鋼筋混凝土橋梁檢測與損傷評價
2010-05-12 來源：網(wǎng)絡
1.引言
混凝土橋梁作為一類土木工程構(gòu)筑物，自建成以來，受外界環(huán)境（包括自然環(huán)境和使用環(huán)境）的長期作用，同時由于原設計未達到使用要求、施工未達到設計要求等原始缺陷，往往產(chǎn)生這樣或那樣的橋梁病害與損傷，如混凝土裂縫、碳化與水侵蝕、鋼筋銹蝕或預應力松弛、其它附屬設施材料老化或損害等。這些病害與損傷影響了橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用功能，使橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用功能達不到設計的要求或正常使用的要求。橋梁的病害與損傷可分為結(jié)構(gòu)性和功能性兩類，總體上講，兩者是密切聯(lián)系的、一致的，結(jié)構(gòu)性病害與損傷更直接關系到橋梁結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮和橋梁的結(jié)構(gòu)安全性能。本文的討論僅限于橋梁的結(jié)構(gòu)病害與損傷。
橋梁同其它土木工程一樣，有一定的周期性，即都有從建設期到建設和維修并重期，再到維修期的過程。在一些發(fā)達國家，公路橋梁已經(jīng)進入了維修的高峰期。在我國隨著近年來公路建設的大發(fā)展，全國性的骨架公路交通網(wǎng)絡己基本形成，公路交通從單純的建設正在向建設和維修并重過渡。大量的公路橋梁已經(jīng)達到或接近設計基準期，或出現(xiàn)由于各種原因引起的橋梁結(jié)構(gòu)病害與損傷。因此，建立對舊橋和病害橋梁的檢測和評價體系成為各橋梁管理部門的迫切需求，也逐漸成為橋梁領域的研究熱點。對這些橋梁進行科學的病害檢測與損傷評價，真實了解橋梁的結(jié)構(gòu)工作狀況，是科學、可靠的利用舊橋和進行舊橋加固與維修的前提與依據(jù)，同時，實時的對橋梁結(jié)構(gòu)性能進行評價也可以避免重大橋梁結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。
橋梁檢測與損傷識別依據(jù)其預測的深度，可分為以下4個目標層次：① 僅確定損傷是否發(fā)生；② 如果損傷發(fā)生，確定損傷的位置（范圍）；③如果損傷發(fā)生，確定損傷的位置（范圍）及損傷的程度；④ 如果損傷發(fā)生，確定損傷的位置（范圍）及損傷的程度，并評價損傷對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響，評定損傷發(fā)生后橋梁的承載能力。國內(nèi)外學者圍繞這4個目標層次，進行了大量的研究工作。
2.橋梁結(jié)構(gòu)檢測與損傷評價
日橋的結(jié)構(gòu)檢測與損傷評價在2O世紀5O年代就己經(jīng)提出 ，并且越來越得到橋梁管理部門和研究者的重視，取得了大量的研究成果。檢測方法主要有局部檢測、表觀檢查、靜載試驗和動力特性試驗等，并形成了相關的橋梁結(jié)構(gòu)損傷評價體系 。盡管這些結(jié)構(gòu)檢測方法和評價體系指導了橋梁結(jié)構(gòu)的檢測與評價，在工程實踐中發(fā)揮了相當大的作用，但仍有需要完善和補充的方面。橋梁的結(jié)構(gòu)檢測與損傷評價，分為兩大類方法體系，或者是兩個層次。
2．1 基于表觀檢查、材料檢測、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查的橋梁結(jié)構(gòu)特性分析與評價
表觀檢查包括橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸的量測、結(jié)構(gòu)病害（結(jié)構(gòu)裂縫、結(jié)構(gòu)附屬設施病害）的檢查與量測等，表觀檢查的項目和要求對不同的橋型有不同的側(cè)重點。表觀檢查要達到可以定量反映橋梁當前結(jié)構(gòu)狀況、依據(jù)相關規(guī)范 評定橋梁技術等級的要求。結(jié)構(gòu)資料的調(diào)查包括了解橋梁的原結(jié)構(gòu)設計、施工工藝及過程以及橋梁的結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護歷史等。
材料檢測主要指的是橋梁結(jié)構(gòu)材料的無損或微損檢測。對于鋼筋混凝土橋梁來講，主要是混凝土與鋼筋的相關檢測，包括混凝土的強度等級、碳化深度、與耐久性有關的含堿量和氯離子含量，以及鋼筋的銹蝕狀況、保護層厚度測試等。表觀檢查、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查以及材料檢測等都應滿足進行當前橋梁結(jié)構(gòu)分析的需要。
表觀檢查和材料檢測技術及相關測試儀器設備，近年來發(fā)展很快，是橋梁無損檢測（NDI）的重點研究領域。測試儀器設備及相關技術研究在國外橋梁無損檢測研究方面占有很大的比重，相繼研制成功了或正在研制融合電、磁、雷達、數(shù)字信號處理等相關學科的高技術成套測試儀器和設備，如用于橋面板檢測的雙頻帶紅外線自動溫度成像系統(tǒng)。此項技術原來系用于探測地雷；用于橋面板檢測的探地雷達成像系統(tǒng)；整橋測量的激光雷達；整橋測量的無線電脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器；測量橋梁超載情況的裝置；用于裂縫檢測的新型超聲波與磁分析儀；測量鋼橋中疲勞裂縫的溫度成像系統(tǒng)等等。我國當前還主要應用一些常規(guī)的、自動化程度較低的測試儀器和設備。
表觀檢查、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查以及材料檢測僅滿足了橋梁檢測與損傷評價的前3個目標層次，需要利用這些成果進行橋梁結(jié)構(gòu)的分析，完成對橋梁當前結(jié)構(gòu)狀況（主要是承載力）的評價。利用當前的有限元技術，根據(jù)檢測成果，可以完成對橋梁結(jié)構(gòu)的分析與評價，而且也有成熟的和成套的通用有限元分析軟件，如Ansys、SAP可供直接使用，也可以編制一些專用的軟件。但是在橋梁結(jié)構(gòu)檢測和損傷評價方面存在的主要問題是：
（1）材料的本構(gòu)關系模型的建立，主要是經(jīng)歷了外界環(huán)境長期作用混凝土的本構(gòu)關系問題，如何根據(jù)檢測成果，獲得反映當前真實狀況的混凝土復雜的力學特性，或者是如何考慮在不同自然環(huán)境條件作用下混凝土的老化以及不同應力環(huán)境中混凝土的疲勞等對其力學特性的影響；
（2）結(jié)構(gòu)病害或損傷模型的建立問題。材料的損傷可以通過改變其力學特性予以反映，但是一些結(jié)構(gòu)病害，主要是結(jié)構(gòu)裂縫模擬是很復雜的問題。鋼筋混凝土作為一種復合材料，裂縫的出現(xiàn)改變了原有的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系，它不象單一的材料那樣可以用分布裂縫的概念，通過降低材料的力學性能予以反映；
（3）既有橋梁結(jié)構(gòu)分析的可靠性問題。橋梁結(jié)構(gòu)檢測與損傷評價階段的可靠性問題與設計階段的可靠度或安全系數(shù)分析的概念是不一樣的，某種程度上講是一個反過程。橋梁結(jié)構(gòu)測試與結(jié)構(gòu)性能評價的可靠度不僅與結(jié)構(gòu)材料特性有關，還應包括測試過程的可靠性分析方面。
根據(jù)表觀檢查、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查以及材料檢測的成果，通過對當前橋梁進行結(jié)構(gòu)分析，可以實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)性能的評價?；诒碛^檢查（包括總體和細部）、材料檢測、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查的橋梁結(jié)構(gòu)性能分析與評價方法，達到了橋梁結(jié)構(gòu)病害檢測與損傷評價的4個目標層次的要求。進一步，其橋梁結(jié)構(gòu)性能分析成果，可以通過橋梁的結(jié)構(gòu)試驗予以驗證。
2．2 基于靜載和動力特性試驗的橋梁結(jié)構(gòu)性能分析與評價方法
橋梁結(jié)構(gòu)試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進行直接測試的一種檢定手段，是對橋梁結(jié)構(gòu)性能的最直觀、最可靠的檢測方法，按施加荷載的類型可分為靜載試驗和動力特性試驗，我國在這方面有成熟的方法或標準 。橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗是按照橋梁的設計荷載等級，根據(jù)荷載的最不利位置，布置靜載（通常是載重汽車），或者根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的控制內(nèi)力確定荷載及其位置，對橋梁結(jié)構(gòu)進行加載，測試關心截面的靜位移、靜應變、靜轉(zhuǎn)角等橋梁結(jié)構(gòu)衙載響應。進而根據(jù)測試結(jié)果推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。靜載試驗可以直接了解橋梁結(jié)構(gòu)承載情況，驗證橋梁結(jié)構(gòu)設計理論和計算方法，確定和判斷橋梁結(jié)構(gòu)實際的承載能力。
可以通過某項結(jié)構(gòu)響應（位移、應變或應力等）實測值與理論計算值的對比，得到該項響應的校驗系數(shù) ，從而對橋梁的結(jié)構(gòu)性能進行評價。靜載試驗在橋梁結(jié)構(gòu)檢測中有著重要的作用。橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗采用車輛通過、沖擊或環(huán)境激振等加荷方式，通過采集設備獲得橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應信號，對這些信號進行處理得到橋梁結(jié)構(gòu)的頻率、模態(tài)等動力特性，進而對橋梁結(jié)構(gòu)性能進行評價。
上述方法可以進行橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的綜合評價，達不到橋梁結(jié)構(gòu)檢測與損傷評價的4個目標層次的要求。
結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生必然導致結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（剛度、阻尼等）的改變。如果恰當?shù)毓烙嫵鲞@些變化，就能給結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評價提供一個量化的方法。對橋梁結(jié)構(gòu)施加荷載（靜載或動載），通過相應的儀器設備獲得橋梁結(jié)構(gòu)的響應，可以根據(jù)這些響應，進行分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)，通過這些參數(shù)的變化，對橋梁結(jié)構(gòu)性能進行評價，該方法體系也稱為結(jié)構(gòu)反分析。有兩種途徑實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價：（1）基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應；（2）基于結(jié)構(gòu)動態(tài)荷載響應，相應得到橋梁結(jié)構(gòu)的靜力性能參數(shù)和動力性能參數(shù)。
2．2．1 基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價
基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應，進行損傷識別主要有系統(tǒng)識別（SI）、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，其中系統(tǒng)識別方法更為實用。系統(tǒng)識別方法的概念來源于自動化領域，現(xiàn)在逐步在土木工程損傷識別領域中得到應用。系統(tǒng)識別方法首先建立反映橋梁結(jié)構(gòu)體系的力學模型，由施加的荷載，分析得到理論計算的結(jié)構(gòu)響應值；比較結(jié)構(gòu)響應計算值與實測值，采用某種算法，通過反復修改原建立模型的參數(shù)，使響應計算值與實測值達到可以接受的程度（目標函數(shù)），獲得模型的參數(shù)，從而實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的識別。選取適當?shù)淖R別參數(shù)是系統(tǒng)識別方法的首要工作，對于鋼筋混凝土梁橋可選取梁的截面剛度作為待識別結(jié)構(gòu)模型參數(shù)；對其它橋型可以轉(zhuǎn)化為桿件系統(tǒng)。選取桿件的剛度做為識別參數(shù)?？梢苑治龀鐾旰媒Y(jié)構(gòu)的相應參數(shù)，與識別的參數(shù)進行比較分析，從而實現(xiàn)損傷識別與橋梁結(jié)構(gòu)的評價。
橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗一般條件限制較多，對測試儀器的量測精度要求高等因素，阻礙了基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價技術的發(fā)展與應用。隨著當前高新技術傳感器的出現(xiàn)，可以實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)響應的高精度量測，該技術也逐步開始應用或者和動載試驗結(jié)合起來應用。
2．2．2 基于結(jié)構(gòu)動態(tài)荷載響應橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價
利用結(jié)構(gòu)的動力響應進行損傷識別最早也廣泛應用于航空、航天、精密機床等領域的故障診斷、荷載識別以及動力學修改等問題中，現(xiàn)在逐步在土木工程領域得到推廣和應用。它的分析識別和結(jié)構(gòu)評價的過程同靜力響應識別一樣，只不過用于識別的是動力響應，其響應（信號）的處理和識別的過程更為復雜和困難。
橋梁結(jié)構(gòu)動力響應損傷識別在理論上被大家認可的是融合振動理論、振動測試技術、信號采集與分析等跨學科技術的試驗模態(tài)分析法，其識別方法有系統(tǒng)識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等，系統(tǒng)識別方法的分析概念和分析過程同靜力響應損傷識別，其中主要是神經(jīng)網(wǎng)絡方法。
橋梁動力特性測試簡便易行，對測試條件的要求少，因而被認為是在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別領域，最有前途的橋梁無損檢測技術。但是該方法仍存在很多的問題有待解決：
（1）動力特性測試信號采集的噪聲干擾以及信號處理中的失真，由此造成損傷評價結(jié)果的誤判；
（2）動力體系及其非線性問題的復雜性，使得橋梁結(jié)構(gòu)動力很難得到符合結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)的結(jié)果；
（3）橋梁結(jié)構(gòu)動剛度的復雜性，尤其是當結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)后，結(jié)構(gòu)的動剛度表現(xiàn)的更為復雜，同振動的歷程與應力環(huán)境密切相關，使得無法進行結(jié)構(gòu)動剛度的比較分析。因此基于結(jié)構(gòu)動態(tài)荷載響應橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價，進行理論分析的成果較多，應用于工程實踐并得到損傷評價結(jié)果的較少，仍有大量的
工作要做。
在橋梁結(jié)構(gòu)試驗中，基于靜載響應的橋梁結(jié)構(gòu)分析方法是主要的和基本的方法，動載響應測試分析處于輔助的地位，其測試的橋梁結(jié)構(gòu)動力特性成果可用于橋梁的振動控制與抗震分析。
3.結(jié)論
基于表觀檢查（包括總體和細部）、材料檢測、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查的橋梁結(jié)構(gòu)特性分析與評價方法橋梁檢測與損傷評價的重要手段，但是其檢測方法以及結(jié)構(gòu)分析評價體系仍不完善，需要發(fā)展，尤其在我國更應發(fā)展先進的無損結(jié)構(gòu)探測儀器及進行相關理論研究。
基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價方法是可靠和可行的橋梁結(jié)構(gòu)檢測與損傷評價方法，但需要進一步研究高精度的測試儀器，尤其是可以長期連續(xù)、無線的測試儀器?；诮Y(jié)構(gòu)動態(tài)荷載響應橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與評價，仍存在很多理論和工程實踐上的問題，需要進一步解決。
