張學(xué)卿　任子偉

摘 要：目前，我國(guó)橋梁的發(fā)展進(jìn)入新建和維修加固并舉的階段，而檢測(cè)技術(shù)是對(duì)舊有橋梁檢測(cè)評(píng)估和可靠鑒定的必要前提和依據(jù)?；跓o損檢測(cè)技術(shù)和動(dòng)靜載荷試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測(cè)試方法，并結(jié)合MIDAS有限元模擬分析，綜合分析評(píng)價(jià)了某現(xiàn)役鋼筋混凝土“T”形梁橋的工作和運(yùn)營(yíng)性能。結(jié)果表明，該橋“T”梁構(gòu)件普遍存在裂縫、鋼筋銹脹等破損現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)，實(shí)測(cè)振型與頻率和理論計(jì)算值較為一致，承載力滿足汽-15荷載等級(jí)要求。檢測(cè)技術(shù)探討及其工程應(yīng)用為該橋的養(yǎng)護(hù)維修提供了可靠依據(jù)，并為同類結(jié)構(gòu)的加固改造提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；損傷檢測(cè)；載荷試驗(yàn)；性能評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TU375.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.006

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)的橋梁事業(yè)已逐步進(jìn)入大規(guī)模新建和維修加固的并舉階段。舊有橋梁在自然環(huán)境、材料性能和使用荷載等多重因素影響下，會(huì)產(chǎn)生混凝土裂縫與碳化、鋼筋銹蝕等諸多病害與損傷，加之重型車輛和自然災(zāi)害的影響，鋼筋混凝土橋梁在服役20年后極易發(fā)生安全性和耐久性的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)役橋梁約40%已基本達(dá)到或接近其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，因此，對(duì)舊橋的安全性能和結(jié)構(gòu)工作狀況的評(píng)估與鑒定顯得非常重要，成為相關(guān)部門的緊要任務(wù)和國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，以確保道路運(yùn)輸樞紐的安全、可靠運(yùn)營(yíng)。

橋梁同其他土木工程結(jié)構(gòu)相同，其健康診斷主要包括損傷狀態(tài)識(shí)別、損傷定位、損傷程度量化和殘余壽命預(yù)測(cè)四項(xiàng)內(nèi)容，具體地可分為基于無損檢測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)的結(jié)構(gòu)性能分析與評(píng)價(jià)兩個(gè)層次。

1 基于無損檢測(cè)技術(shù)的橋梁特性分析

無損（或微損）檢測(cè)是指在不（微）破損結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部狀態(tài)及其使用性能的前提下，利用各種媒介技術(shù)（聲波、超聲波、電磁波、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、熱和射線等）對(duì)結(jié)構(gòu)的表觀和材料進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)定。

1.1 表觀與材料的質(zhì)量檢測(cè)

表觀檢查是對(duì)橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸、線型走向、結(jié)構(gòu)病害（結(jié)構(gòu)裂縫、結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害）等進(jìn)行檢查與量測(cè)，其檢測(cè)項(xiàng)目和要求針對(duì)不同的橋型具有不同的側(cè)重點(diǎn)，以定量反映橋梁當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀況和滿足依據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)定橋梁技術(shù)等級(jí)的要求。材料檢測(cè)主要包括混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、裂縫寬度及深度、碳化深度、與耐久性有關(guān)的含堿量和氯離子含量以及鋼筋的直徑和位置、銹蝕狀況、保護(hù)層厚度測(cè)試等。

根據(jù)表觀檢查和材料檢測(cè)的成果，并結(jié)合結(jié)構(gòu)資料，利用Ansys、SAP等有限元分析軟件可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作狀況的評(píng)價(jià)。

1.2 常規(guī)項(xiàng)目檢測(cè)技術(shù)

基于常規(guī)項(xiàng)目的局部檢測(cè)，通用的成熟方法主要有沖擊回波技術(shù)、聲反射技術(shù)、超聲脈沖技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層X射線掃描技術(shù)等。

近年來，橋梁無損（或微損）檢測(cè)技術(shù)及測(cè)試儀器發(fā)展較快，融合電、磁、雷達(dá)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)學(xué)科的高新技術(shù)和設(shè)備成功研制，例如用于橋面板檢測(cè)的雙頻帶紅外線自動(dòng)溫度成像系統(tǒng)、用于結(jié)構(gòu)層厚度及構(gòu)造與鋼筋位置間距等探測(cè)的探地雷達(dá)技術(shù)、用于裂縫檢測(cè)的新型超聲波與磁分析儀、測(cè)量鋼橋中疲勞裂縫的溫度成像系統(tǒng)等。此外，數(shù)字及圖像處理技術(shù)也取得了重大進(jìn)展，例如基于GPRS實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

2 基于結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)的橋梁特性分析

結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)偏重于結(jié)構(gòu)的整體分析，通過模擬加載及其相應(yīng)力學(xué)指標(biāo)的量測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與性能的鑒定和評(píng)估，分為靜荷載試驗(yàn)和動(dòng)荷載試驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度、阻尼等性能參數(shù)的改變，因此，通過施加荷載（靜載或動(dòng)載）并運(yùn)用有關(guān)儀器設(shè)備可獲得對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。分析結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力響應(yīng)量的變化特性，從而量化評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，即進(jìn)行結(jié)構(gòu)反分析。

2.1 基于靜載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測(cè)試

靜載試驗(yàn)是在代表性橋跨的最不利位置布置設(shè)計(jì)荷載或其等效荷載（通常是載重汽車），通過測(cè)試控制截面的靜位移、靜應(yīng)變、靜轉(zhuǎn)角、裂縫等項(xiàng)目，以推斷橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。一般分為四個(gè)階段，即試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與分析階段、加載與觀測(cè)階段、試驗(yàn)資料分析階段和結(jié)構(gòu)性能分析階段。

基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)的損傷以系統(tǒng)識(shí)別法最為實(shí)用，即通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)（位移、應(yīng)變或應(yīng)力等）實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的對(duì)比和模型參數(shù)的反復(fù)修改，使兩者達(dá)到可接受的程度（目標(biāo)函數(shù)），獲得校驗(yàn)系數(shù)η，進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能。選取適當(dāng)?shù)淖R(shí)別參數(shù)是系統(tǒng)識(shí)別方法的關(guān)鍵，對(duì)于鋼筋混凝土梁橋，一般可選取梁的截面剛度作為待識(shí)別結(jié)構(gòu)模型參數(shù)；對(duì)于其他橋型，可以轉(zhuǎn)化為桿件系統(tǒng)，以桿件的剛度作為識(shí)別參數(shù)。

2.2 基于動(dòng)載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測(cè)試

橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)利用某種激振方法激起橋梁的振動(dòng)，測(cè)定其固有頻率、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)等行車響應(yīng)參數(shù)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車性能。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)損傷識(shí)別在理論上和實(shí)際中被大家認(rèn)可的是融合振動(dòng)理論、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法，其識(shí)別方法主要有有系統(tǒng)識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。

動(dòng)載主要試驗(yàn)解決動(dòng)荷載、動(dòng)力特性和強(qiáng)迫振動(dòng)效應(yīng)三類基本問題。橋梁動(dòng)載試驗(yàn)的激振方法根據(jù)測(cè)試目的的不同，一般可分為脈動(dòng)試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)（沖擊試驗(yàn)）、跑車試驗(yàn)和剎車試驗(yàn)等。

3 橋梁檢測(cè)工程實(shí)例

3.1 工程概況

某橋梁共5跨，總長(zhǎng)100 m，跨徑組合為5 m×20 m，上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支普通鋼筋混凝土“T”梁，每跨5片“T”梁，各梁之間設(shè)5道橫隔板；下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩臺(tái)和重力式臺(tái)基橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用明挖挖孔樁基。橋面采用混凝土鋪裝，總寬8 m，行車道寬7 m，兩側(cè)人行道各寬0.5 m，雙向兩車道。檢測(cè)目的是綜合評(píng)價(jià)該橋的整體狀況和工作性能，分析病害原因，為養(yǎng)護(hù)維修提出初步處理意見和提供原始數(shù)據(jù)。

3.2 外觀質(zhì)量及材料檢測(cè)

3.2.1 混凝土裂縫檢測(cè)

經(jīng)檢測(cè)，全部各“T”梁普遍存在少量豎向裂縫，但寬度未超過規(guī)范限值，另有部分延伸至底部形成“L”形裂縫。各“T”梁表面均出現(xiàn)10%～20%左右的麻面現(xiàn)象，嚴(yán)重位置已用水泥砂漿修補(bǔ)，而梁體淺層裂縫集中產(chǎn)生在麻面修補(bǔ)位置。因各墩頂均未設(shè)置支座，導(dǎo)致“T”梁端部與蓋梁接觸部位存在少量混凝土破損現(xiàn)象。其中，1-1#“T”梁右側(cè)腹板處有三條豎向裂縫，長(zhǎng)寬分別為100 mm、0.2 mm，320 mm、0.02 mm，280 mm、0.01 mm；2-5#“T”梁腹板在跨中位置出現(xiàn)一條“U”形裂縫，組合長(zhǎng)度為（900+200+700）mm，縫寬0.1 mm。

該橋蓋梁和橋墩未出現(xiàn)混凝土開裂，2#墩和4#墩蓋梁因受水侵蝕，底部均一處鋼筋銹脹，混凝土出現(xiàn)局部剝落。

3.2.2 材質(zhì)項(xiàng)目檢測(cè)

采用回彈儀測(cè)定混凝土的強(qiáng)度，采用酚酞試劑和深度測(cè)量?jī)x測(cè)試混凝土的碳化深度，采用電位法量測(cè)鋼筋的銹蝕程度。根據(jù)檢定結(jié)果，認(rèn)為混凝土強(qiáng)度處于良好狀態(tài)，其中齡期超限、實(shí)測(cè)強(qiáng)度值僅作參考之用；保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋耐久性影響甚微；碳化深度平均值在4～5 mm之間，且與保護(hù)層厚度比值均小于0.5，評(píng)定標(biāo)度為2，對(duì)鋼筋銹蝕影響較??；混凝土Cl-含量、電阻率可不進(jìn)行測(cè)試。鋼筋銹蝕標(biāo)評(píng)定為1，即銹蝕活動(dòng)性不確定，可能銹蝕速度很慢。

3.3 靜載試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案

按試驗(yàn)荷載效率，即試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力與控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力之比在0.95～1.05的布載確定原則，選擇第一跨進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)荷載由汽-15級(jí)荷載對(duì)橋梁主要控制截面產(chǎn)生的最不利內(nèi)力（位移）效應(yīng)并經(jīng)等效換算而得，如表1所示。采用MIDAS軟件計(jì)算，靜載試驗(yàn)加載及計(jì)算模型如圖1和圖2所示。

據(jù)圖4可知，實(shí)測(cè)撓度值較理論值較小，表明截面剛度符合設(shè)計(jì)要求。

從圖5和圖6中可以看出，最大及試驗(yàn)荷載與分級(jí)加載作用下跨中截面實(shí)測(cè)與理論應(yīng)變曲線基本吻合，實(shí)測(cè)應(yīng)變值略小于理論計(jì)算值。試驗(yàn)荷載作用下，“T”梁跨中截面最大應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)為0.84，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；梁跨中最大應(yīng)變的相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.33%，滿足不大于20%的要求；各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值線性關(guān)系良好，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)，滿足汽-15荷載等級(jí)的要求。

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)方案

采用天然脈動(dòng)的環(huán)境激勵(lì)和10 t載重汽車一輛的車輛激勵(lì)進(jìn)行試驗(yàn)。在橋面上，汽車分別以20 km/h、30 km/h的速度行駛，然后在跨中緊急剎車使橋梁產(chǎn)生受迫振動(dòng)，量測(cè)橋梁的加速度時(shí)程曲線；在無車輛通行時(shí)，橋梁承受環(huán)境自然激勵(lì)，量測(cè)其固有振動(dòng)頻率。

3.4.2 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)實(shí)測(cè)第一階頻率大于理論計(jì)算值，說明結(jié)構(gòu)整體剛度情況略大于理論計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求。

實(shí)測(cè)計(jì)算振型如圖7所示，脈動(dòng)測(cè)試結(jié)構(gòu)自振頻譜分析如圖8所示，行車加速度時(shí)程曲線如圖9～12所示。

分析圖8～12可知，該橋整體性能較為平穩(wěn)，跑車、剎車和跳車（用前輪跳車）的各項(xiàng)動(dòng)力系數(shù)和阻尼比均在正常范圍內(nèi)，其中，加速度幅值為10-1，與同類橋梁基本相似。

4 結(jié)束語(yǔ)

無損檢測(cè)技術(shù)和動(dòng)荷載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的方法能夠全面評(píng)判橋梁的工作和運(yùn)營(yíng)性能。為進(jìn)行對(duì)比分析，MIDAS有限元的模擬分析可作為橋梁性能檢測(cè)的有效補(bǔ)充。

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作者簡(jiǎn)介：張學(xué)卿（1983—），女，山西大同人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)（專科），助理工程師，主要從事道路橋梁方面的研究。

〔編輯：王霞〕

Abstract： At present， the development of our country into the new bridge and repair and reinforcement of both the stage and the detection technique is detection and evaluation of the old bridge and reliable identification of a necessary prerequisite and basis. Based on non-destructive testing techniques and test static and dynamic load structural test methods， combined with MIDAS finite element analysis， a comprehensive analysis and evaluation of the existing reinforced concrete work and operational performance “T” shaped girder bridge. The results show that the bridge “T” beam members widespread cracks， steel corrosion and other damage occurred， but the overall structure in elastic state， is consistent with the measured modal frequencies and theoretical calculations， load bearing capacity to meet the grade requirements steam -15. Detection Techniques and engineering application maintenance and repair of the bridge to provide a reliable basis， and provide a reference for the reinforcement of the same structure.

Key words： bridge structure； damage detection； load test； performance evaluation