譚偉
摘要:本文介紹了當(dāng)前工程實(shí)踐中所常用的幾種橋梁檢測(cè)方法,并闡述了每種方法的適用條件。并以橋梁模態(tài)試驗(yàn)為基礎(chǔ),提出了一種針對(duì)未開(kāi)裂混凝土梁橋的,以自振頻率校驗(yàn)系數(shù)直接評(píng)定橋梁承載能力的方法。使用此種方法代替橋梁靜載試驗(yàn)方法,可大大降低檢測(cè)成本。
關(guān)鍵詞:橋梁;荷載試驗(yàn);校驗(yàn)系數(shù);自振頻率
1橋梁檢測(cè)
橋梁作為道路跨越障礙物的重要結(jié)構(gòu),一般設(shè)計(jì)使用年限為100年。橋梁使用過(guò)程中,橋梁結(jié)構(gòu)主體會(huì)受到車(chē)輛超載荷載、地震荷載、所在環(huán)境侵蝕、流冰撞擊等設(shè)計(jì)中所不能完全考慮到的不利荷載因素。隨著車(chē)輛荷載的增大,部分老橋已不能適應(yīng)新規(guī)范的承載能力需求,因此,對(duì)老橋的檢測(cè)以及承載能力評(píng)定,是橋梁養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作。
2檢測(cè)方法
目前橋梁檢測(cè)方法主要包括:外觀法、無(wú)損法與荷載試驗(yàn)方法。
2.1外觀法
外觀法即專(zhuān)業(yè)人員根據(jù)城市或公路橋梁檢測(cè)評(píng)定規(guī)范,對(duì)于橋梁出現(xiàn)的每一個(gè)病害根據(jù)其危害程度進(jìn)行扣分,最后根據(jù)總得分將橋梁分類(lèi)的方法。此方法為使用最廣泛的一種方法,方法簡(jiǎn)單,對(duì)人員設(shè)備要求低,可以用于檢測(cè)大部分常規(guī)正常運(yùn)營(yíng)的橋梁。
2.2無(wú)損法
無(wú)損法即使用專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備,對(duì)橋梁混凝土、鋼筋的性能進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),判斷其是否滿足設(shè)計(jì)及使用要求的檢測(cè)方法。橋梁一旦建成,組成橋梁結(jié)構(gòu)的原材料的各項(xiàng)無(wú)損參數(shù)(強(qiáng)度、鋼保、電阻率等)也隨之固定,通過(guò)這些參數(shù)的變化可以判斷橋梁病害發(fā)生的原因,并可以對(duì)癥下藥,修復(fù)一些常規(guī)的破損、銹蝕、非結(jié)構(gòu)性裂縫等病害。
2.3荷載試驗(yàn)方法
2.3.1靜載試驗(yàn)法
靜載試驗(yàn)是在封閉正常交通的情況下,在橋上施加等效于設(shè)計(jì)荷載的靜力荷載,使得橋梁達(dá)到0.85~1.05的工作效率,通過(guò)橋梁關(guān)鍵截面的位移及應(yīng)力變化值判斷橋梁工作狀態(tài)。靜載試驗(yàn)方法是當(dāng)前最準(zhǔn)確的評(píng)定橋梁承載能力的一種方法,此方法實(shí)施過(guò)程中需要封閉正常交通,影響道路正常通行。前期試驗(yàn)準(zhǔn)備階段以及荷載試驗(yàn)過(guò)程中需要投入大量的人工及機(jī)械儀器設(shè)備,一般在橋梁外觀檢查不能評(píng)定橋梁狀況以及擬提高通行荷載的情況下使用。
2.3.1動(dòng)載試驗(yàn)法
動(dòng)載試驗(yàn)是在橋上施加等效于橋梁實(shí)際承受荷載的動(dòng)力荷載,在其關(guān)鍵截面測(cè)試其動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)(振幅、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等)與動(dòng)力特性參數(shù)(模態(tài)振型、自振頻率、阻尼比)的一種方法。后者也被稱為模態(tài)參數(shù),是橋梁結(jié)構(gòu)所固有的性質(zhì),只要結(jié)構(gòu)一產(chǎn)生,就不會(huì)變化。也就是說(shuō)橋梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,模態(tài)參數(shù)不會(huì)變。模態(tài)參數(shù)一旦發(fā)生改變,橋梁結(jié)構(gòu)就發(fā)生了變化。所以測(cè)試模態(tài)參數(shù),看其是否變化也可以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中有沒(méi)發(fā)生改變。
3自振頻率的實(shí)際值與理論值
模態(tài)參數(shù)中最準(zhǔn)確且最易獲得的是結(jié)構(gòu)自振頻率。在不封閉交通的情況下,使用速度(或加速度)拾振器置于關(guān)鍵截面即可測(cè)到橋梁的速度——時(shí)程曲線,該信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT(快速傅里葉變換)即可得到速度——頻率曲線(自振頻譜圖),自振頻譜圖中各個(gè)峰值點(diǎn)處頻率值即為橋梁可能存在的各階自振頻率。作為模態(tài)參數(shù)的一部分,橋梁自振頻率的變化,也說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。
工程實(shí)踐中,橋梁自振頻率的理論值通常使用有限元軟件Midas civil建立實(shí)橋模型,進(jìn)行特征值分析得到,此方法精度滿足工程要求。
4自振頻率與截面剛度的關(guān)系
對(duì)于等截面混凝土簡(jiǎn)支梁,一階頻率計(jì)算公式如下:
上式表明,對(duì)于等截面混凝土簡(jiǎn)支梁橋,一階頻率校驗(yàn)系數(shù)的平方等于撓度校驗(yàn)系數(shù)的倒數(shù)。由于公式9推導(dǎo)過(guò)程中默認(rèn)了實(shí)際橋梁的截面剛度EI等于理論模型中橋梁截面剛度EI,所以公式9只對(duì)于未開(kāi)裂的等截面簡(jiǎn)支梁橋適用。
工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),對(duì)于二階自振頻率,公式9依然適用。對(duì)于連續(xù)梁橋以及變截面梁橋,公式9近似適用。
7 總結(jié)
本文簡(jiǎn)單介紹了現(xiàn)行橋梁檢測(cè)的幾種方法,并推導(dǎo)出靜載試驗(yàn)中撓度校驗(yàn)系數(shù)與自振頻率校驗(yàn)系數(shù)的關(guān)系。對(duì)于未開(kāi)裂的混凝土梁橋,一階(或二階)自振頻率校驗(yàn)系數(shù)的平方等于撓度校驗(yàn)系數(shù)的倒數(shù)。橋梁檢測(cè)過(guò)程中,對(duì)于未開(kāi)裂的混凝土梁橋,可以通過(guò)自振頻率校驗(yàn)系數(shù),結(jié)合《公路橋梁承載能力檢測(cè)平定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)8.3.1條中的內(nèi)容直接判定橋梁承載能力是否滿足要求。省去了做靜載試驗(yàn)的巨大工作量,大大節(jié)約了養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)的成本,為橋梁檢測(cè)項(xiàng)目增值。
參考文獻(xiàn):
[1]譚國(guó)金,中小跨徑梁式橋動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)及損傷識(shí)別方法研究[D],吉林大學(xué),2009.
[2]呂立寧,基于模態(tài)參數(shù)的橋梁狀態(tài)快速測(cè)試與分析[J],山西交通科技,2018(1):49-50.
[3]鄧焱,梁及橋梁應(yīng)變模態(tài)與損傷測(cè)量的新方法[J],清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000(11):123-127.
[4]交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,JTG/T J21-2011公路橋梁承載能力檢測(cè)平定規(guī)程[s],北京:人民交通出版社,2011.
(作者單位:江蘇乾程工程技術(shù)有限公司)