湖南省衡南县农村公路管理所 湖南衡阳 421001
摘要：我国桥梁的发展进入新建和维修加固并举的阶段，而检测技术是对旧有桥梁评估和鉴定的必要前提和依据。基于无损(或微损)检测和结构载荷试验的桥梁结构特性分析与评价是旧有桥梁损伤识别的两种重要方法，其中前者主要包括外观和材料检测，后者为静载和动载的响应分析。在探讨桥梁检测技术的基础上，对某钢筋混凝土T形梁桥进行无损检和静、动荷载试验，对其结构性能进行全面综合评价，为其养护与维修提供可靠依据，并为同类结构的改造和加固提供借鉴。
关键词：桥梁结构，损伤检测，载荷试验，性能评价
中图分类号：TU375.2 文献标识码：A
引言
随着我国交通事业的迅速发展，我国的 桥梁事业已逐步进入大规模新建和维修加固的并举阶段。旧有桥梁在自然环境和使用环境的长期作用下，通常产生混凝土裂缝与碳化、钢筋锈蚀等诸多的病害与损伤。加之重型车辆和自然灾害的影响，对旧桥的安全性能和结构工作状况的评估与鉴定显得日益重要。据不完全统计，我国现有桥梁约40%已基本达到或接近其设计基准期[1]，因此建立桥梁的检测和评价体系成为相关部门的迫切需求和国内外学者的研究重点，以将重大结构性的安全事故消除于萌芽状态。
桥梁同其它土木工程结构相同，其损伤检测与健康诊断主要包括损伤状态识别、损伤定位、损伤程度量化及残余寿命预测四项内容[2]，具体地可分为基于无损(或微损)检测与基于载荷试验的结构性能分析与评价两个层次。
1 基于无损(或微损)检测的桥梁结构特性分析与评价
无损(或微损)检测是指在不(微)破损结构或构件内部状态及其使用性能的前提下，利用各种媒介技术(声波、超声波、电磁波、电场、磁场、光、热、和射线)[3]对结构的表观和材料进行检测和评定。
1.1 表观检查与材料检测
表观检查是对桥梁整体与局部构造几何尺寸、结构病害(结构裂缝、结构附属设施病害)等进行检查与量测, 其检测项目和要求针对不同的桥型具有不同的侧重点，以定量反映桥梁当前结构状况和依据相关规范[4]评定桥梁技术等级的要求。材料检测主要包括混凝土的强度等级、裂缝宽度及深度、碳化深度、与耐久性有关的含碱量和氯离子含量，以及钢筋的直径和位置、锈蚀状况、保护层厚度测试等。
根据表观检查及材料检测的成果，并结合结构资料，利用Ansys、SAP等有限元分析软件，可对桥梁结构进行承载力分析，实现对其结构性能的评价。
1.2常规检查内容与方法
混凝土强度通常采用机械(敲击法、回弹仪法、撞击法、枪击法等) 和物理法(共振法、超声波探测仪法) 及综合法，而以超声回弹法为主，必要时可采取局部破损的钻芯法。一般利用塞尺、手持式读数显微镜、长标距裂缝应变片及千分表引伸仪法检测裂缝的发生的部位、走向、宽度、分布状况以及发展情况。 钢筋探测仪及四电极法是检测钢筋位置与锈蚀的通用方法。
近年来桥梁无损(或微损)检测技术及测试仪器发展较快，融合电、磁、雷达、数字信号处理等相关学科的高新技术和设备成功研制，如用于桥面板检测的双频带红外线自动温度成像系统和探雷达成像系统，用于裂缝检测的新型超声波与磁分析仪；测量钢桥中疲劳裂缝的温度成像系统等[5]。此外，数字及图像处理技术亦取得重大进展，如基于GPRS实现桥梁检测远程数据传输[6]和神经网络的应用[7]。
2 基于无载荷试验的桥梁结构特性分析与评价
桥梁荷载试验是对桥梁结构工作物一种直接、可靠的测试方法，指将标准设计荷载或其等效荷载施加于实桥结构的指定位置，对实桥结构的应变分布、变形量进行检测，以此对评估结构和实际的承载等级性能。按施加的荷载类型可分为静载实验和动载实验，综合评价结构整体性能。
结构损伤的发生必然导致结构性能参数(刚度、阻尼等)的改变，故通过桥梁结构施加荷载(静载或动载)，并利用有关的仪器设备可获得相应的结构响应。根据响分析得到的结构的性能参数的变化特性可对结构性能进行评价，为结构损伤状态的评价提供一种量化的方法，即结构反分析。桥梁结构的损伤识别与评价通过基于结构静态和动态荷载响应两种途径实现，相应得到桥梁结构的静力和动力性能参数。
2.1 基于结构静态荷载响应的桥梁结构损伤识别与评价
混凝土桥梁结构静载试验是按照桥梁的设计荷载等级，根据最不利位置布置静载(通常是载重汽车)，或者根据桥梁结构的控制内力确定荷载及其位置，对桥梁结构进行加载，通过主要截面的静位移、静应变、静转角等桥梁结构荷载响应的测试结果推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。一般分为四个阶段，即试验方案的设计与分析阶段，加载与观测阶段，试验资料分析阶段，结构性能分析阶段。
基于结构静态响应的损伤以系统识别法最为实用，即通过结构响应(位移、应变或应力等) 实测值与理论计算值的对比和模型参数的反复修改，使两者达到可接受的程度(目标函数)， 获得校验系数η，进而评价结构性能[8]。选取适当的识别参数是系统识别方法的关键工作，对于钢筋混凝土梁桥一般可选取梁的截面刚度作为待识别结构模型参数；对其它桥型可以转化为杆件系统，以杆件的刚度做为识别参数。可经完好结构的相应参数与识别参数进行的比较分析，实现损伤识别与桥梁结构的评价[9]。
2.2 基于结构动态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价
桥梁结构动载试验采用车辆通过、冲击或环境激振等加荷方式，利用对采集设备获得桥梁结构的振动响应信号的分析处理得到桥梁结构的固有频率、阻尼、振型曲线等动力特性和振幅、位移、应力等动力响应，从宏观上判断桥梁结构的结构性能与运营性能。桥梁结构动力响应损伤识别在理论上和实际中被大家认可的是融合振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法[10]，其识别方法主要有有系统识别、神经网络、遗传算法等[11]。
动载主要试验解决动荷载、桥梁结构的动力特性和桥梁在动载作用下的强迫振动效应三类基本问题。试验时必须设法使桥梁产生一定的振动，然后应用测振仪器加以测试和记录，进而通过对振动信号分析得到桥梁的动力特性和响应。桥梁动载试验的激振方法根据测试目的的不同，一般可分为脉动试验、跳车试验(冲击试验)、跑车试验等[12]。
3 桥梁检测工程实例
3.1 工程概况
某桥梁5跨，总长100m，跨径组合为5×20m；桥面采用混凝土铺装，总宽8m，行车道宽7m，两侧人行道各宽0.5m。上部结构为简支普通钢筋混凝土T梁。每跨共有5片T梁，之间设5道横隔板；下部结构为双柱式墩台。
检测目的是掌握该桥的整体状况和工作状态，综合评价其使用状态，并对病害原因进行分析，为养护维修提出初步处理意见和提供参原始数据。
3.2 外观质量及材料检测
3.2.1混凝土裂缝检测
经检测，全部各T梁普遍存在少量竖向裂缝，但宽度未超过规范限值，另有部分延伸至底部形成“L”型裂缝。各T梁表面均出现10%~20%左右的麻面现象，严重位置已用水泥砂浆修补，而梁体浅层裂缝集中产生在麻面修补位置。因各墩顶均未设置支座，导致T梁端部与盖梁接触部位存在少量混凝土破损现象。其中1-1#T梁右侧腹板处有三条竖向裂缝，长宽分别为100mm、0.2mm，320mm、0.02mm，280mm、0.01mm；2-5#T梁腹板在跨中位置出现一条“U”裂缝，组合长度为900+200+700mm，缝宽0.1mm，如图3.1及3.2所示：
该桥盖梁及桥墩未出现混凝土开裂，2#墩及4#墩盖梁因受水侵蚀，底部均一处钢筋锈胀，混凝土出现局部剥落，如图3.3及3.4所示：
3.2.2其它项目检测
根据回弹法对混凝土强度的测试结果，各构建强度处于良好状态，评定标度为1，但因龄期超出《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中1000d的限制，故实测强度值只能作为参考。碳化深度检测结果表明，各梁碳化深度平均值在4~5mm之间，且与保护层厚度比值均小于0.5，按照《公路桥梁技术状况评定标准》H21-2011评定标度为2，对钢筋锈蚀影响较小。另选择分别布置10个测点的10个构件进行钢筋锈蚀检测，得知上、下部结构钢筋锈蚀评定为1，即无锈蚀性或锈蚀活动不确定，认为钢筋可能的锈蚀程度缓慢。
3. 3静载试验
3.3.1试验方案
按试验荷载效率，即试验荷载作用下控制截面内力与控制荷载作用下控制截面最不利内力之比，在0.95~1.05的布载确定原则，选择第一跨进行试验。试验荷载按汽-15级荷载对桥梁主要控制截面产生的最不利内力(位移)效应并经等效换算而得，见表3.1，采用MIDAS软件计算。静载试验加载及计算模型见图3.5及3.6所示：
3.3.2试验检测结果
按在试验荷载作用下，T梁跨中挠度及应变测试结果见图3.8~3.10所示：
据图3.8可知，实测挠度
值较理论值较小，表明截面刚度符合设计要求。
分析图3.9~3.10，可以看出最大及试验荷载与分级加载作用下跨中截面实测与理论应变曲线基本吻合，实测应变值略小于理论计算值。试验荷载作用下，T梁跨中截面最大应变的校验系数为0.84，说明结构强度满足要求；梁跨中最大应变的相对残余应变为6.33%，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》不大于20%的要求，又各测点实测应变值线性关系良好，说明结构处于良好的弹性工作状态，满足荷载等级(汽-15)的要求。
3.4动载试验
3.4.1试验方案
采用天然脉动的环境激励和10吨载重汽车一辆的车辆激励进行试验。在桥面上，汽车分别以20km/h、30km/h的行驶速度进行跑车及在跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁的加速度时程曲线；在无车辆通行时，桥梁承受环境自然激励，量测其固有振动频率。
3.4.2试验检测结果
静载自振频率采用脉动法进行测试，结果见表3.2所示：
分析图3.11-3.15，该桥
整体性能较为平稳，跑车、刹车和跳车(用前轮跳车) 的各项动力系数和阻尼比均在正常范围，其中加速度幅值为10-1，与同类桥梁基本相似。
4 结论
(1) 基于无损(或微损)检测的桥梁结构特性分析与评价主要包括表观检查(包括总体和细部) 、材料检测两个方面，是桥梁检测桥
梁检测与损伤评价的重要手段。我国应加大发展先进无损结构探测仪器及进行相关理论的研究。
(2) 基于结构载荷响应桥梁结构的损伤识别与评价方法是可靠和可行的桥梁结构检与损伤评价方法, 但需要进一步研究高精度的测试仪器以解决理论和工程实践上的问题。
(3) 该桥通过基于无损(或微损)检测与荷载响应的损伤识别与评价，说明其整体结构性能基本满足设计及相关规范要求。
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论文作者:谢小球
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/27
标签：桥梁论文; 结构论文; 荷载论文; 损伤论文; 裂缝论文; 评价论文; 锈蚀论文; 《基层建设》2016年5期论文;