橋梁評(píng)估及加固技術(shù)研究
2015-04-21
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)也迎來(lái)一個(gè)輝煌的時(shí)代。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至到2009年，我國(guó)公路橋梁達(dá)60萬(wàn)座。橋梁的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。但眾多橋梁中出現(xiàn)問(wèn)題的也為數(shù)可觀，垮塌事件屢屢發(fā)生?？逅蚋采w從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)、管理各個(gè)環(huán)節(jié)。如何評(píng)價(jià)現(xiàn)有橋梁的實(shí)際承載力與安全度問(wèn)題、如何及早檢查發(fā)現(xiàn)橋梁產(chǎn)生的損傷及異?，F(xiàn)象，正確地鑒定結(jié)構(gòu)物地?fù)p傷程度，從而采用合理的維修加固方法已成為世界范圍的研究熱點(diǎn)課題。
混凝土結(jié)構(gòu)病害常見(jiàn)的表現(xiàn)型式有裂縫、破損、鋼筋銹蝕等，目前常用的檢測(cè)手段可以檢測(cè)混凝土強(qiáng)度、混凝土缺陷、鋼筋位置、裂縫寬度、深度等，通過(guò)對(duì)這種對(duì)局部缺陷的檢測(cè)，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)做整體性的技術(shù)狀況評(píng)級(jí)。這種方法已被很多國(guó)家采用，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。但這種用局部檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)整體狀況畢竟帶有一定的主觀因素。因此世界上掀起了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和剩余承載力研究的熱潮。
損傷識(shí)別的基本思想是認(rèn)為結(jié)構(gòu)某些特性（比如剛度）的改變會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的某些響應(yīng)（如固有頻率、模態(tài)、撓度和應(yīng)變等）發(fā)生變化，這種特性的改變（相對(duì)于完好結(jié)構(gòu)——成橋時(shí)的狀態(tài)或設(shè)計(jì)狀態(tài)）就是損傷。而損傷識(shí)別需要回答的問(wèn)題是：結(jié)構(gòu)內(nèi)是否存在損傷？損傷的位置在哪里？損傷的嚴(yán)重程度怎樣？圍繞這三個(gè)問(wèn)題，人們提出了各種損傷識(shí)別方法（大都源于航空航天工程）。
損傷研究的方法總的來(lái)講可分為有模型法和無(wú)模型法。無(wú)模型的損傷識(shí)別方法通過(guò)把測(cè)量得到的響應(yīng)和完整結(jié)構(gòu)的響應(yīng)相比較（結(jié)構(gòu)指紋）就能確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否發(fā)生了損傷。這種方法不需要結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如有限元模型，也不需要明確地計(jì)算出損傷，所以可以也可以稱(chēng)為隱式的損傷識(shí)別方法；有模型的損傷識(shí)別方法利用測(cè)量得到的響應(yīng)來(lái)反演結(jié)構(gòu)的某些特性，再和完整結(jié)構(gòu)的特性（結(jié)構(gòu)指紋）相比較，就可以識(shí)別損傷。這種方法要求使用結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，并且明確地計(jì)算出了損傷，所以也可以稱(chēng)為顯式的損傷識(shí)別方法。其實(shí)無(wú)論哪種方法也可根據(jù)其所采用的指標(biāo)是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)的來(lái)將其劃分為動(dòng)態(tài)識(shí)別法、靜態(tài)識(shí)別法。動(dòng)態(tài)法主要是利用結(jié)構(gòu)的頻率、模態(tài)等參數(shù)，通過(guò)構(gòu)造損傷指標(biāo)或其他方法，來(lái)求解結(jié)構(gòu)的剛度；靜態(tài)法是利用結(jié)構(gòu)反應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的剛度矩陣的變化，是一種參數(shù)估值問(wèn)題，只能通過(guò)人為定義的誤差函數(shù)最小進(jìn)行求解。這些方法各有利弊，動(dòng)態(tài)法利用的是結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)特性，可隨時(shí)測(cè)量并做計(jì)算分析，對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)十分適用，但遺憾的是目前的這些方法理論不能很好的完成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷定位、損傷量化的任務(wù)。靜態(tài)法測(cè)量的是結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)荷載，相對(duì)來(lái)講數(shù)據(jù)較為精確，對(duì)一些型式簡(jiǎn)單的橋梁也可分析損傷的狀況，有一定的應(yīng)用價(jià)值。但由于只能在靜態(tài)下完成，應(yīng)用受到較大限制。至于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波法等還在理論研究階段。總之，目前的損傷識(shí)別理論還不夠成熟，許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步的解決。
剩余承載能力的研究在某種程度上講比損傷識(shí)別還要困難，目前除了對(duì)分項(xiàng)系數(shù)研究開(kāi)展的有些深入外，由于涉及的因素較多，其他方面的研究進(jìn)展緩慢。
橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是進(jìn)幾十年發(fā)展起來(lái)的新生事物。一個(gè)完整的系統(tǒng)可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)和環(huán)境、荷載等進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而通過(guò)與設(shè)計(jì)值的比較來(lái)判斷結(jié)構(gòu)整體的性能處于何種狀態(tài)，而安裝的視頻系統(tǒng)則可起到輔助交通管理的作用。用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果補(bǔ)充人工檢查的結(jié)果，以調(diào)整構(gòu)件狀態(tài)等級(jí)評(píng)分、各類(lèi)人工檢查的間隔時(shí)間和維修決策。這實(shí)際上是用現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的橋梁維護(hù)技術(shù)做本質(zhì)上的改進(jìn)。我國(guó)自20 世紀(jì)90 年代起也在一些大型重要橋梁上安裝了不同規(guī)模的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如在香港的青馬橋上安裝的保證橋梁運(yùn)營(yíng)階段安全的“風(fēng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WASHMS) ”, 監(jiān)測(cè)作用在橋梁上的外部荷載(包括環(huán)境荷載、車(chē)輛荷載等)與橋梁的響應(yīng)；上海徐浦大橋、南京長(zhǎng)江大橋等橋上也都安裝了類(lèi)似的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；而在滬蓉西高速公路上，一個(gè)大型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控四渡河、支井河等四座特大型橋梁以及兩座高邊坡，以此工程為背景的交通部西部課題《高速公路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究》的重點(diǎn)研究部分就包含了損傷識(shí)別和剩余承載力評(píng)估等內(nèi)容。
由于橋梁檢測(cè)和評(píng)估中的眾多不確定因素，舊橋的加固、設(shè)計(jì)就顯得與新橋設(shè)計(jì)完全不同。后者可根據(jù)圖紙數(shù)據(jù)，做一些理論假定來(lái)分析，而前者是既有結(jié)構(gòu)物，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)要根據(jù)實(shí)際情況，必須利用各種檢測(cè)手段和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)予以分析。因此舊橋加固設(shè)計(jì)應(yīng)遵循在安全度做加法不作減法的原則，結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)對(duì)所有可能出現(xiàn)的狀況做包絡(luò)式的分析。
目前常用的方法基本可分為被動(dòng)加固法和主動(dòng)加固法。前者主要是粘貼碳纖維、鋼板、補(bǔ)強(qiáng)普通鋼筋等，其特點(diǎn)是不改變結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力狀況，方法靈活，可根據(jù)裂縫的位置方向隨意設(shè)置，可以起到控制裂縫進(jìn)一步開(kāi)展、提高橋梁承載能力的作用。這種方法多適用于在恒載作用下承載力滿足要求但活載作用下承載力不滿足的情況，在中小橋和大橋的次要受力方向進(jìn)行加固時(shí)常采用。主動(dòng)加固法是通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力、改變結(jié)構(gòu)體系等，改變結(jié)構(gòu)原有的受力行為。其特點(diǎn)是可以改善橋梁恒載的內(nèi)力分配，增加全橋剛度，閉合裂縫，并調(diào)整變形。這種方法涉及的因素有：結(jié)構(gòu)原有內(nèi)力的狀況、原橋的施工工藝、混凝土的強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力的損失、支座型式 、加固的工藝等，因此，方法得當(dāng)可有效的改變結(jié)構(gòu)損傷狀況；方法失誤可加重?fù)p傷，甚至垮塌。
