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混凝土橋梁的檢測技術及其新發展述論

來源:改造加固網

近幾十年來,我國的江河上和城市內,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。這些橋梁在建設中和運營管理期間,都需要進行大量常規的技術檢測工作,以確保工程的設計要求和施工質量及運行安全。而同時許多早期修建的橋梁結構,由于年久失修,導致橋梁局部出現了一些病害,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,今天的橋梁檢測領域不僅僅包括成橋前靜載和動力試驗,還涵蓋到大量舊橋的檢測與維護上,只有通過檢測,評價其使用可靠度、估計其剩余壽命,才能為橋梁主管部門的決策提供依據。在我國,混凝土橋梁的檢測技術經過幾十年的發展,已比較成熟,但與國外研究的最新技術相比,還有一定的差距,本文著重介紹混凝土橋梁的檢測技術在我國及世界范圍內的應用及其新發展。

一、混凝土橋梁的檢測技術

   混凝土橋梁的檢測離不開荷載試驗。一般來說,有以下情況需進行荷載試驗:一是興建的大跨度混凝土橋,尤其當采用了新結構、新材料和新工藝的橋跨結構更需進行荷載試驗;二是需通行特種車輛的新舊橋梁,為保證該橋使用安全,需按實際輪位和軸重進行模擬荷載試驗或等效菏載試驗;三是修復的、改建的或加固的舊橋,為驗證工程效果,需進行驗收或鑒定性荷載試驗;四是年久失修,且缺乏設計和施工技術數據的舊橋,為判斷是否能承受預計的荷載,也需進行荷載試驗。

(一)荷載試驗分類及其準備

   1 .荷載試驗分類,按所加荷載性質,可分為靜載試驗和動力試驗;按加載數量與標準設計荷載的比值(包括沖擊系數在內)可分為三種:基本荷載試驗、重荷載試驗和輕荷載試驗,本文著重闡述靜載試驗和動力試驗。

   2 .荷載試驗準備:試驗前,需做好充分的準備,這就要求盡可能的收集設計與施工資料,這也是為確定試驗荷載、布置測點以及以后的測試數據的對比分析。這些資料包括橋跨的總體與各截面幾何尺寸、標高、設計荷載等級、行車道標準、支座和墩臺位置標高及布置,材料的物理力學性能等。如有可能,一方面,從設計單位那里索取該橋的控制截面的計算內力、計算撓度、影響線和結構的自振頻率等;另一方面,從施工方那里索取該橋的實際尺寸、標高、施工時材料數據,尤其是混凝土的強度增長數據、彈模數據、荷載試驗時混凝土的齡期等。與此同時,還應做好實橋調查工作,對實橋表面的病害,用圖標明病害位置和病害程度;摸清橋址處的供電和交通情況,當地的氣象情況,有無試驗所需的標準車輛等第一手資料,因為這些都可能影響到事先所擬訂的試驗方案,如能及早發現情況和間題,就可以對試驗方案進行及時修改。

(二)靜載試驗

   混凝土橋梁的靜載試驗,一般需進行以下測試內容:

   1 .結構的豎向撓度、側向撓度和扭轉變形。每個跨度內至少有三個測點,并取得最大的撓度及變形值,同時觀測支座下沉值。有時測試也為了驗證所采用的計算理論,要實測控制截面的內力和撓度縱向和橫向影響線。

   2 .記錄控制截面的應力分布,并取得最大值和偏載特性。沿截面高度不少于5 個測點,包括上、下緣和截面突變處。有些結構需測試支點及附近、橫隔板附近剪應力和主拉應力,此時需將應變計布成應變花。

   3 .支座的伸縮、轉角,支座的沉降;墩頂位移及轉角。

   4 .仔細觀察是否已出現裂縫,出現初始裂縫時所加的荷載,仔細表明裂縫出現的位置、方向、長度、寬度及卸載后閉合情況。如果結構的控制截面變形、應力或裂縫擴展,在尚未加到預計最大試驗荷載前,已提前達到或超過設計標準的允許值,應立即停止加載,同時注意觀察裂縫擴展情況,撤離儀器和人員。

   5 .細觀察卸載后的殘余變形。對于特殊結構而言,如懸索橋和斜拉橋,尚需觀察索力和塔的變位并進行支座的測定。

   混凝土橋的靜載試驗,對關鍵控制截面的測試,嚴格在該截面影響線上加載標準荷載車隊,以確定標準車輛在橋上的輪位位置。除了對加載車輛的輪位有所控制外,試驗時溫度是一個重要因素。通常而言,溫度變化一攝氏度,混凝土構件將產生十個微應變的變形,對于50 號混凝土,相應于0 . 35 吻a 的應力誤差。因此應做好溫度補償和收縮補償塊等工作,以直接或間接消除溫度及收縮的影響。

(三)動力試驗

   橋梁結構的動力試驗是研究橋梁結構的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結構的聯合振動特性,其測試數據是判斷橋梁結構運營狀況和承載特性的重要指標。眾所周知,橋梁在設計時,要避免外界的強迫振動源,如風、車輛等的頻率與橋跨結構的自振頻率相等,否則會引起過大的共振振幅危及橋梁的使用安全。同理,當車輛以某一速度通過橋面時,橋跨的動撓度和動應力最大,那么,此時的車速稱為臨界車速。由臨界車速引起的共振將產生動力擴大效應并直接影響到橋梁的安全使用,通常用沖擊系數來表示這種擴大效應。橋梁的動力試驗,主要是圍繞沖擊系數做文章,實際的的動力試驗包括以下內容:

   1 .測定橋跨結構在車輛荷載下的強迫振動特性,如沖擊系數、強迫振動頻率、動位移和動應力等。

   2 .測定橋跨結構的自振特性,如自振頻率、振型和阻尼特性等。

   橋跨結構的動力試驗,首先必須使結構產生振動,然后通過儀器記錄下結構的振動時程曲線,再通過專門的FFT (快速傅立葉轉換)儀器,分析出結構的各項振動特性。有兩種方法可模擬外界對結構的動力激振,這其中包括穩態激振和脈動激振。穩態激振包括以一輛或多輛并行滿載車列以不同速度過橋或在橋上制動。而脈動激振可直接利用外界隨機振源。動力分析設備越來越先進,具有豐富經驗的工程師可直接分析輸出結果。但與之同時的理論分析,與實際情況仍存在相當的差別。在進行動力試驗時,應注意結構控制截面上的實測最大動應力、動撓度和最低標準限值應小于標準的容許值。否則容易對橋梁結構造成損壞。

二、國內外檢測技術的一些最新發展

   在美國,每年有大量的橋梁急需維修,為了確保橋梁的維修經費的合理使用,美國公路管理局擬采用一種貝葉斯預測技術,將以前的檢測數據和工程判斷組合起來,可清楚的考慮到測量的錯誤,將建立在工程評價和先前的經驗信息上融入到未來的混凝土橋梁衰變預測中,并可隨時將新的檢測數據增添到已有橋梁的管理系統中的架構中。這種技術現已運用于克羅拉多州的一座預應力橋梁上。美國公路管理局早已開始對美國國內所有的橋梁的基本數據建庫,并可將以后的檢測所獲得數據不斷的更新數據庫中的內容。

   美國AASHTO已建立起“DATAPAVE路面長期管理使用性能數據庫管理系統”,相信不久其相應的橋梁數據庫管理系統也將建立起來。我國上海市現已著手建立”上海市城市橋梁管理系統”,它通過對橋梁的不同部位進行評價,通過加權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,這種分析充分運用了模糊數學的知識。目前,將損傷力學用于橋梁表面病害、故障檢測,已有不少成果間世,有學者認為可用它粗略估計老橋梁的殘余壽命。多學科的交叉大大發展了橋梁的檢測理論,這標志著以后橋梁可靠度綜合評價技術發展的方向,檢測方法的發展也是日新月異。過去斜拉橋的斜拉索發生斷索事故,無從知曉。現在,使用磁漏檢測技術可直接檢測出是否斷索和斷索部位。樁基試驗方法也已有大的突破。應用波動方程的解析法(cAs 日、分析法(sMITH )、以及實測曲線擬合法(CAP- WAP 、CAPWAP / C )進行樁的動測試驗,已取得多種經驗。例如高應變動力檢測技術業已在國內外得到了廣泛的應用,并列入相應的規程中。動力分析的快速傅立葉變換(FFT) 的設備也從硬件式到“Pc 分析儀”,這就大大的降低了費用。大量新型的設備已投入到生產實踐中,新型傳感器具有更高的精度、可靠度和耐久性;檢測數據通過可靠的自動化數據收集系統、處理系統可直接輸出結果,節省了大量時間,同時能保證數據的精確度。橋梁檢測是一項實踐活動,它自始至終都和理論分析保持密切的聯系。由于分析時采用的結構模型在設計上存在局限性,對真實結構所采取的簡化措施如結構模型自重的模擬;對作為復合材料的混凝土的非線形本構關系的處理;局部構造細節的忽視等因素,使得模型試驗結果常常與理論分析結果相差甚遠,尤其在成橋后的通車鑒定中,這兩者差別更大。因此,未來橋梁檢測應該不斷修改檢測理論及完善檢測手段,使之越來越和橋梁設計理論相吻合。通過設計理論來指導橋梁檢測,而檢測結果又反過來幫助設計理論的完善。二者相輔相成,缺一不可。