橋梁損傷安全評(píng)定方法研究

武 春 旺

(中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

?

橋梁損傷安全評(píng)定方法研究

武 春 旺

(中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

介紹了橋梁結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理，探討了橋梁損傷診斷的幾種方法，并從外觀檢測(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范、荷載試驗(yàn)、層次分析等方面，闡述了橋梁損傷安全評(píng)定的常用方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，有利于橋梁工程選擇適宜的評(píng)定方法。

橋梁，損傷診斷，安全評(píng)定

0 引言

目前已投入使用的橋梁都存在著不同程度的損傷，不但影響橋梁的正常使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及結(jié)構(gòu)的使用安全。因此對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)損傷安全評(píng)定的研究已成為專家學(xué)者研究的新領(lǐng)域。

1 橋梁結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

1.1 環(huán)境的影響

橋梁從開(kāi)始建設(shè)就受到自然環(huán)境和使用環(huán)境的各種作用的影響。如環(huán)境中溫度、濕度、有害化學(xué)物質(zhì)等引起橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和混凝土的凍害[1]。這些損傷行為不僅影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，而且會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的承載能力。研究表明引起鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的主要因素是氯離子的侵入和CO2與Ca(OH)2反應(yīng)引起混凝土產(chǎn)生碳化導(dǎo)致；混凝土的凍害破壞產(chǎn)生的必要條件是孔隙水和膠凝水[2]。

1.2 荷載的影響

橋梁在使用過(guò)程中，車輛荷載會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，從而引起橋梁結(jié)構(gòu)的損傷積累;行車過(guò)程中引起的結(jié)構(gòu)共振，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件連接松動(dòng)，從而減低橋梁結(jié)構(gòu)的剛度。超載問(wèn)題在橋梁正常使用過(guò)程中是客觀存在的。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，大噸位車輛的研發(fā)和更新較快，早期投入使用的橋梁由于使用的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較低，也必然會(huì)出現(xiàn)超載現(xiàn)象[3]。除此以外，由于運(yùn)營(yíng)成本和利益驅(qū)使，我國(guó)超載現(xiàn)象在公路運(yùn)輸中也是普遍存在。

現(xiàn)今橋梁向大跨、輕柔的方向發(fā)展，風(fēng)荷載在橋梁已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。自然風(fēng)的紊流引起一種強(qiáng)迫振動(dòng)，會(huì)使橋梁承受交變的抖振，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷；強(qiáng)風(fēng)會(huì)使橋梁的主梁產(chǎn)生顫振失穩(wěn)。斜拉橋中斜拉索在風(fēng)的作用下會(huì)產(chǎn)生橫向渦激振動(dòng)，發(fā)生風(fēng)雨振動(dòng)，從而加劇拉索疲勞。

偶然荷載中地震作用持續(xù)時(shí)間較短，是一種隨機(jī)激勵(lì)，存在高應(yīng)力、大應(yīng)變，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低周范圍的疲勞損傷[4]。

1.3 材料的影響

橋梁的建筑材料往往是由水泥、混凝土和鋼筋組成的，長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)老化和力學(xué)性能降低等現(xiàn)象。材料的損傷形式主要有混凝土碳化引起鋼筋的銹蝕和收縮徐變導(dǎo)致的裂縫。

1.4 疲勞及人為因素的影響

橋梁的早期疲勞損傷不易被檢測(cè)，由于材料的微小缺陷會(huì)逐步成為宏觀裂紋，若不進(jìn)行有效控制會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。除此以外，還有人為因素(爆炸、交通事故、維修養(yǎng)護(hù))帶來(lái)的結(jié)構(gòu)性損傷。

2 橋梁損傷診斷

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法是橋梁的常規(guī)養(yǎng)護(hù)方法，由相關(guān)工作人員評(píng)定橋梁的損傷分值，并按規(guī)范進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。該方法運(yùn)用簡(jiǎn)單，但是評(píng)估不夠精細(xì)，憑借檢測(cè)人員主觀意識(shí)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)隱蔽工程部位和初期的結(jié)構(gòu)損傷無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)。

2.2 承載力檢測(cè)

橋梁承載力試驗(yàn)由新建橋的竣工試驗(yàn)和舊橋的荷載試驗(yàn)兩部分組成。新建橋梁荷載試驗(yàn)主要用于判斷橋梁設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但對(duì)于橋梁的初始損傷不易檢測(cè)。舊橋梁荷載試驗(yàn)評(píng)定橋梁承載是否安全，但對(duì)于橋梁的損傷狀態(tài)不易精細(xì)評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的承載力檢測(cè)只能檢測(cè)承載安全情況，但難以反映橋梁的損傷積累情況。

2.3 橋梁健康監(jiān)測(cè)

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集橋梁結(jié)構(gòu)的荷載和反應(yīng)，離線發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)損傷和質(zhì)量退化問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。從而為橋梁的維護(hù)與養(yǎng)護(hù)、管理決策提供可靠的依據(jù)，確保橋梁的安全運(yùn)營(yíng)時(shí)間，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

2.4 無(wú)損檢測(cè)(NDE)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)融合了聲、光、電等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，可以檢測(cè)橋面板損傷程度、鋼構(gòu)件疲勞和裂縫的檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度無(wú)損和損傷的檢測(cè)等。國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究也較為廣泛，但對(duì)聲發(fā)射和微波檢測(cè)裂縫等相關(guān)基礎(chǔ)研究也有待進(jìn)一步提高。

2.5 橋梁結(jié)構(gòu)損傷綜合檢測(cè)

上述介紹的檢測(cè)技術(shù)概括為局部和整體兩類橋梁損傷檢測(cè)技術(shù)，二者在橋梁無(wú)損檢測(cè)中相輔相成、互為補(bǔ)充。局部檢測(cè)的工作量較大，整體檢測(cè)較難定位較小的損傷，應(yīng)根據(jù)橋梁的力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)易損傷的薄弱部位進(jìn)行機(jī)理分析，從而進(jìn)行局部精細(xì)的無(wú)損檢測(cè)。因此，采用局部和整體結(jié)合的損傷檢測(cè)技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中應(yīng)用的較為廣泛。

3 損傷安全評(píng)定方法

3.1 橋梁外觀檢測(cè)評(píng)定法

橋梁外觀檢測(cè)法是由橋梁檢測(cè)機(jī)構(gòu)技術(shù)人員進(jìn)行損傷調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析評(píng)定的一種方法，不能定量的給出橋梁損傷程度。而且由于評(píng)定人員的技術(shù)水平等因素的影響，常常導(dǎo)致評(píng)定結(jié)果有較大的差異。

3.2 專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)定法

專家經(jīng)驗(yàn)法有現(xiàn)實(shí)專家論證和虛擬專家評(píng)估兩種方法。現(xiàn)實(shí)專家通過(guò)綜合分析，結(jié)合自身的工程實(shí)踐和判斷能力，對(duì)橋梁的損傷進(jìn)行量化估計(jì)。而虛擬專家評(píng)估是通過(guò)人工智能技術(shù)，利用智能系統(tǒng)中涉及的相關(guān)知識(shí)和判斷能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁損傷的模糊評(píng)定。

3.3 設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)定法

設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)定法是將采集回的外觀調(diào)查和收集整理的施工資料，通過(guò)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算來(lái)評(píng)定橋梁的損傷程度，因此最為設(shè)計(jì)者所接受。在計(jì)算分析過(guò)程中，容易受參數(shù)取值、資料完整程度和調(diào)查過(guò)程因素等影響，使得評(píng)定結(jié)構(gòu)有所差異。

3.4 荷載試驗(yàn)評(píng)定法

荷載試驗(yàn)評(píng)定法有靜荷載和動(dòng)荷載試驗(yàn)兩種，該方法彌補(bǔ)了外觀檢測(cè)評(píng)定法和設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)定法的不足，但是評(píng)定時(shí)間較長(zhǎng)、費(fèi)用較高、風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.5 層次分析評(píng)定法

利用灰色理論和模糊數(shù)學(xué)的理論進(jìn)行橋梁損傷評(píng)定簡(jiǎn)潔實(shí)用。灰關(guān)聯(lián)的分析方法能夠準(zhǔn)確地找出影響橋梁損傷因素的主、次要因素，具有廣泛的使用性。同時(shí)，借助模糊數(shù)學(xué)的理論與打分相結(jié)合的方法，分析確定影響橋梁安全性的各因素的權(quán)重，最終確定橋梁的總評(píng)分。

3.6 疲勞斷裂評(píng)定法

疲勞斷裂評(píng)定法主要應(yīng)用于鋼橋的損傷安全評(píng)定，它是由斷裂力學(xué)理論發(fā)展起來(lái)的評(píng)估老鋼橋的一種新評(píng)定法，根據(jù)橋梁的裂縫探測(cè)結(jié)果，評(píng)定橋梁的安全性和使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)環(huán)境、荷載、材料、疲勞和人為因素等方面的分析，詳細(xì)闡述了橋梁結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理和損傷診斷方法，歸納出各安全評(píng)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為橋梁損傷檢測(cè)評(píng)定做出基礎(chǔ)理論研究。

[1] 李曉雷.大跨度斜拉橋損傷特征分析與拉索振動(dòng)智能控制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2003.

[2] 交通運(yùn)輸部工程質(zhì)量監(jiān)督局.公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度及指南解析[M].北京:人民交通出版社,2011:83-108.

[3] 王春生,陳惟珍.橋梁損傷安全評(píng)定與維護(hù)管理策略[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002,2(4):21-28.

[4] 袁劍波.基于網(wǎng)絡(luò)分析法的公路橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[J].科技進(jìn)步與對(duì)策,2014,31(16):96-100.

A study on damage safety assessment method of bridges

Wu Chunwang

(The Six Co., Ltd of the Copyright by China Railway No.3 Group, Jinzhong 030600, China)

The paper introduces the bridge structure damage mechanism, explores several bridge damage diagnosis methods, describes common bridge damage safety evaluation methods from aspects of appearance detection, design norms, loading test and hierarchical analysis, and finally compares their merits and defects, which will be good for selecting suitable bridge engineering evaluation methods.

bridge, damage diagnosis, safety evaluation

1009-6825(2016)12-0157-02

2016-02-19

武春旺(1980- )，男，工程師

U447

A