寇 偉

(山西省交通科學(xué)研究院)

淺談橋梁檢測(cè)方法及工程應(yīng)用

寇 偉

(山西省交通科學(xué)研究院)

簡(jiǎn)單介紹了橋梁檢測(cè)的基本方法、發(fā)展前景及工程應(yīng)用情況。根據(jù)某橋梁的實(shí)際情況，通過(guò)靜、動(dòng)載試驗(yàn)分別測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的靜力效應(yīng)及動(dòng)力性能，并運(yùn)用MIDAS技術(shù)建立橋梁空間模型對(duì)其進(jìn)行整體分析。結(jié)果表明，該橋梁的承載能力及工作性能均滿足規(guī)范要求，可以正常運(yùn)營(yíng)。

橋梁檢測(cè);承載能力;MIDAS;綜合評(píng)定

1 檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

1.1 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是指按照試驗(yàn)計(jì)劃，將荷載作用在指定的部位，觀察檢測(cè)橋梁相應(yīng)部位的位移、應(yīng)變、沉降、裂縫等參量的變化情況，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范的指標(biāo)要求，評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能以及承載能力能否滿足要求。

1.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)是指采用激振的方法引起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，隨后測(cè)定其振型、動(dòng)力響應(yīng)(加速度、動(dòng)擾度)、固有頻率、動(dòng)力沖擊系數(shù)、阻尼比等橋梁結(jié)構(gòu)特性的試驗(yàn)方法，從宏觀角度評(píng)定橋梁的運(yùn)營(yíng)性能及整體的剛度是否滿足要求。

2 檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)涌現(xiàn)了一批新型檢測(cè)手段及方法，例如利用GPRS來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用;數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用;光纖應(yīng)變傳感器測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用;新型橋梁檢測(cè)設(shè)備研制等等。其中無(wú)損檢測(cè)方法出現(xiàn)史無(wú)前例的發(fā)展態(tài)勢(shì)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代化的電子計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)，以應(yīng)用性物理學(xué)及現(xiàn)代材料科學(xué)為理論基礎(chǔ)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以高效快捷的工作平臺(tái)得以廣泛運(yùn)用。上述多門技術(shù)使得橋梁檢測(cè)正向著便捷、迅速、智能的方向闊步前進(jìn)。

3 石梁橋橋梁檢測(cè)工程實(shí)例

3.1 橋梁概況

本橋梁為一座跨線橋，位于R=4 000 m的圓弧平曲線上，標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m，共三孔，雙幅布置，橋梁全長(zhǎng)64.74 m;橋梁設(shè)計(jì)荷載為城市 A級(jí)。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用1.3 m×1.65 m矩形截面柱式橋墩，承臺(tái)為工字形，樁基采用4根Φ120 cm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30 m。橋臺(tái)采用鋼筋混凝土肋式臺(tái)，基礎(chǔ)采用Φ120 cm雙排鉆孔灌注樁。樁長(zhǎng)22 m。橋面鋪裝均采用5 cm厚瀝青混凝土和8 cm厚現(xiàn)澆C40混凝土，護(hù)攔采用鋼筋混凝土防撞護(hù)攔。

3.2 檢測(cè)目的

為保證該橋的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng)，確定該橋的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)該橋進(jìn)行檢測(cè)和承載力評(píng)定。

3.3 檢測(cè)依據(jù)

(1)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(CJJ77－98)。

(2)中華人民共和國(guó)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn).城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范(CJJ99－2003)。

(3)中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTG D60－2004)。

(4)中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T F50－2011)。

(5)中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn).公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝橋涵設(shè)計(jì)(JTG D62－2004)。

3.4 靜、動(dòng)載試驗(yàn)方案和實(shí)施過(guò)程

(1)試驗(yàn)孔選擇及測(cè)試截面布置

選20 m空心板梁的邊孔為測(cè)試孔，根據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)?？刂平孛嫒鐖D1所示，各控制截面的位置和控制內(nèi)力見(jiàn)表1。

圖1 空心板梁控制截面位置示意圖(m)

表1 控制截面的位置和控制內(nèi)力

(2)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試截面應(yīng)變計(jì)和位移計(jì)布置如圖2所示。

圖2 空心板梁截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖(cm)

(3)加載車輛

采用加載車輛示意如圖3。

圖3 加載車輛示意圖

(4)試驗(yàn)工況及加載方法

為了與檢測(cè)的內(nèi)容相互對(duì)應(yīng)，本測(cè)試共分為4種工況，做出各個(gè)截面內(nèi)力影響線圖，再由影響線確定各工況荷載位置。

工況1:順橋方向按照A截面最不利正彎矩一排車布載，橫橋方向四輛車中載。

工況2:順橋方向按照A截面最不利正彎矩兩排車布載，橫橋方向兩輛車偏載，縱向兩排。

工況3:順橋方向按照B截面最不利正彎矩一排車布載，橫橋方向四輛車中載。

工況4:順橋方向按照B截面最不利正彎矩兩排車布載，橫橋方向兩輛車偏載，縱向兩排。

4種工況均需要四輛車。

(5)試驗(yàn)效率驗(yàn)算

根據(jù)《公路舊橋承載能力試驗(yàn)鑒定方法》，靜載試驗(yàn)效率η的取值應(yīng)為:

其中:S為荷載(標(biāo)準(zhǔn))作用條件下，對(duì)應(yīng)位置的變位或力的計(jì)算值;Ssat為荷載(試驗(yàn))作用條件下，對(duì)應(yīng)位置的變位或力的計(jì)算值;δ為動(dòng)力系數(shù)。

本橋設(shè)計(jì)荷載為城－A級(jí)，在計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的效應(yīng)時(shí)，本橋取用計(jì)算荷載，即工況I、工況II、工況III、工況Ⅳ采用城A級(jí)下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，其具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各試驗(yàn)工況靜載試驗(yàn)效率的計(jì)算表

(6)動(dòng)載試驗(yàn)

以靜載試驗(yàn)車輛為試驗(yàn)荷載，以20、30、40、50 km/h 4種不同的速度勻速通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)，分別測(cè)得其動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度、加速度，同時(shí)分析其阻尼、頻率、最大動(dòng)撓度等，然后由最大動(dòng)撓度和相應(yīng)靜撓度的比，得出沖擊系數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程如下。

開(kāi)始要準(zhǔn)備測(cè)點(diǎn)打底找平、聯(lián)機(jī)調(diào)試、安裝位移計(jì)、粘貼應(yīng)變計(jì)等工作，然后再進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)各儀器設(shè)備是否準(zhǔn)確無(wú)誤，以判斷是否進(jìn)行下一步的正式加載試驗(yàn)。

靜載試驗(yàn)完成以后進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，為了便于結(jié)構(gòu)恢復(fù)彈性變形，保證了結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)時(shí)每種跑車要實(shí)施2次，每次時(shí)間的間隔不能小于5 min。

3.5 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)的理論計(jì)算均采用MIDAS技術(shù)建立預(yù)應(yīng)力空心板梁橋空間模型來(lái)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的整體分析。用梁格法模擬空心板建立模型，模型共970個(gè)單元，1 263節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果包括撓度及應(yīng)變，其中各工況下控制截面校驗(yàn)系數(shù)最大值、最小值和平均值見(jiàn)表3。

表3 橋跨各加載工況校驗(yàn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表3

3.6 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)自振特性所反應(yīng)的結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性，是動(dòng)力分析的基本要素。自振特性的分析手段為分離變量法，即把結(jié)構(gòu)坐標(biāo)變量與時(shí)間變量分離以后，再利用系數(shù)行列式為零的條件3。

解此關(guān)于λ的n次系數(shù)特征方程，便可得結(jié)構(gòu)自振頻率及其相對(duì)應(yīng)的振型。以MIDAS技術(shù)創(chuàng)建橋梁架構(gòu)整體模型，再利用子空間迭代的方法數(shù)值分析，便得出各階自振頻率及相應(yīng)振型圖。

橋跨結(jié)構(gòu)為一階振型，由20、30、40、50 km/h的跑車速度激振可以得出，理論一階自振頻率f1=6.04 Hz;對(duì)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜分析以后，試驗(yàn)得到了幅頻特性曲線，同時(shí)得出自振頻率及阻尼比，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)一階頻率f1=6.05 Hz;試驗(yàn)由動(dòng)撓度時(shí)程曲線得出最大動(dòng)撓度，算出與對(duì)應(yīng)靜撓度的比值便得到?jīng)_擊系數(shù)μ=0.18。

3.7 評(píng)定結(jié)論

(1)靜載試驗(yàn):由《公路舊橋承載能力鑒定方法》得出預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.6～1.0，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.6～0.9;該橋控制截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)均值是0.61～0.66，該橋控制截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均值是0.74～0.77，兩者均在規(guī)范要求范圍之內(nèi);以上說(shuō)明該橋梁基本仍在彈性工作的狀態(tài)，承載能力滿足正常運(yùn)營(yíng)要求。

(2)動(dòng)載試驗(yàn):由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)測(cè)自振頻率f1=6.05 Hz略大于理論計(jì)算頻率f1=6.04 Hz;實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)μ=0.18略小于理論沖擊系數(shù)μ=0.20;以上表明該橋梁動(dòng)剛度滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗沖擊性能良好。

(3)由靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，該橋承載能力及工作性能均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)結(jié)果表明該橋梁可以正常運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)論

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，新型檢測(cè)方法層出不窮，但橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能最可信，也是最直觀明了的檢測(cè)方法，在橋梁檢測(cè)技術(shù)中占據(jù)重要位置，并且為新型檢測(cè)方法的研究提供科學(xué)研究依據(jù);另外，橋梁方法的研究要理論聯(lián)系實(shí)際，兩者互相依存，缺一不可，只有這樣才能使檢測(cè)方法更加完善。

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［2］潘理.橋梁檢測(cè)技術(shù)研究［J］.山西建筑.2010，36(8):322－323.

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2013－11－07

寇偉(1980－)，男，山西朔州人，工程師。

U445

C

1008－3383(2014)04－0080－02