動測技術在橋梁檢測中的應用綜述

□文/王甫友

動測技術是橋梁結構測試技術中很有發展前途的一個應用分支，也是近年來發展較快的一門新技術，其基本原理是利用橋梁本身或激振后發出的振動信號對橋梁結構的技術狀態進行判定。動測技術是通過研究振動信號反映出來的橋梁結構狀態及變化，來對橋梁結構的技術狀態進行預測和監視。無論是新建橋梁結構驗收，還是既有橋梁的檢測評定，甚至是自然災害后的快速響應，動測技術在橋梁檢測中都是一個好的方法。

1 樁基檢測

樁基動測是相對于靜力而言的，即通過給樁作用動態力(動荷載)，使樁產生顯著的加速度和土的阻尼效應。采用不同功能的傳感器可以在樁頭量測到不同的動力響應信號，如速度或加速度響應信號，以此來確定樁基的各種技術參量。根據作用在樁頂上動荷載的能量，可以把動測分為高應變和低應變兩種方法。低應變測試方法也有多種應用方法，但由于反射波法適用范圍較廣，可檢測樁身完整性、推定缺陷類型及其位置、核定樁長并可推斷樁身混凝土的強度等級，因此應用較廣泛。該方法的原理是在樁頂施加一個初始擾動力，由此激發出的彈性波從樁身往樁底傳播。當彈性波在傳播過程中遇到介質突然變化的界面時，如樁身夾泥、斷裂、嚴重縮頸和擴頸等，將會產生反射和透射，通過分析樁的動態響應特性來判別樁身質量以及樁長等參量。高應變法包括各種應用方法，但其中的Case法、實測曲線擬合法做為樁基動測的主要手段被列入國家《基樁高應變動力檢測規程》。另外動測檢測項目多，動測中低應變法可檢測樁身完整性、樁長、樁身缺陷類型及位置、推斷混凝土強度；高應變法除可提供承載力和上述技術指標外，尚可提供樁身內部應力、樁周土阻力及樁端阻力等參數。靜載雖可結合預埋應變計檢測應力及土阻力，但其費用是一般工程不易接受的。動測試驗費用低，測試周期短，效率高，不影響工期，對現場要求低，影響小，試驗簡潔方便，抽樣率高，全面檢測樁基質量。

2 既有橋梁墩臺檢測

既有橋梁墩臺檢測是橋梁檢測中重要的一項內容，墩臺結構的好壞至關橋梁結構的安全。但是由于各種原因，比如說江河中墩柱、填土埋置墩柱等無法從表觀上對其進行檢測，而檢測墩臺結構的穩定性又是必不可少的，過去多采用挖驗和鉆探的的方法來探明墩臺是否存在病害，耗費人力、物力，故動測技術應用于墩臺的檢測中有獨特的優勢。動測技術主要測試的內容包括橫向水平振動能比較明顯地反映出墩臺自身的動態特性，其穩定與否主要反映在振幅的大小、頻率的變化、波形變異3方面。墩頂橫向水平振幅值是檢測時所得到的最直接、最直觀的，反映結構穩定性的重要動態定量指標。橋墩橫向振動的頻率可以分為2種：一種為車輛在橋上運行中左右擺動產生的迫振頻率；另一種為車輛駛離橋梁后，由振動自由衰減波形段的頻譜分析得到的結構自振頻率。當墩臺產生病害后，其振動波形也會出現各種變異。故從水平振幅、頻率和波形變異3方面能夠綜合評定墩臺的好壞。動測技術檢測墩柱不用封鎖交通，不對橋梁結構下部結構作任何變動，充分顯示其優越性。

3 上部結構檢測

車輛荷載或其他動力荷載對橋梁結構有沖擊和振動影響，當車在橋上時為車橋聯合振動，當車跨出橋后，為橋梁結構的自由衰減振動。這已成為橋梁結構設計、計算、施工、運營、維修養護過程中的重要問題之一。動測技術在上部結構檢測中一般包括以下項目：測定橋梁結構在車輛荷載作用下強迫振動特性，如沖擊系數、強迫振動的動應變（應力）等；測定橋梁結構的自振特性，如自振頻率和阻尼特性等。利用動測技術對橋梁承載力評估方法目前主要有：基于固有頻率變化的結構性能評估；基于振型變化的結構性能評估；剛度和柔度矩陣法；其他動態評估方法。動測技術檢測流程見圖1。

圖1 動測技術檢測流程

4 橋梁索力檢測

斜拉橋結構體系中，斜拉索不僅起連接主梁、索塔、傳遞內力和變形的作用，更主要是通過新的索力分布，對結構的整體抗變形能力進行調整，保持結構始終處于平衡穩定狀態。各拉索中實際索力的大小就成為評價橋梁安全性和承載能力的主要參數。索由于腐蝕、疲勞等原因發生損傷，產生松弛，作為結構中的重要構件，索的破壞將可能給整體結構帶來災難性的后果，因此索結構的檢測中也必須準確實時地測量索力。索的測量在結構施工期和使用期內都具有重要意義。在施工階段，調整索力用千斤頂張拉、用壓力表、壓力傳感器、三點彎矩法等靜力檢測方法，成橋后靜力檢測難以實行。所以動測技術在成橋后索力檢測中有其獨到的優勢。目前最常用的測量索力的動測方法為頻譜法。頻譜法是依據索力與索的振動頻率之間存在對應關系的特點，在已知索長度、兩端約束情況、分布質量等參數時，將高靈敏度的拾振器綁在斜拉索上，拾取拉索在環境振動激勵下的振動信號，經過濾波、信號放大、A/D轉換和頻譜分析即可測出斜拉索的自振頻率，進而由索力與拉索自振頻率之間的關系獲得索力，這是一種間接方法，現有儀器及分析手段，測定頻率精度可達到0.005 Hz。動測技術在索力測量中的應用對于成橋的驗收和質量評定提供了便利。

5 結語

隨著我國經濟的快速發展，道路對經濟發展有促進作用，而橋梁作為道路的咽喉，其安全性關系到道路的暢通。目前需要橋梁檢測人員對橋梁快速的進行評估，而且大型橋梁需要時時對其進行監控。目前我國橋梁質量快速評估和健康監測面臨著許多機遇和挑戰，大量舊橋需要科學評估，有效維修和加固，大跨度橋梁屢見不鮮。各國的評估方法大部分為靜力評估，靜力評估方法耗資巨大，費時，各國開始探索動力評估方法。該方法具有廣闊的應用前景。

1）在健康監測領域，橋梁結構的動力響應監測是橋梁結構安全監測的主要內容之一，對營運中的橋梁進行動力特性參數監測，掌握其隨時間和各種環境因素影響下的變化規律具有特別重要的意義。為評價橋梁的安全性提供了科學依據。環境振動法建立不妨礙交通、適于遠程遙控檢測以及獲取完整結構狀態數據庫的橋梁自動實時監測系統。另外對既有橋梁快速、準確地評定其工作狀態和安全性能，就可以為橋梁管理部門提供科學的決策信息，使得橋梁養護、加固措施和投資方案合理有效。

2）在承載能力評估領域，目前橋梁損傷識別是一個前沿的課題，而動測技術是損傷識別系統中一個必不可少的關鍵環節。另外在常規承載力評估方面，也急需動測技術的應用，例如：人行天橋承載力評定所采用的大部分方法還是靜載試驗堆積重物(砂袋等)法，耗費人力、物力，生產效率低，動測技術的應用在人行天橋的承載力評定上有較大的優勢。動測技術在實際檢測中得到了廣泛的應用，但是它對儀器的靈敏度要求較高，結果受設備的性能限制較大。動測技術完全替代靜力評估方法還需要一定的時間，但是通過技術創新，其發展前景是遠大的。

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