，已形成“穿山、越海、進城”建設(shè)格局，規(guī)模和技術(shù)水平均已躋身世界前列。據(jù)交通運輸部公布的數(shù)據(jù)[1]，全國公路橋梁總數(shù)和總長逐年遞增，截至2023年末，我國公路橋梁總數(shù)共計107.93萬座，同比增長4.46%；公路橋梁總長達9528.82萬延米，同比增長11.1%（如表1）。

從淺層來看，公路橋梁是交通事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，從深層來看，公路橋梁是國家或地區(qū)經(jīng)濟實力、生產(chǎn)力發(fā)展等綜合競爭力的體現(xiàn)，承載著大眾生命財產(chǎn)安全，合理養(yǎng)護對保障其安全性和使用年限至關(guān)重要。以歐洲1967年完工的首座鋼筋混凝土斜拉橋莫蘭迪大橋為例，使用51年后，于2018年垮塌，不僅嚴(yán)重影響意大利西北部及其通往法國的交通網(wǎng)絡(luò)，還造成了至少43人死亡。調(diào)查報告指出，橋梁養(yǎng)護缺失是大橋坍塌的主要原因，截至垮塌之日，橋梁主鋼筋腐蝕度達68%，鋼筋性能降低50%。

公路橋梁通常面臨一般大氣環(huán)境，以及海洋、鹽漬、酸雨、凍融等復(fù)雜環(huán)境，這些環(huán)境會降低其緩凝土強度、鋼筋性能等，尤其是我國作為橋梁大國，當(dāng)前不少公路橋梁已步入關(guān)鍵養(yǎng)護期，性能退化趨勢較為明顯，養(yǎng)護需求巨大[2]。耐久性評估是判定公路橋梁剩余耐久年限是否滿足預(yù)期使用年限需求的重要手段[3]，探究耐久性評估的有效技術(shù)手段，是定期對公路橋梁進行耐久性評估，并制定合理有效的養(yǎng)護方案，防止耐久性病害進一步惡化的關(guān)鍵。

1 公路橋梁耐久性評估的歷史演進

由于我國公路橋梁規(guī)模龐大、交通運輸需求量大，自新中國成立以來，國家就高度重視公路橋梁養(yǎng)護水平，早在1958年，交通運輸部就制定并發(fā)布了第一部《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范（修訂草案）》，引領(lǐng)耐久性評估工作開展。

回溯歷年來公路橋梁耐久性評估規(guī)范，大致可分為三個發(fā)展階段。第一個階段為初始萌芽期（1958年至1985年），這一階段我國公路橋梁耐久性評估依據(jù)不足，僅開展了簡單的定性判斷，存在評估內(nèi)容不全面、評估人員技術(shù)能力和評估市場不規(guī)范，以及檢測與養(yǎng)護相對滯后，預(yù)防作用不顯著等問題[4]；第二個階段為借鑒發(fā)展期（1989年至2004年），這一階段我國公路橋梁耐久性評估積極借鑒國外先進思想，陸續(xù)發(fā)布《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》《公路橋梁養(yǎng)護管理工作制度（工公管字〔1991〕77號）》《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范（JTJ 073-96）》《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范（JTG H11-2004）》《公路橋梁養(yǎng)護管理工作制度（交公路發(fā)〔2007〕336號）》等文件，并開始綜合考慮各個部件的權(quán)重；第三個階段為特色完善期（2011年至今），這一階段我國極大提升了對養(yǎng)護工作的重視度，對公路橋梁耐久性評估更加細致，并基于技術(shù)發(fā)展總結(jié)出了評估經(jīng)驗，發(fā)布《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)（JTG/T H21-2011）》《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范（JTG 5120-2021）》等更具針對性的文件，但在公路橋梁數(shù)據(jù)采集等方面還有不足[5]，需要進一步探究高水平測試技術(shù)。

2 公路橋梁耐久性振動測試技術(shù)類型

振動測試是結(jié)構(gòu)健康檢測的有效方法，在工程中的應(yīng)用愈加廣泛，在公路橋梁耐久性評估中的作用也日益凸顯。根據(jù)不同測試機理，公路橋梁耐久性振動測試技術(shù)可分為不同類型，本文對常用的三類振動測試技術(shù)進行分析，以明確其優(yōu)劣勢及適用場景。

2.1 公路橋梁環(huán)境振動測試技術(shù)

環(huán)境振動測試是公路橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測的重要方式之一，其原理是在風(fēng)荷載、地脈動、車輛荷載等公路橋梁的客觀自然環(huán)境激勵下，測試公路橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性，并識別固有振型、自振頻率以及阻尼比等模態(tài)參數(shù)[6]。這類測試技術(shù)具有四個突出優(yōu)勢：第一，由于環(huán)境振動測試不需要人為地施加激勵，且僅需測得結(jié)構(gòu)響應(yīng)，故測試過程不干擾公路橋梁的正常通行，操作更加便捷；第二，由于僅使用自然激勵，省去了人工激勵及其昂貴的激勵設(shè)備費用，測試成本較低；第三，這一方式省去了人為加載以及測試加載信號等步驟，測試時間上具備優(yōu)勢；第四，不會對公路橋梁造成損傷。與此同時，環(huán)境振動測試技術(shù)也存在一些不可忽視的問題，例如環(huán)境振動測試得到的只有公路橋梁在環(huán)境振動下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，其輸入信息無法測到，還需要應(yīng)用系統(tǒng)和模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)來識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2.2 公路橋梁余振測試技術(shù)

公路橋梁余振測試的技術(shù)原理是利用運行的車輛為激勵荷載，利用拾振器測量車輛行駛過后的余振響應(yīng)，再利用傅立葉變換將振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉底V，取幅值譜上最大峰值點對應(yīng)的頻率為公路橋梁的自振頻率[7]。這類測試技術(shù)與環(huán)境振動測試技術(shù)有相似優(yōu)勢，由于僅使用了車輛激勵，也能省去人工激勵及其昂貴的激勵設(shè)備費用，省去了人為加載以及測試加載信號的時間，并實現(xiàn)無損測試，但相對環(huán)境振動測試而言，表現(xiàn)出干擾工橋梁正常運行的顯著劣勢。此外，這類測試技術(shù)在數(shù)據(jù)分析中對余振波形要求較高，往往需要多次測量，若幅值譜僅有一個峰值點則自振頻率確定較為容易，但在實際操作中發(fā)現(xiàn)，幅值譜一般會出現(xiàn)數(shù)值接近的多個峰值，此時就需要測試人員根據(jù)經(jīng)驗進行判斷，提高了最終結(jié)果的主觀性，對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性形成影響。

2.3 公路橋梁沖擊振動測試技術(shù)

沖擊振動測試的激勵方式與以上兩種技術(shù)截然不同，需要人為施加外部激勵，其原理是人為利用捶打或激振器等其他激勵設(shè)備沖擊公路橋梁上的一個或多個測試點，通過觀察沖擊力和沖擊作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，得到測試數(shù)據(jù)。通過技術(shù)對比，能夠明確沖擊振動測試技術(shù)的顯著優(yōu)勢：第一，此技術(shù)受人為控制，能夠在車輛行駛的間隙測試，不影響正常通行；第二，省去了測量力信號的步驟，僅需測量響應(yīng)信號即可；第三，這類技術(shù)由于施加的是人為激勵，輸入力已知，彌補了環(huán)境振動測試中無法得到輸入信息的缺陷，除了能得到公路橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，還能識別結(jié)構(gòu)的位移柔度矩陣，并進一步識別靜力特征等特性[8]。同樣，此技術(shù)也存在部分缺點，例如由于人工激勵是外加于公路橋梁上的力量，可能會對作用部位造成損傷，并且伴隨激勵的能量增大，損傷可能性也會增大，只能在公路橋梁部分結(jié)構(gòu)上實施。

3 振動測試技術(shù)在公路橋梁耐久性評估中應(yīng)用的方法

3.1 構(gòu)建公路橋梁耐久性評估體系

公路橋梁耐久性評估事關(guān)為什么評估、怎樣評估、評估什么三個問題，前文對耐久性評估釋義，已明確了第一個問題。我國公路橋梁耐久性評估步驟通常為收集信息、處理信息和評估決策三部分，明確了第二個問題，那么構(gòu)建公路橋梁耐久性評估體系就是回應(yīng)第三個問題。

公路橋梁耐久性評估體系構(gòu)建應(yīng)分為評估等級劃分、評估要素整理、影響因素識別三個部分，其中評估等級劃分和評估要素整理應(yīng)依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）執(zhí)行，按照《標(biāo)準(zhǔn)》所描述的公路橋梁狀況將其分為5個等級，評估要素應(yīng)納入上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系三個部分。此外，由于公路橋梁所處環(huán)境不同，其影響因素存在差異，應(yīng)全面考慮環(huán)境特征進行識別。例如跨海橋梁所處環(huán)境為海洋環(huán)境，氯離子會直接導(dǎo)致鋼筋銹蝕，同時還存在蜂窩、掉角、裂縫加速氯離子侵入和混凝土碳化，混凝土保護層厚度降低加速鋼筋銹蝕等問題，與鋼筋銹蝕程度也有一定關(guān)聯(lián)。

3.2 合理選用和安裝傳感器

不同傳感器適用條件不同，在選用傳感器時，應(yīng)以《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868-2013）為依據(jù)，測試振動信號頻率不大于10 Hz時，可選用位移型或速度型傳感器；進行寬頻帶沖擊機器的振測試時，可同時選用位移型和速度型傳感器；進行機械設(shè)備振動測試時，可選用加速度傳感器。

為保障測試正常進行，應(yīng)合理安裝傳感器。首先，振動測試技術(shù)通常采用三分量測試方式，安裝傳感器時應(yīng)確保安裝工件自振頻率是公路橋梁的5到10倍以上，從而減少寄生振動；其次，安裝傳感器的公路橋梁結(jié)構(gòu)表面要平整干凈，從而使傳感器與平面牢牢連接；最后，為避免測量幅值誤差，要保持待測方向和傳感器安裝方向同向。

3.3 靈活控制測試時機與時長

基于振動測試技術(shù)的不同，測試的時機與時長也要靈活控制。例如余振測試技術(shù)會受到其他振動干擾，宜選擇在夜間安靜的時段進行測試，減少人類活動對測試結(jié)果造成的影響，提升準(zhǔn)確性。并且由于此技術(shù)數(shù)據(jù)分析對余振波形要求較高，在測試期間應(yīng)多次記錄振動數(shù)據(jù)，加長數(shù)據(jù)采集時間。

4 結(jié)語

回望我國公路橋梁養(yǎng)護和耐久性評估的相關(guān)規(guī)范，能夠明確合理養(yǎng)護對于公路橋梁安全性和耐久性的重要作用。振動測試技術(shù)作為公路橋梁耐久性評估的重要手段，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛。技術(shù)人員應(yīng)明確不同類型的振動測試技術(shù)優(yōu)劣勢，通過構(gòu)建公路橋梁耐久性評估體系、合理選用和安裝傳感器、靈活控制測試時機與時長，發(fā)揮振動測試技術(shù)在公路橋梁耐久性評估中的優(yōu)勢，對公路橋梁當(dāng)下狀況進行評估，有效地支持公路橋梁維護管理決策。

參考文獻：

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