橋梁檢測技術及其工程實踐應用研究

張學卿　任子偉

摘 要：目前，我國橋梁的發展進入新建和維修加固并舉的階段，而檢測技術是對舊有橋梁檢測評估和可靠鑒定的必要前提和依據。基于無損檢測技術和動靜載荷試驗的結構測試方法，并結合MIDAS有限元模擬分析，綜合分析評價了某現役鋼筋混凝土“T”形梁橋的工作和運營性能。結果表明，該橋“T”梁構件普遍存在裂縫、鋼筋銹脹等破損現象，但結構整體處于彈性工作狀態，實測振型與頻率和理論計算值較為一致，承載力滿足汽-15荷載等級要求。檢測技術探討及其工程應用為該橋的養護維修提供了可靠依據，并為同類結構的加固改造提供了借鑒。

關鍵詞：橋梁結構；損傷檢測；載荷試驗；性能評價

中圖分類號：TU375.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.006

隨著我國交通事業的迅速發展，我國的橋梁事業已逐步進入大規模新建和維修加固的并舉階段。舊有橋梁在自然環境、材料性能和使用荷載等多重因素影響下，會產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害的影響，鋼筋混凝土橋梁在服役20年后極易發生安全性和耐久性的問題。據不完全統計，我國現役橋梁約40%已基本達到或接近其設計基準期，因此，對舊橋的安全性能和結構工作狀況的評估與鑒定顯得非常重要，成為相關部門的緊要任務和國內外學者的研究重點，以確保道路運輸樞紐的安全、可靠運營。

橋梁同其他土木工程結構相同，其健康診斷主要包括損傷狀態識別、損傷定位、損傷程度量化和殘余壽命預測四項內容，具體地可分為基于無損檢測技術和結構測試技術的結構性能分析與評價兩個層次。

1 基于無損檢測技術的橋梁特性分析

無損（或微損）檢測是指在不（微）破損結構或構件內部狀態及其使用性能的前提下，利用各種媒介技術（聲波、超聲波、電磁波、電場、磁場、光、熱和射線等）對結構的表觀和材料進行檢測和評定。

1.1 表觀與材料的質量檢測

表觀檢查是對橋梁整體與局部構造幾何尺寸、線型走向、結構病害（結構裂縫、結構附屬設施病害）等進行檢查與量測，其檢測項目和要求針對不同的橋型具有不同的側重點，以定量反映橋梁當前結構狀況和滿足依據相關規范評定橋梁技術等級的要求。材料檢測主要包括混凝土的強度等級、裂縫寬度及深度、碳化深度、與耐久性有關的含堿量和氯離子含量以及鋼筋的直徑和位置、銹蝕狀況、保護層厚度測試等。

根據表觀檢查和材料檢測的成果，并結合結構資料，利用Ansys、SAP等有限元分析軟件可對橋梁結構進行承載力分析，實現對其工作狀況的評價。

1.2 常規項目檢測技術

基于常規項目的局部檢測，通用的成熟方法主要有沖擊回波技術、聲反射技術、超聲脈沖技術、紅外熱像技術、計算機斷層X射線掃描技術等。

近年來，橋梁無損（或微損）檢測技術及測試儀器發展較快，融合電、磁、雷達、數字信號處理等相關學科的高新技術和設備成功研制，例如用于橋面板檢測的雙頻帶紅外線自動溫度成像系統、用于結構層厚度及構造與鋼筋位置間距等探測的探地雷達技術、用于裂縫檢測的新型超聲波與磁分析儀、測量鋼橋中疲勞裂縫的溫度成像系統等。此外，數字及圖像處理技術也取得了重大進展，例如基于GPRS實現橋梁檢測遠程數據傳輸和神經網絡的應用。

2 基于結構測試技術的橋梁特性分析

結構測試技術偏重于結構的整體分析，通過模擬加載及其相應力學指標的量測，實現對橋梁實際工作狀態與性能的鑒定和評估，分為靜荷載試驗和動荷載試驗。

結構損傷的發生必然導致結構剛度、阻尼等性能參數的改變，因此，通過施加荷載（靜載或動載）并運用有關儀器設備可獲得對應的結構響應。分析結構靜力和動力響應量的變化特性，從而量化評價結構損傷狀態，即進行結構反分析。

2.1 基于靜載試驗的結構測試

靜載試驗是在代表性橋跨的最不利位置布置設計荷載或其等效荷載（通常是載重汽車），通過測試控制截面的靜位移、靜應變、靜轉角、裂縫等項目，以推斷橋梁結構的工作狀態。一般分為四個階段，即試驗方案的設計與分析階段、加載與觀測階段、試驗資料分析階段和結構性能分析階段。

基于結構靜態響應的損傷以系統識別法最為實用，即通過結構響應（位移、應變或應力等）實測值與理論計算值的對比和模型參數的反復修改，使兩者達到可接受的程度（目標函數），獲得校驗系數η，進而評價結構性能。選取適當的識別參數是系統識別方法的關鍵，對于鋼筋混凝土梁橋，一般可選取梁的截面剛度作為待識別結構模型參數；對于其他橋型，可以轉化為桿件系統，以桿件的剛度作為識別參數。

2.2 基于動載試驗的結構測試

橋梁結構動載試驗利用某種激振方法激起橋梁的振動，測定其固有頻率、阻尼比、振型、沖擊系數等行車響應參數，從而判斷橋梁結構的整體剛度和行車性能。橋梁結構動力響應損傷識別在理論上和實際中被大家認可的是融合振動理論、振動測試技術、信號采集與分析等跨學科技術的試驗模態分析法，其識別方法主要有有系統識別、神經網絡、遺傳算法等。

動載主要試驗解決動荷載、動力特性和強迫振動效應三類基本問題。橋梁動載試驗的激振方法根據測試目的的不同，一般可分為脈動試驗、跳車試驗（沖擊試驗）、跑車試驗和剎車試驗等。

3 橋梁檢測工程實例

3.1 工程概況

某橋梁共5跨，總長100 m，跨徑組合為5 m×20 m，上部結構為簡支普通鋼筋混凝土“T”梁，每跨5片“T”梁，各梁之間設5道橫隔板；下部結構為雙柱式墩臺和重力式臺基橋臺，基礎采用明挖挖孔樁基。橋面采用混凝土鋪裝，總寬8 m，行車道寬7 m，兩側人行道各寬0.5 m，雙向兩車道。檢測目的是綜合評價該橋的整體狀況和工作性能，分析病害原因，為養護維修提出初步處理意見和提供原始數據。

3.2 外觀質量及材料檢測

3.2.1 混凝土裂縫檢測

經檢測，全部各“T”梁普遍存在少量豎向裂縫，但寬度未超過規范限值，另有部分延伸至底部形成“L”形裂縫。各“T”梁表面均出現10%～20%左右的麻面現象，嚴重位置已用水泥砂漿修補，而梁體淺層裂縫集中產生在麻面修補位置。因各墩頂均未設置支座，導致“T”梁端部與蓋梁接觸部位存在少量混凝土破損現象。其中，1-1#“T”梁右側腹板處有三條豎向裂縫，長寬分別為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一條“U”形裂縫，組合長度為（900+200+700）mm，縫寬0.1 mm。

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

3.2.2 材質項目檢測

采用回彈儀測定混凝土的強度，采用酚酞試劑和深度測量儀測試混凝土的碳化深度，采用電位法量測鋼筋的銹蝕程度。根據檢定結果，認為混凝土強度處于良好狀態，其中齡期超限、實測強度值僅作參考之用；保護層厚度對鋼筋耐久性影響甚微；碳化深度平均值在4～5 mm之間，且與保護層厚度比值均小于0.5，評定標度為2，對鋼筋銹蝕影響較小；混凝土Cl-含量、電阻率可不進行測試。鋼筋銹蝕標評定為1，即銹蝕活動性不確定，可能銹蝕速度很慢。

3.3 靜載試驗

3.3.1 試驗方案

按試驗荷載效率，即試驗荷載作用下控制截面內力與控制荷載作用下控制截面最不利內力之比在0.95～1.05的布載確定原則，選擇第一跨進行試驗。試驗荷載由汽-15級荷載對橋梁主要控制截面產生的最不利內力（位移）效應并經等效換算而得，如表1所示。采用MIDAS軟件計算，靜載試驗加載及計算模型如圖1和圖2所示。

據圖4可知，實測撓度值較理論值較小，表明截面剛度符合設計要求。

從圖5和圖6中可以看出，最大及試驗荷載與分級加載作用下跨中截面實測與理論應變曲線基本吻合，實測應變值略小于理論計算值。試驗荷載作用下，“T”梁跨中截面最大應變的校驗系數為0.84，說明結構強度滿足要求；梁跨中最大應變的相對殘余應變為6.33%，滿足不大于20%的要求；各測點實測應變值線性關系良好，說明結構處于良好的彈性工作狀態，滿足汽-15荷載等級的要求。

3.4 動載試驗

3.4.1 試驗方案

采用天然脈動的環境激勵和10 t載重汽車一輛的車輛激勵進行試驗。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生受迫振動，量測橋梁的加速度時程曲線；在無車輛通行時，橋梁承受環境自然激勵，量測其固有振動頻率。

3.4.2 試驗檢測結果

試驗實測第一階頻率大于理論計算值，說明結構整體剛度情況略大于理論計算值，滿足設計要求。

實測計算振型如圖7所示，脈動測試結構自振頻譜分析如圖8所示，行車加速度時程曲線如圖9～12所示。

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

4 結束語

無損檢測技術和動荷載試驗的結構測試技術相結合的方法能夠全面評判橋梁的工作和運營性能。為進行對比分析，MIDAS有限元的模擬分析可作為橋梁性能檢測的有效補充。

參考文獻

[1]王國鼎.橋梁檢測與加固[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]Rytter A.Vibration based inspection of civil engineering structures

[D].Denmark：Aalborg University，1993.

[3]M Krause，M B?ramnn，R Frielinghaus，et al.Comparison of pulse-echo methods for testing concrete[J].NDT&E International in Civil Engineering，1997（4）：195-204.

[4]陜西省公路局.JTG H11—2004 公路橋涵養護技術規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]錢冬生.談談鋼橋的疲勞和斷裂[J].橋梁建設，2009（3）：12-21.

[6]馬建.中國橋梁工程學術研究綜述[J].中國公路學報，2014（5）：1-95.

[7]湛秀玲.模糊神經網絡在橋梁評估中的應用[D].西安：長安大學，2007.

[8]胡大琳.橋涵工程試驗檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2000.

[9]孫曉燕.橋梁結構健康監測技術研究進展[J].中外公路，2006（2）：141-146.

[10]余華麗.既有橋梁的檢測與評估[D].成都：西南交通大學.2010.

[11]王自彬，岳渠德，趙金環，等.動力荷載試驗在橋梁檢測評估中的應用[J].青島理工大學學報，2007（1）：14-16.

[12]陜西省建筑科學研究設計院.JGJ/T 23—2011回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[13]交通運輸部公路科學研究院.JGJ/TH 21—2011 公路橋梁技術狀況評定標準[S].北京：人民交通出版社，2011.

[14]交通運輸部公路科學研究院.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

作者簡介：張學卿（1983—），女，山西大同人，2011年畢業于太原理工大學（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