橋梁損傷安全評定方法研究

武 春 旺

(中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

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橋梁損傷安全評定方法研究

武 春 旺

(中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

介紹了橋梁結構的損傷機理，探討了橋梁損傷診斷的幾種方法，并從外觀檢測、設計規范、荷載試驗、層次分析等方面，闡述了橋梁損傷安全評定的常用方法，比較了各種方法的優缺點，有利于橋梁工程選擇適宜的評定方法。

橋梁，損傷診斷，安全評定

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，嚴重時會危及結構的使用安全。因此對于橋梁結構損傷安全評定的研究已成為專家學者研究的新領域。

1 橋梁結構損傷機理

1.1 環境的影響

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

1.2 荷載的影響

橋梁在使用過程中，車輛荷載會導致橋梁結構產生循環變化的應力，從而引起橋梁結構的損傷積累;行車過程中引起的結構共振，會導致構件連接松動，從而減低橋梁結構的剛度。超載問題在橋梁正常使用過程中是客觀存在的。同時，隨著經濟技術的快速發展，大噸位車輛的研發和更新較快，早期投入使用的橋梁由于使用的設計規范標準較低，也必然會出現超載現象[3]。除此以外，由于運營成本和利益驅使，我國超載現象在公路運輸中也是普遍存在。

現今橋梁向大跨、輕柔的方向發展，風荷載在橋梁已經引起廣泛的關注。自然風的紊流引起一種強迫振動，會使橋梁承受交變的抖振，導致橋梁結構的疲勞損傷；強風會使橋梁的主梁產生顫振失穩。斜拉橋中斜拉索在風的作用下會產生橫向渦激振動，發生風雨振動，從而加劇拉索疲勞。

偶然荷載中地震作用持續時間較短，是一種隨機激勵，存在高應力、大應變，使結構產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，長期使用會出現老化和力學性能降低等現象。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，由于材料的微小缺陷會逐步成為宏觀裂紋，若不進行有效控制會引起材料、結構的脆性斷裂。除此以外，還有人為因素(爆炸、交通事故、維修養護)帶來的結構性損傷。

2 橋梁損傷診斷

2.1 現場觀測

現場觀測法是橋梁的常規養護方法，由相關工作人員評定橋梁的損傷分值，并按規范進行維修養護。該方法運用簡單，但是評估不夠精細，憑借檢測人員主觀意識進行評估，對隱蔽工程部位和初期的結構損傷無法準確檢測。

2.2 承載力檢測

橋梁承載力試驗由新建橋的竣工試驗和舊橋的荷載試驗兩部分組成。新建橋梁荷載試驗主要用于判斷橋梁設計和施工質量是否滿足設計規范要求，但對于橋梁的初始損傷不易檢測。舊橋梁荷載試驗評定橋梁承載是否安全，但對于橋梁的損傷狀態不易精細評價。傳統的承載力檢測只能檢測承載安全情況，但難以反映橋梁的損傷積累情況。

2.3 橋梁健康監測

橋梁健康監測系統通過傳感器和數據采集子系統采集橋梁結構的荷載和反應，離線發現橋梁結構損傷和質量退化問題，可以實現對橋梁結構的長期跟蹤監測。從而為橋梁的維護與養護、管理決策提供可靠的依據，確保橋梁的安全運營時間，延長橋梁的使用壽命。

2.4 無損檢測(NDE)

無損檢測技術融合了聲、光、電等領域的先進技術，可以檢測橋面板損傷程度、鋼構件疲勞和裂縫的檢測、混凝土強度無損和損傷的檢測等。國內外對于無損檢測技術的研究也較為廣泛，但對聲發射和微波檢測裂縫等相關基礎研究也有待進一步提高。

2.5 橋梁結構損傷綜合檢測

上述介紹的檢測技術概括為局部和整體兩類橋梁損傷檢測技術，二者在橋梁無損檢測中相輔相成、互為補充。局部檢測的工作量較大，整體檢測較難定位較小的損傷，應根據橋梁的力學特點，對易損傷的薄弱部位進行機理分析，從而進行局部精細的無損檢測。因此，采用局部和整體結合的損傷檢測技術在橋梁結構損傷檢測中應用的較為廣泛。

3 損傷安全評定方法

3.1 橋梁外觀檢測評定法

橋梁外觀檢測法是由橋梁檢測機構技術人員進行損傷調查，根據調查結果對橋梁結構進行定性分析評定的一種方法，不能定量的給出橋梁損傷程度。而且由于評定人員的技術水平等因素的影響，常常導致評定結果有較大的差異。

3.2 專家經驗評定法

專家經驗法有現實專家論證和虛擬專家評估兩種方法。現實專家通過綜合分析，結合自身的工程實踐和判斷能力，對橋梁的損傷進行量化估計。而虛擬專家評估是通過人工智能技術，利用智能系統中涉及的相關知識和判斷能力，實現對橋梁損傷的模糊評定。

3.3 設計規范評定法

設計規范評定法是將采集回的外觀調查和收集整理的施工資料，通過規范規定的計算來評定橋梁的損傷程度，因此最為設計者所接受。在計算分析過程中，容易受參數取值、資料完整程度和調查過程因素等影響，使得評定結構有所差異。

3.4 荷載試驗評定法

荷載試驗評定法有靜荷載和動荷載試驗兩種，該方法彌補了外觀檢測評定法和設計規范評定法的不足，但是評定時間較長、費用較高、風險較大。

3.5 層次分析評定法

利用灰色理論和模糊數學的理論進行橋梁損傷評定簡潔實用。灰關聯的分析方法能夠準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，借助模糊數學的理論與打分相結合的方法，分析確定影響橋梁安全性的各因素的權重，最終確定橋梁的總評分。

3.6 疲勞斷裂評定法

疲勞斷裂評定法主要應用于鋼橋的損傷安全評定，它是由斷裂力學理論發展起來的評估老鋼橋的一種新評定法，根據橋梁的裂縫探測結果，評定橋梁的安全性和使用壽命。

4 結語

通過對環境、荷載、材料、疲勞和人為因素等方面的分析，詳細闡述了橋梁結構損傷機理和損傷診斷方法，歸納出各安全評定方法的優缺點，為橋梁損傷檢測評定做出基礎理論研究。

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

[2] 交通運輸部工程質量監督局.公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估制度及指南解析[M].北京:人民交通出版社,2011:83-108.

[3] 王春生,陳惟珍.橋梁損傷安全評定與維護管理策略[J].交通運輸工程學報,2002,2(4):21-28.

[4] 袁劍波.基于網絡分析法的公路橋梁施工安全風險評價研究[J].科技進步與對策,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