我國公路橋梁檢測概述
2015-04-21
1、前言
隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，新建高速公路及橋梁越來越多，同時既有的許多橋梁亦逐漸進(jìn)入了養(yǎng)護(hù)維修階段，有關(guān)專家認(rèn)為橋梁使用超過25年以上則進(jìn)入老化期，據(jù)統(tǒng)計，我國橋梁總數(shù)的40%已經(jīng)屬于此范疇，均屬“老齡”橋梁。而且隨著時間的推移，其數(shù)量還在不斷增長，橋梁管理者對橋梁的養(yǎng)護(hù)已日益重視。為了適應(yīng)公路運輸載重量不斷發(fā)展的要求，充分利用現(xiàn)有的公路橋梁，使之能繼續(xù)安全地為公路運輸服務(wù)，根據(jù)交通部頒布的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求，必須對橋梁進(jìn)行鑒定。
與此同時，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)形式的采用也越來越多，為了積累這方面的工程經(jīng)驗我們有必要做一些檢測工作，當(dāng)然還有那些因為趕工期、采用劣質(zhì)材料、施工方法不當(dāng)?shù)仍蚨霈F(xiàn)病害的橋梁需要做鑒定以確保其安全運營。
橋梁結(jié)構(gòu)的鑒定主要包括既有橋梁的檢算和外觀檢查工作以及荷載試驗，通過檢算與外觀的檢查我們可以基本上確定橋梁結(jié)構(gòu)物的使用狀況，然而理論推斷與實際結(jié)構(gòu)的特性往往存在著一定的差別，尤其是承載力的鑒定目前還離不開荷載試驗。
2、需要進(jìn)行檢測的橋梁
需要進(jìn)行檢測的橋梁原因各種各樣，絕大部分是舊橋，因為舊橋資料比較匱乏，相對而言管理起來比較困難；在特殊情況下有些新橋也要求做檢測工作，綜合起來主要有以下幾種因素:
(1)缺乏設(shè)計、施工資料的橋梁。
(2)施工質(zhì)量較差，不符合設(shè)計要求的橋梁。
(3)橋梁竣工經(jīng)過運營一段時間后發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的病害，影響其承載能力。
(4)橋梁施工質(zhì)量較好，運營情況也良好，但希望提高其允許的承載能力。
(5)需要通過超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的特殊荷載車輛的橋梁。
還有一些橋梁是因為一些特殊原因而需要做檢測工作，比如為了取得一定的科研資料等等?，F(xiàn)在一些特大橋梁不僅僅是要求做短期的檢測，還需要進(jìn)行長期的健康監(jiān)控，這里就不作敘述了。
3、橋梁調(diào)查與檢算
檢測就是要根據(jù)實際情況對橋梁進(jìn)行評估，因此前期的主要工作就是從既有的現(xiàn)狀與特性著手，對要檢測的實體有一個總體把握，并且明確后面工作的方向，這就是調(diào)查與檢算。
3.1資料收集
這里所說的資料收集的范圍比通常意義上說的資料范圍要廣泛一些，不僅僅包括設(shè)計資料，還包括施工資料以及有關(guān)的養(yǎng)護(hù)、維修、加固資料。
資料收集涉及的細(xì)節(jié)很多，如設(shè)計資料里面有計算書、設(shè)計圖紙、修改圖紙以及地質(zhì)資料等等；施工資料里面包括各個階段的竣工圖紙、竣工說明書、材料試驗資料及施工記錄、竣工驗收資料等等；其他養(yǎng)護(hù)、維修資料則包括歷史上通過的車型、載重，交通量狀況、維修的資料等等。
還有一些與之有關(guān)的自然環(huán)境或者自然災(zāi)害(洪水、地震、凍土、泥石流等等)的資料如有必要也應(yīng)向有關(guān)部門收集。
3.2外觀檢查與病害分析
外觀檢查是橋梁檢測中一項非常重要的工作，通常如果產(chǎn)生了病害會有一些表象，我們通過外觀的檢查可以分析判斷這些病害產(chǎn)生的原因，提出整治措施并且有利于明確接下來工作的重點。
外觀檢查要求做到抓住重點，力求全面。
3.2.1根據(jù)受力特征確定調(diào)查重點
通?？梢愿鶕?jù)橋型確定調(diào)查的要點，如梁橋的檢查要點有:跨中區(qū)域的裂縫、撓度；端部的剪力縫；主梁連接部位的狀況；構(gòu)件的外觀質(zhì)量等等。又比如拱的檢查要點有:拱圈拱頂下緣與拱腳上緣裂縫；拱軸線的坐標(biāo)；墩的位移等等。而索結(jié)構(gòu)則還有索、錨的質(zhì)量狀況等等。
3.2.2按照部位逐一檢查
橋梁從總體上可以分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)在梁式橋中主要是指主梁，在拱中則還包括主拱肋、拱波、拉索、風(fēng)撐等等，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式有所區(qū)別；下部結(jié)構(gòu)則包括橋墩、橋臺、基礎(chǔ)與承臺、樁等；附屬結(jié)構(gòu)則有橋面鋪裝、人行道、緣石、欄桿、伸縮縫等。
每個部位都有其自己的受力特征，病害也有一些共性，如果出現(xiàn)的不是常規(guī)病害，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)研究找出病因，常規(guī)病害在找出病因的同時應(yīng)根據(jù)其損壞程度進(jìn)行評估，然后確定是否有必要加固或更換構(gòu)件用以維持正常的運營。
3.3材料特性調(diào)查
材料是組成構(gòu)件最基本的元素，也是保證構(gòu)件是否能正常工作的根本。
隨著橋型的多樣化以及新工藝的不斷發(fā)展，將有越來越多的材料應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)中，但目前最基本，使用最廣泛的還是鋼筋和混凝土。鋼材的強度一般以設(shè)計、施工有關(guān)資料為依據(jù)，不再檢查，當(dāng)懷疑鋼材質(zhì)量有問題或者資料不明確時應(yīng)采取必要的措施截取試件進(jìn)行材料試驗?；炷恋膹姸葧S著時間的推移產(chǎn)生一些變化，比較大的橋梁通常會有同期的試塊用以確定強度。對于沒有試塊的橋梁，其混凝土強度可用回彈儀、超聲波檢測儀等進(jìn)行推定，必要的時候可在結(jié)構(gòu)上鉆取試件進(jìn)行材料試驗。
3.4承載力檢算
當(dāng)對橋梁的整體特性進(jìn)行了一些了解之后應(yīng)當(dāng)做一些驗算工作，驗算的原則依然是有關(guān)技術(shù)規(guī)范，需要注意的是有關(guān)參數(shù)應(yīng)當(dāng)以實際橋梁為準(zhǔn)，該折減的進(jìn)行折減，必要的時候也可以考慮有些有利因素。通過驗算對不能滿足要求的橋梁可以考慮重建，有利用價值的則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定工作。
4、靜力試驗
4.1試驗前的準(zhǔn)備工作
進(jìn)行荷載試驗非常復(fù)雜，試驗前應(yīng)做充分的準(zhǔn)備工作，它直接關(guān)系到我們試驗的成敗與否，關(guān)系到我們的試驗是否能夠取得理想的數(shù)據(jù)，否則接下來的工作只能是徒勞。
4.1.1選擇試驗孔(或墩)
試驗孔的選擇主要綜合考慮以下條件:
(1)該孔(或墩)計算受力最不利；
(2)該孔(或墩)施工質(zhì)量較差，缺陷較多或病害較嚴(yán)重；
(3)該孔(或墩)便于搭設(shè)腳手架及設(shè)置測點或試驗時便于加載。
試驗孔的選擇非常重要，它關(guān)系到我們所做的試驗是否能夠比較準(zhǔn)確地反映此部分結(jié)構(gòu)以及整個橋梁結(jié)構(gòu)的性能，需要豐富的現(xiàn)場試驗經(jīng)驗。
4.1.2加載方案的確定選
好了試驗孔之后，我們要在有限的試驗孔上取得有代表性的測試值，必須精心規(guī)劃加載方案。在滿足鑒定橋梁承載力的前提下，加載項目安排應(yīng)抓住重點，不宜過多。靜載試驗一般有一兩個主要內(nèi)力控制截面，此外根據(jù)橋梁具體情況可設(shè)置幾個附加內(nèi)力控制截面。方案中還應(yīng)根據(jù)檢查的情況與加載設(shè)備的現(xiàn)狀確定合適的效率系數(shù)。
有時候我們選取的試驗孔不止一個，這就要求我們更要有清醒的頭腦，如何利用有限的設(shè)備滿足試驗各控制截面的測試要求以及如何組織人員高效有序地進(jìn)行測試工作都是在方案中需要充分考慮的因素。
4.1.3其他現(xiàn)場配合準(zhǔn)備工作
荷載試驗是一個理論與實踐相結(jié)合的過程，其它涉及的事件方方面面也不少。比如通常布設(shè)測點要搭設(shè)腳手架，做試驗提前要準(zhǔn)備荷載車輛，現(xiàn)場要有關(guān)部門配合進(jìn)行交通管制，必要的照明和穩(wěn)定的儀器工作電源，以及現(xiàn)場工作人員的安全保障與聯(lián)絡(luò)設(shè)備等等。
現(xiàn)場試驗的內(nèi)容多而復(fù)雜，準(zhǔn)備工作應(yīng)盡量考慮周全些，這樣才能保證我們試驗?zāi)軌虬凑沼媱澯行蜻M(jìn)行。
4.2測試中應(yīng)獲取的主要數(shù)據(jù)與測試方法
4.2.1根據(jù)測試目的確定要獲取的數(shù)據(jù)
橋梁作為一個整體結(jié)構(gòu)物涉及的細(xì)節(jié)很多，我們也不可能面面俱到，我們應(yīng)根據(jù)前期的外觀檢測以及鑒定工作明確需要測定的部位及需要取得的參數(shù)，減少不必要的勞動。
明確目的有利于我們在工作中把握重點，也決定了我們需要取得那些試驗數(shù)據(jù)，同時也保證關(guān)鍵測試部位數(shù)據(jù)的可靠度。
4.2.2通常情況下需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)
通常舊橋需要鑒定的主要是上部結(jié)構(gòu)的受力特性，監(jiān)控試驗荷載各工況下控制截面的應(yīng)力應(yīng)變就是主要內(nèi)容，同時一些正常使用狀態(tài)下的參數(shù)如撓度、裂縫寬度等也是舊橋的主要測試內(nèi)容。
應(yīng)力應(yīng)變的測點布設(shè)在前面所述方案階段主要內(nèi)力控制截面與附加控制截面，同時根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的橫截面形式在每一個控制截面上又要選取一些有代表的測點，用以反應(yīng)整個控制截面的受力狀況。對于一些特殊結(jié)構(gòu)，如索結(jié)構(gòu)，一般還需要對索力進(jìn)行檢測。
除此之外還有必要根據(jù)實際外觀檢查發(fā)現(xiàn)的一些病害在個別部位進(jìn)行監(jiān)測，如支座的沉降、橫隔板的錯位、剪力縫的開展等等，因為有些非主要受力結(jié)構(gòu)或者附屬結(jié)構(gòu)的破壞也會對主要結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果造成較大的影響，同時也可能是主要結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受力不利的主要原因。
4.2.3測試儀器與方法
試驗中使用頻率較高的儀器有應(yīng)變儀、撓度計、水準(zhǔn)儀、全站儀、百分表等等，有時候由于現(xiàn)場條件的限制我們無法直接使用儀器測試出我們想得到的參數(shù)，這就要求我們測試人員要有一定的經(jīng)驗，采用一定的措施用現(xiàn)有的儀器測出我們想要的數(shù)據(jù)。
當(dāng)然隨著科技的不斷發(fā)展現(xiàn)在可以使用到試驗中的儀器也越來越先進(jìn)，操作也越來越方便，能準(zhǔn)確測試出我們所要參數(shù)的都可以大膽采用。
4.3荷載試驗的實施及現(xiàn)場組織安排
現(xiàn)場測試是最后一項工作，也是最關(guān)鍵的一項工作，它是對我們前期準(zhǔn)備工作的檢驗，能否取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)也與現(xiàn)場試驗是否順利息息相關(guān)。
4.3.1合理的分工
橋梁試驗從空間上和時間上都涉及到一定的范圍，每個人在測試過程中的任務(wù)也非常繁重，這就需要我們在試驗前要精心計劃安排，明確每個測試人員各個階段的任務(wù)，做到有條不紊，保證試驗按照計劃正常進(jìn)行。
4.3.2試驗流程的控制指揮
現(xiàn)場試驗要有一名經(jīng)驗豐富的指揮人員，其他配合人員要絕對配合指揮人員的工作。指揮人員要求對整個試驗的流程非常清楚，并且明確那一個階段該做什么，要讀取那些數(shù)據(jù)，同時要及時根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)做一些初步判斷，不斷調(diào)整現(xiàn)場試驗流程。
荷載要嚴(yán)格按照方案中確定的分級加載方式，當(dāng)未達(dá)到控制荷載工況卻發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)超過正常允許的范圍值時，指揮人員應(yīng)當(dāng)中止試驗過程以保證試驗人員的安全。
4.3.3現(xiàn)場準(zhǔn)備工作情況與臨時應(yīng)對措施
由于公路舊橋正是因為有很多未知的因素才需要做荷載試驗，所以我們對現(xiàn)場試驗中可能會出現(xiàn)的問題也難以一一作出預(yù)測，比如發(fā)現(xiàn)加載車輛與方案中要求的有所區(qū)別，可以調(diào)整車位來滿足效率系數(shù)的要求。測試過程中試驗人員如發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時通知指揮及其他測試人員，作出判斷之后再進(jìn)行后面的工作。
5、動力試驗
橋梁檢測動載試驗是動力測定評價方法的基本測試項目。是為了滿足工程應(yīng)用的需要，應(yīng)用理論分析與試驗測試結(jié)合的科學(xué)方法解決橋梁振動問題的必要手段，是橋梁檢測工作中的重要環(huán)節(jié)，其對橋梁使用狀況和承載力的評價提供了重要的數(shù)據(jù)參數(shù)。橋梁檢測中動載試驗的內(nèi)容主要是結(jié)構(gòu)動力特性和動載響應(yīng)的試驗與分析，量測的主要部位是結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)最大構(gòu)件的動應(yīng)力及動變形的控制截面。一般來說，檢測項目主要包括:
(1)橋梁動力特性模態(tài)參數(shù)測試(頻率，振形，阻尼比)；
(2)橋梁動力響應(yīng)測試(動撓度、動應(yīng)力、加速度，沖擊系數(shù))。
5.1測試儀器
動載試驗的測試儀器主要包括測試傳感器，信號放大器，光線示波器，磁帶記錄儀和數(shù)字信號處理機。根據(jù)儀器的性能和使用傳感器的特性，可以選配不同的測試系統(tǒng)。
5.2橋梁動載試驗的激振方法
橋梁動載試驗的激振方法應(yīng)根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)型式和剛度，選擇效果好、易實施的方法。常用的方法有自振法、共振法和脈動法三種。
5.3動載試驗數(shù)據(jù)分析及評定
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是與結(jié)構(gòu)的組成形式剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)而與荷載等其他條件無關(guān)的性質(zhì)。橋梁的模態(tài)參數(shù)是整個結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特性，它是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析所必須的參數(shù)，其結(jié)果不僅可以用來分析結(jié)構(gòu)動載作用下的受力情況，而且對橋梁承載力狀況評定提供重要指標(biāo)。
5.3.1固有頻率的測定
對于比較簡單的結(jié)構(gòu)，只需結(jié)構(gòu)的一階頻率，對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力分析，還應(yīng)考慮第二、第三及更高階的頻率。橋梁固有頻率可以直接通過測試系統(tǒng)實測記錄的功率譜圖上的峰值、時域歷程曲線或其自相關(guān)圖上確定。由基頻還可以推算承重結(jié)構(gòu)的動剛度。
5.3.2阻尼
橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性一般由對數(shù)衰減率δ或阻尼比Ｄ來表示，可由時域信號中的振動衰減曲線求得。另外，也可以從功率譜圖中，用半功率帶寬法來計算阻尼，一般測試系統(tǒng)軟件均可完成此類分析。
5.3.3振型
一般橋梁結(jié)構(gòu)的基頻是動力分析的重要參數(shù)。傳感器測點的布置根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，通過理論分析后確定。
振型的測定一般采用兩種方法，一種是使用多個傳感器測定。另一種是使用一個傳感器變換位置測量，這種情況下需要一個作用參考點，測試時比較煩瑣，在條件限制時使用，一般應(yīng)采取第一種方法測試。
5.3.4沖擊系數(shù)
橋規(guī)中定義沖擊系數(shù)μ為沖擊力與汽車荷載之比。對于線彈性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)來說，動荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與靜荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)之比即為1+μ。因此，沖擊系數(shù)的測試通常采用測定結(jié)構(gòu)動應(yīng)變或動撓度的方法。
測試前，在梁的跨中(或最大變位、應(yīng)變處)布置電阻應(yīng)變片式的位移計或應(yīng)變計，并通過動態(tài)應(yīng)變儀與電腦相接。試驗時，由加載車輛以某一速度從測點駛過，記錄其輸出應(yīng)變隨時間變化的實時信號。一般情況下，應(yīng)測試記錄多種車速下的輸出應(yīng)變結(jié)果，以作分析比較。
一般來講，橋梁在跨徑Ｌ=30～70ｍ時，車輛與橋梁的自振頻率較接近，易產(chǎn)生共振，在單臺車作用下的沖擊系數(shù)特別大；沖擊系數(shù)隨阻尼比的減小而增大，阻尼比越小，沖擊系數(shù)受橋梁的影響越明顯，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的沖擊系數(shù)大于同等跨徑的鋼筋混凝土梁橋，這些在測試中需注意，以便更好地分析沖擊系數(shù)的測試結(jié)果。
事實上，實測汽車沖擊系數(shù)除了與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，還與試驗車輛的性質(zhì)、路面平整度、車速有一定關(guān)系。車輛荷載本身是一個帶有質(zhì)量的振動系統(tǒng)，當(dāng)它在橋上行駛時，與橋產(chǎn)生車、橋耦合振動。由于車輛動力特性的復(fù)雜性，以及橋梁阻尼的離散性和橋面不平整的隨機性，同一座橋梁多次不同的試驗，測得的沖擊系數(shù)也不盡相同。
6、結(jié)語
橋梁檢測是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，不僅要求工作人員有豐富的實際現(xiàn)場經(jīng)驗，而且同時需要堅實的理論基礎(chǔ)作為指導(dǎo)。只有把理論和實際充分結(jié)合起來，再加上指揮者與各試驗人員之間的默契配合，才能做好檢測工作并取得滿意的數(shù)據(jù)，也只有這樣我們才有可能做出準(zhǔn)確的評估。
