混凝土橋梁的檢測(cè)技術(shù)及其新發(fā)展
2010-12-06 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
近幾十年來(lái)，我國(guó)的江河上和城市內(nèi)，都修建了許多特大和大、中型橋梁，包括鐵路橋梁、公路橋梁、公鐵兩用橋和城市的立交橋等。這些橋梁在建設(shè)中和運(yùn)營(yíng)管理期間，都需要進(jìn)行大量常規(guī)的技術(shù)檢測(cè)工作，以確保工程的設(shè)計(jì)要求和施工質(zhì)量及運(yùn)行安全。而同時(shí)許多早期修建的橋梁結(jié)構(gòu)，由于年久失修，導(dǎo)致橋梁局部出現(xiàn)了一些病害，例如，混凝土表面脫落，鋼筋外露；混凝土碳化、鹽蝕嚴(yán)重，使主要受力截面的抗壓性能受到削弱等等不一而足。因此，今天的橋梁檢測(cè)領(lǐng)域不僅僅包括成橋前靜載和動(dòng)力試驗(yàn)，還涵蓋到大量舊橋的檢測(cè)與維護(hù)上，只有通過(guò)檢測(cè)，評(píng)價(jià)其使用可靠度、估計(jì)其剩余壽命，才能為橋梁主管部門的決策提供依據(jù)。在我國(guó)，混凝土橋梁的檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已比較成熟，但與國(guó)外研究的最新技術(shù)相比，還有一定的差距，本文著重介紹混凝土橋梁的檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)及世界范圍內(nèi)的應(yīng)用及其新發(fā)展。
一、混凝土橋梁的檢測(cè)技術(shù)
混凝土橋梁的檢測(cè)離不開荷載試驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，有以下情況需進(jìn)行荷載試驗(yàn)：一是興建的大跨度混凝土橋，尤其當(dāng)采用了新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝的橋跨結(jié)構(gòu)更需進(jìn)行荷載試驗(yàn)；二是需通行特種車輛的新舊橋梁，為保證該橋使用安全，需按實(shí)際輪位和軸重進(jìn)行模擬荷載試驗(yàn)或等效菏載試驗(yàn)；三是修復(fù)的、改建的或加固的舊橋，為驗(yàn)證工程效果，需進(jìn)行驗(yàn)收或鑒定性荷載試驗(yàn)；四是年久失修，且缺乏設(shè)計(jì)和施工技術(shù)數(shù)據(jù)的舊橋，為判斷是否能承受預(yù)計(jì)的荷載，也需進(jìn)行荷載試驗(yàn)。
（一）荷載試驗(yàn)分類及其準(zhǔn)備1.荷載試驗(yàn)分類，按所加荷載性質(zhì)，可分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)；按加載數(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的比值（包括沖擊系數(shù)在內(nèi)）可分為三種：基本荷載試驗(yàn)、重荷載試驗(yàn)和輕荷載試驗(yàn)，本文著重闡述靜載試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)。
2.荷載試驗(yàn)準(zhǔn)備：試驗(yàn)前，需做好充分的準(zhǔn)備，這就要求盡可能的收集設(shè)計(jì)與施工資料，這也是為確定試驗(yàn)荷載、布置測(cè)點(diǎn)以及以后的測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。這些資料包括橋跨的總體與各截面幾何尺寸、標(biāo)高、設(shè)計(jì)荷載等級(jí)、行車道標(biāo)準(zhǔn)、支座和墩臺(tái)位置標(biāo)高及布置，材料的物理力學(xué)性能等。如有可能，一方面，從設(shè)計(jì)單位那里索取該橋的控制截面的計(jì)算內(nèi)力、計(jì)算撓度、影響線和結(jié)構(gòu)的自振頻率等；另一方面，從施工方那里索取該橋的實(shí)際尺寸、標(biāo)高、施工時(shí)材料數(shù)據(jù)，尤其是混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)數(shù)據(jù)、彈模數(shù)據(jù)、荷載試驗(yàn)時(shí)混凝土的齡期等。與此同時(shí)，還應(yīng)做好實(shí)橋調(diào)查工作，對(duì)實(shí)橋表面的病害，用圖標(biāo)明病害位置和病害程度；摸清橋址處的供電和交通情況，當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r，有無(wú)試驗(yàn)所需的標(biāo)準(zhǔn)車輛等第一手資料，因?yàn)檫@些都可能影響到事先所擬訂的試驗(yàn)方案，如能及早發(fā)現(xiàn)情況和間題，就可以對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行及時(shí)修改。
?。ǘ╈o載試驗(yàn)混凝土橋梁的靜載試驗(yàn)，一般需進(jìn)行以下測(cè)試內(nèi)容：
1.結(jié)構(gòu)的豎向撓度、側(cè)向撓度和扭轉(zhuǎn)變形。每個(gè)跨度內(nèi)至少有三個(gè)測(cè)點(diǎn)，并取得最大的撓度及變形值，同時(shí)觀測(cè)支座下沉值。有時(shí)測(cè)試也為了驗(yàn)證所采用的計(jì)算理論，要實(shí)測(cè)控制截面的內(nèi)力和撓度縱向和橫向影響線。
2.記錄控制截面的應(yīng)力分布，并取得最大值和偏載特性。沿截面高度不少于5個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括上、下緣和截面突變處。有些結(jié)構(gòu)需測(cè)試支點(diǎn)及附近、橫隔板附近剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，此時(shí)需將應(yīng)變計(jì)布成應(yīng)變花。
3.支座的伸縮、轉(zhuǎn)角，支座的沉降；墩頂位移及轉(zhuǎn)角。
4.仔細(xì)觀察是否已出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)初始裂縫時(shí)所加的荷載，仔細(xì)表明裂縫出現(xiàn)的位置、方向、長(zhǎng)度、寬度及卸載后閉合情況。如果結(jié)構(gòu)的控制截面變形、應(yīng)力或裂縫擴(kuò)展，在尚未加到預(yù)計(jì)最大試驗(yàn)荷載前，已提前達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的允許值，應(yīng)立即停止加載，同時(shí)注意觀察裂縫擴(kuò)展情況，撤離儀器和人員。
5.細(xì)觀察卸載后的殘余變形。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)而言，如懸索橋和斜拉橋，尚需觀察索力和塔的變位并進(jìn)行支座的測(cè)定。
混凝土橋的靜載試驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵控制截面的測(cè)試，嚴(yán)格在該截面影響線上加載標(biāo)準(zhǔn)荷載車隊(duì)，以確定標(biāo)準(zhǔn)車輛在橋上的輪位位置。除了對(duì)加載車輛的輪位有所控制外，試驗(yàn)時(shí)溫度是一個(gè)重要因素。通常而言，溫度變化一攝氏度，混凝土構(gòu)件將產(chǎn)生十個(gè)微應(yīng)變的變形，對(duì)于50號(hào)混凝土，相應(yīng)于0.35吻a的應(yīng)力誤差。因此應(yīng)做好溫度補(bǔ)償和收縮補(bǔ)償塊等工作，以直接或間接消除溫度及收縮的影響。
?。ㄈ﹦?dòng)力試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力試驗(yàn)是研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動(dòng)力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動(dòng)特性，其測(cè)試數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀況和承載特性的重要指標(biāo)。眾所周知，橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)，要避免外界的強(qiáng)迫振動(dòng)源，如風(fēng)、車輛等的頻率與橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率相等，否則會(huì)引起過(guò)大的共振振幅危及橋梁的使用安全。同理，當(dāng)車輛以某一速度通過(guò)橋面時(shí)，橋跨的動(dòng)撓度和動(dòng)應(yīng)力最大，那么，此時(shí)的車速稱為臨界車速。由臨界車速引起的共振將產(chǎn)生動(dòng)力擴(kuò)大效應(yīng)并直接影響到橋梁的安全使用，通常用沖擊系數(shù)來(lái)表示這種擴(kuò)大效應(yīng)。橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)，主要是圍繞沖擊系數(shù)做文章，實(shí)際的的動(dòng)力試驗(yàn)包括以下內(nèi)容：
1.測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性，如沖擊系數(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力等。
2.測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性等。
橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力試驗(yàn)，首先必須使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，然后通過(guò)儀器記錄下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)程曲線，再通過(guò)專門的FFT（快速傅立葉轉(zhuǎn)換）儀器，分析出結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)振動(dòng)特性。有兩種方法可模擬外界對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力激振，這其中包括穩(wěn)態(tài)激振和脈動(dòng)激振。穩(wěn)態(tài)激振包括以一輛或多輛并行滿載車列以不同速度過(guò)橋或在橋上制動(dòng)。而脈動(dòng)激振可直接利用外界隨機(jī)振源。動(dòng)力分析設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師可直接分析輸出結(jié)果。但與之同時(shí)的理論分析，與實(shí)際情況仍存在相當(dāng)?shù)牟顒e。在進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)控制截面上的實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)撓度和最低標(biāo)準(zhǔn)限值應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)的容許值。否則容易對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損壞。
二、國(guó)內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)的一些最新發(fā)展
在美國(guó)，每年有大量的橋梁急需維修，為了確保橋梁的維修經(jīng)費(fèi)的合理使用，美國(guó)公路管理局?jǐn)M采用一種貝葉斯預(yù)測(cè)技術(shù)，將以前的檢測(cè)數(shù)據(jù)和工程判斷組合起來(lái)，可清楚的考慮到測(cè)量的錯(cuò)誤，將建立在工程評(píng)價(jià)和先前的經(jīng)驗(yàn)信息上融入到未來(lái)的混凝土橋梁衰變預(yù)測(cè)中，并可隨時(shí)將新的檢測(cè)數(shù)據(jù)增添到已有橋梁的管理系統(tǒng)中的架構(gòu)中。這種技術(shù)現(xiàn)已運(yùn)用于克羅拉多州的一座預(yù)應(yīng)力橋梁上。美國(guó)公路管理局早已開始對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)所有的橋梁的基本數(shù)據(jù)建庫(kù)，并可將以后的檢測(cè)所獲得數(shù)據(jù)不斷的更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容。
美國(guó)AASHTO已建立起“DATAPAVE路面長(zhǎng)期管理使用性能數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)”，相信不久其相應(yīng)的橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)也將建立起來(lái)。我國(guó)上海市現(xiàn)已著手建立“上海市城市橋梁管理系統(tǒng)”，它通過(guò)對(duì)橋梁的不同部位進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)加權(quán)匯總成全橋的橋梁缺損狀況值（Bcl），最后得出該橋的使用可靠度，這種分析充分運(yùn)用了模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)。目前，將損傷力學(xué)用于橋梁表面病害、故障檢測(cè)，已有不少成果間世，有學(xué)者認(rèn)為可用它粗略估計(jì)老橋梁的殘余壽命。多學(xué)科的交叉大大發(fā)展了橋梁的檢測(cè)理論，這標(biāo)志著以后橋梁可靠度綜合評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)展的方向，檢測(cè)方法的發(fā)展也是日新月異。過(guò)去斜拉橋的斜拉索發(fā)生斷索事故，無(wú)從知曉?，F(xiàn)在，使用磁漏檢測(cè)技術(shù)可直接檢測(cè)出是否斷索和斷索部位。樁基試驗(yàn)方法也已有大的突破。應(yīng)用波動(dòng)方程的解析法（cAs日、分析法（sMITH）、以及實(shí)測(cè)曲線擬合法（CAP-WAP、CAPWAP/C）進(jìn)行樁的動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，已取得多種經(jīng)驗(yàn)。例如高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)業(yè)已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，并列入相應(yīng)的規(guī)程中。動(dòng)力分析的快速傅立葉變換（FFT）的設(shè)備也從硬件式到“Pc分析儀”，這就大大的降低了費(fèi)用。
