橋梁結構檢測及其承載力評定

劉文深

隨著我國公路、市政橋梁事業的發展，新建高速公路及市政橋梁越來越多，同時既有的許多橋梁亦逐漸進入了養護維修階段，橋梁管理者對橋梁的養護已日益重視。

通過對橋梁的全面檢測，系統地收集當前橋梁技術數據，積累技術資料，為充實橋梁數據庫、加強橋梁科學管理和提高橋梁技術水平提供必要條件;通過合理設計檢測的方法，輔以布設長期監測設備，逐步建立橋梁健康監測系統，確保橋梁長期安全運營，以發揮其最佳經濟效益和社會效益。

1 現行橋梁承載力評定方法

目前對于橋梁承載力的評定可分為4類:病害調查經驗評定法，綜合分析法，分析計算法，荷載試驗法。

1.1 病害調查經驗評定法

這一方法的主要依據是JTJ073-96公路養護技術規范。在橋梁檢查的基礎上，通過對橋梁的技術狀況及缺陷和損傷的性質、部位、嚴重程度和發展趨勢的調查，弄清出現缺陷和損傷的主要原因，分析和評價既存缺陷及損傷對橋梁質量和使用承載能力的影響，并為橋梁維修和設計提供可靠的技術數據和依據。這種方法要求現場檢查人員必須具有豐富的工程經驗和專業知識。

1.2 綜合分析法

此方法是在橋梁檢查的基礎上，采用無破損方式測定混凝土強度、混凝土碳化深度、混凝土氯離子含量、混凝土電阻率、鋼筋混凝土保護層厚度和結構混凝土中鋼筋銹蝕狀況，進行折減后的結構承載力驗算，綜合分析計算結果和結構裂縫等外觀條件，評定結構材料狀況。

1.3 分析計算法

首先對被檢定的橋梁結構進行檢查(收集資料、現狀檢查、材質與地基的檢驗等)，然后將檢查所得的有關資料和檢驗測量結果，運用橋梁結構計算理論及有關的經驗系數進行分析計算，從而評定出橋梁的安全承載能力。

隨著計算機技術特別是鋼筋混凝土有限元理論的發展，有限元計算法引起了各國學者的重視。編制有限元計算程序或采用通用的有限元分析軟件，用計算機模擬實際橋梁的荷載試驗，計算橋梁的實際承載力，評定步驟如下:1)橋梁調查;2)確定加載形式并劃分單元;3)分級加載計算;4)評定承載力。

1.4 荷載試驗法

橋梁結構荷載試驗是對橋梁結構物工作狀態進行直接測試的一種檢定手段，是對橋梁結構性能最直觀、最可靠的檢測方法。按施加荷載的類型可分為靜載試驗和動載試驗，我國在這方面有成熟的方法和標準。橋梁結構靜載試驗是按照橋梁的設計荷載等級，根據荷載的最不利位置布置靜載，或者根據橋梁結構的控制內力確定荷載及其位置，對橋梁結構進行加載，靜載試驗的加載量一般為設計荷載的0.8倍～1.0倍，試驗前應先進行估算。

2 橋梁檢測方法

1 )靜態檢測方法。靜力荷載試驗就是將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，以便能夠測試出結構的靜應變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和使用能力的試驗。通過這些與橋梁工作性能有關的參數，可以分析得出結構的強度、剛度及抗裂性能，據此判斷橋梁的承載能力。

2)動態檢測方法。動力荷載就是將行駛的汽車荷載或其他動力荷載作用于橋梁結構上，來測出結構的動力特性，從而判斷出橋梁結構在動力荷載下受沖擊和受振動影響的試驗。其試驗的目的在于測定結構的動力特性。

3 結構性能狀況檢測

3.1 基于動載試驗的橋梁結構狀況檢測

橋梁結構的動力特性是與結構的組成形式、剛度、質量分布和材料性質等結構本身的固有性質有關，而與荷載等其他條件無關的性質。橋梁的模態參數是整個結構振動系統的基本特性，它是進行結構動力分析所需的參數，其結果不僅可以用來分析結構動載作用下的受力情況，而且為橋梁承載力狀況評定提供重要指標。

1 )固有頻率的測定。對于比較簡單的結構，只需結構的一階頻率，對于較復雜的結構動力分析，還應考慮第二、第三及更高階的頻率。橋梁固有頻率可以直接通過測試系統實測記錄的功率譜圖上的峰值、時域歷程曲線等確定。由基頻還可以推算承重結構的動剛度。

2 )阻尼。橋梁結構的阻尼特性一般由對數衰減率或阻尼比來表示，可由時域信號中的振動衰減曲線求得。另外，也可以從功率譜圖中用半功率帶寬法來計算阻尼，一般測試系統軟件均可完成此類分析。

3 )振型。一般橋梁結構的基頻是動力分析的重要參數。傳感器測點的布置根據不同的結構形式，通過理論分析后確定。振型的測定一般采用兩種方法，一種是使用多個傳感器測定，另一種是使用一個傳感器變換位置測量，這種情況下需要一個作用參考點，測試時比較繁瑣。在條件限制時使用，一般應采取第一種方法測試。

4 )沖擊系數。沖擊系數μ為沖擊力與汽車荷載之比。對于線彈性狀態下的結構來說，動荷載產生的荷載效應與靜荷載產生的荷載效應之比即為1+μ。因此，沖擊系數的測試通常采用測定結構動應變或動撓度的方法。測試前，在梁的跨中(或最大變位、應變處)布置電阻應變片式的位移計或應變計，并通過動態應變儀與電腦相接。試驗時，由加載車輛以某一速度從測點駛過，記錄其輸出應變隨時間變化的實時信號。一般情況下，應測試記錄多種車速下的輸出應變結果，以做分析比較。

3.2 基于人工神經網絡的橋梁結構狀況檢測

現實中橋梁處于一個復雜的動態系統中，影響結構安全性、適用性及耐久性的因素多，各影響因素之間的關系也存在著大量的不確定性和模糊性。傳統的橋梁結構評估方法不能很好地處理這些不確定性因素的影響，而人工神經網絡方法卻能實現從輸入參數到輸出參數之間的非線性映射，非常適合于非線性很強的混凝土橋梁結構損傷診斷。

1 )人工神經網絡。

人工神經網絡(Artificial Neural Networks，ANN)，一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型。這種網絡依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。人工神經網絡是并行分布式系統，采用了與傳統人工智能和信息處理技術完全不同的機理，克服了傳統的基于邏輯符號的人工智能在處理直覺、非結構化信息方面的缺陷，具有自適應、自組織和實時學習的特點。

2 )結構等級評估輸入參數。

混凝土材料方面:a.截面損失程度:由于混凝土在空氣中的碳化作用，碳化部分將不參加構件的工作，因此構件截面減小。此參數以混凝土碳化深度與構件實際尺寸的比值來衡量。b.混凝土強度損失程度:混凝土強度隨時間而降低。此參數以混凝土強度下降程度來衡量。c.開裂程度:對大部分結構，允許在規定范圍內帶裂縫工作，但是裂縫的產生和擴展對結構的抗彎能力及鋼筋的保護有很大影響。此參數用裂縫寬度可靠指標與允許可靠指標的比值來度量。動力特性方面:a.固有頻率下降，由于長期運營，橋梁的固有頻率、剛度隨時間增加有逐漸減小的趨勢，其豎向剛度降低較快;b.橋梁剛度下降，內部混凝土出現疲勞，產生了塑性變形，大大降低了橋梁剛度。

3 )結構等級評估輸出參數。通過人工神經網絡系統的反

復訓練，可以輸出y值，根據《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)中劃分的4個等級來評估結構等級。y體現不同的破損程度，數值越小，破損程度越小。評估等級與y取值的對應關系:a.一級，0.00＜y≤0.05，滿足國家規范要求，不必采取任何措施;b.二級，0.05＜y≤0.15，略低于國家規范要求，但不影響正常使用; c.三級，0.15＜y≤0.35，不滿足國家規范要求，影響正常使用，應采取維修加固措施;d.四級，0.35＜y≤1.00，嚴重不滿足國家規范要求，是危橋，須及時采取措施。

4 結語

橋梁檢測是一項復雜而細致的工作，不僅要求工作人員有豐富的實際現場經驗，而且同時需要堅實的理論基礎作為指導。與此同時，新材料、新工藝、新結構形式的采用也越來越多，為了積累這方面的工程經驗，我們有必要做一些檢測工作。另外，對出現病害的橋梁也需要做鑒定以評價其安全指標。因此只有把理論和實際充分結合起來，再加上指揮者與各試驗人員之間的默契配合，才能做好檢測工作并取得滿意的數據，也只有這樣才有可能做出準確的評估。

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