鋼架拱橋的檢測與評估

李志亮

（中交第四公路工程局有限公司，北京市 100020）

0 引言

鋼橋梁結構在環境中受溫度氣候作用，雨水和大氣腐蝕的作用，以及逐漸增加的交通荷載，使得橋梁耐久性受到考驗，橋梁負載和使用頻率的增加，在耦合作用增加情況下材料和結構的疲勞壽命加快衰減的時間，橋梁隨著荷載頻率的增加和時間的累積會逐漸產生病害，并且是一個不可逆的過程。對運營中鋼結構橋梁進行檢測評估通過檢測結果和評估報告，根據現階段橋梁病害類型和病害程度，制定適應本橋的加固措施和方案，加固措施對于保護橋梁結構和提升橋梁承載能力具有重要作用。橋梁安全可靠運營保證的基本措施就是不斷對橋梁病害進行修復和對橋梁損傷的加固[1]。橋梁加固需要根據橋梁的材料特點、結構形式、使用特點來對橋梁制定專用的加固和改造措施。加固措施的經濟、安全、可靠性對現代橋梁加固有著重要的意義。

1 現階段鋼橋梁無損檢測評估技術

運營期橋梁檢測要求比較高，許多重要的交通要道采用不斷交、不損害橋梁結構的檢測是非常有必要的，因此無損檢測是當前的橋梁檢測主要手段和工具，鋼橋梁檢測通過橋梁材料特性和現代超聲波、電流等一系列技術手段進行無損探傷檢測。無損檢測對橋梁不產生傷害，通過對檢測橋梁主要受力結構和材料的物理化學性質以及機械作用在橋梁上對橋梁的運行狀況進行評估和檢測的方法，在橋梁日益不斷增多的今天，橋梁檢測技術也在不斷地發展改進，相對于傳統檢測方法而言，無損檢測的安全可靠性高、準確性高、檢測方便容易操作[2]。我國的無損檢測方法在最近幾年發展迅速，本文介紹如下幾種常用的常規無損檢測手段的檢測原理和主要特征。

1.1 聲波探測檢測技術

聲檢測技術是通過聲音傳播特性來區分橋梁損傷部位，是比較通用的無損檢測技術，其缺點是受外界聲波干擾較大，而外界聲音混雜，因此聲波檢測技術主要技術難點是過濾掉非結構傳播的聲音，通過聲音在結構物中傳播的性質來判斷其損傷位置。聲波檢測常用的方法包括超聲波無損檢測技術、沖擊回聲波發射檢測技術[3]。

沖擊回聲波檢測技術的檢測原理是通過沖擊聲波在橋梁檢測結構中傳播，聲波頻率的變化來確定橋梁損傷位置，該法取決于橋梁應力結構材料的傳播原理，應用于測試的方式與超聲波相似。沖擊回聲波的發生一般采用聲波轉換器來產生應力波（即脈沖回聲波）和用橋梁機械力產生沖擊回聲波（即應力回聲波）。沖擊回聲無損檢測技術可以實時的反映橋梁結構強度和位置的缺陷[4]。

以下以反射波頻域測試方法和反射波時域法測試評估方法分析為例：

反射波頻域測試方法采用如下公式分析：

式中：C為混凝土聲速，m/s；f0為接收信號主頻，Hz；d為檢測梁板厚，m；T為波周期，s。

反射波時域法采用如下公式分析：

式中：Vp為聲波在混凝土中傳播速度，m/s；tR為反射回波時間，s；h為缺陷深度，m。

1.2 磁探測檢測技術

磁探測檢測技術根據檢測原理的不同所采用的方式也比較多，最常用的根據磁識別形式分為磁粉、漏磁、渦流等檢測方法[5]，還有一些應用電磁感應或電位檢測技術，比如磁探檢測技術以及其他一些電磁檢測和電位檢測技術。磁探測檢測技術常常用來檢測橋梁的涂層厚度、損害部位、斷裂位置以及銹蝕程度，磁探測技術檢測比較準確。渦流感應磁探測無損檢測技術對于檢測橋梁表面病害實用性較好，通過橋梁結構材料的表面布設檢測導體線圈，根據電磁感應原理產生交互改變磁場，磁場所產生的感應電流在構件表面上，環狀的渦形。

振動線圈法為例，該法主要用于測量恒定磁場，原理如下：匝數、截面面積、磁感應強度使線圈中耦合的磁通量發生變化，根據電磁感應定律，線圈中產生的電動感應勢能：

式中：e為電動感應勢能；N為匝數；S截面面積。

由于為線圈常數，求出磁感應強度的變化量：

式中：B為磁感應強度；e為電動感應勢能；N為線圈匝數；S為截面面積。

由上式可以看出，電磁感應式探測線圈界定范圍內磁感應的平均值。

1.3 光、電檢測技術

傳統采用電檢方法對橋梁進行檢測，即在橋梁結構上粘貼應變片來測量橋梁變形，原理是通過應變片變形對應電量變化來計算的，應變變化和應變片電阻變化之間關系（為應變率）來檢測。光探測是利用光線對特定物理量敏感的特殊性質，把相應物理量轉化成可用來分析的信號技術。光在光纖中傳播特征量受外界作用因素的作用發生直接或間接變化。

1.4 其他新型探測技術

我國道路橋梁技術快速發展檢測技術也隨之不斷進步發展，新型無損檢測檢測方法技術在橋梁檢測中逐漸普及應用于橋梁的病害部位檢測，橋梁檢測中應用較為廣泛的有核磁共振檢測、聲振檢測、聲發射檢測以及激光圖像檢測等，在人工智能日趨發展成熟智能識別技術，無人機航拍檢測等智能檢測手段也在逐步應用于橋梁檢測中。目前智能檢測技術原理是將模糊算法、智能數字分析與處理等技術用于多種智能橋梁無損檢測，通過檢測技術的不斷提升和改進，實現對橋梁病害的自動檢測，通過智能數據分析系統生成檢測結果。

2 實例分析工程橋梁檢測評估

2.1工程概況

現在以一座某上承重鋼架拱橋為例，橋長234m，寬7.5m，有6墩5孔的鐵橋，橋上飛架5座弧形鋼架拱梁，該橋采用荷載標準為：車道荷載為城-A級；人群荷載為3.5kN/m；2m+7m+2m=11m，其中7m為機動車道，2m為人行道。

2.2 橋梁檢測實測項目

2.2.1 橋梁外觀檢測

2.2.1.1 橋梁外觀檢測內容

橋梁外觀檢測相對而言比較簡單直觀，外觀檢測對于橋梁病害原因的把握和橋梁病害部位的判斷較為直觀。分析起來相對而言準確性較高。通過橋梁外觀檢測還能輔助橋梁內部應力損失原因做具體分析。鋼結構橋梁病害外觀檢測的目的是將鋼結構橋梁的外觀病害早發現早養護，外觀檢查是橋梁日常養護，可以及時發現橋梁病害避免橋梁病害的延續同時增加橋梁整體安全性，結合先進的橋梁結構監測數據來確定橋梁現狀，為橋梁加固提供參考依據，常規橋梁外觀檢測的內容如下：

（1）資料收集；

（2）橋梁基礎數據的調查收集；

（3）橋梁周邊環境調查，檢查內容包括：水文、地質變化，周邊構造物變化及其他影響橋梁因素的變化等，重點是觀察橋位的沖刷處、有無人為挖方、泥石流發生清理、是否有滑坡等；

（4）橋面系日常檢查包括：橋面鋪裝、防水排水、護欄、橋梁伸縮縫；

（5）橋梁上部結構：梁、板等主要承重構件損壞程度調查。

2.2.1.2 橋梁附屬設施及外觀檢測結果

橋梁橋面附屬結構檢測內容包括：橋面系檢測評定、上部結構檢測評定、下部結構檢測評定三方面主要檢查內容。

2.3.1 靜載實驗內容及結果

該次主要靜載試驗按照4個工況進行加載，工況具體布置方式如下：

工況1，汽-20級采用活載加載標準，車輛數為8，截面布載在橋跨的1/4處；

工況2，汽-20級采用活載加載標準，車輛數為8，截面布載在橋跨的1/2處；

工況3，汽-20級采用活載加載標準，車輛數為8，5行3列，單跨布置偏載；

工況4，最不利設計荷載，車輛數20，5行3列，單跨布置滿載。

以下為工況1橋梁布載情況，如圖1所示。

圖1 工況1中橋梁布載示意圖

測試內容見表1。

表1 實驗內容

靜載試驗能夠比較真實準確的的檢測出橋梁承載能力是否滿足安全運營的條件，通過和原始設計比較，可以很好反映橋梁使用過程中承載能力的消減情況，根據相關數據分析可以比較準確的判斷加固效果，以更好的適應相應公路的使用承載力要求，通過靜載試驗數據分析得出該橋梁使用受力位移特征曲線如圖2所示。

（1）根據圖形可知，橋梁主梁結構應力的變化和位移變化值均滿足誤差要求的范圍，對該橋實測數據是可信的，檢測操作有效。

（2）靜載試驗實測的撓度值和實測的應力值與該橋根據理論所計算的理論對應值作比較，比較兩者之間的差異性大小，該橋通過比較實測值和理論值發現其差異性較小，說明該橋的主要承重結構完好。然而總體來看橋梁的實測應力值和撓度值相較于理論計算值偏小，說明主體結構主梁實際剛度較大，該橋實際衰減比預測要小，橋梁的力學性能要好于預期，橋梁運營性能較好。

圖2 靜載試驗結果分析

2.3.3 橋梁自震特性分析

根據有限元分析該橋，建立的分析模型如圖3和圖4所示。

圖3 橫向（側向）彎矩圖

圖4 縱向彎矩圖

2.3.3.1 動力特性測試

在邊跨立柱上方的帽梁中心位置布置橋梁動力性能測試傳感器。測試結果見表2。

2.3.3.2 鋼板銹蝕檢測通過外觀檢查發現該橋上拱鋼板及兩側都存不同程度的銹蝕，實際檢測數據見表3。

2.3.3.3 拱圈線形檢測

在主拱圈上下游軸線位置布置變形檢測測點，在第一跨布置七個測點，第二跨布置十八個測點，第三跨布置十六個測點，第四跨和第五跨共布置14個測點，把實測的上游、下游數據和竣工完成時的實測拱圈軸線做比較，繪制如下圖拱圈線形修正后檢測結果。我們對檢測結果做相關分析并修正，如圖5所示。

表2 動力特性測試結果表 單位：Hz

表3 鋼板修飾檢測結果表

圖5 修正后的拱圈線性檢測結果

每個跨徑竣工拱圈軸線和實測線形相比較均出現一定的偏差。各偏差均在結構安全的允許范圍，橋梁結構安全可靠。

2.3.3.4 橋梁及上部結構強度檢測

根據實測值推定橋梁①號墩混凝土強度推定值介于32.7~52.2MPa之間，檢測結果對比分析發現該拱橋第一跨和第四跨的結構強度偏低，第二跨、第三跨強度均大于設計強度等級40號；③號橋墩推定混凝土強度值為23.6MPa，大于設計的20號強度值。

3 橋梁檢測評估結果

根據檢測評估報告，評定橋梁總體工作狀態較差，應該采用限重措施，該橋不宜承受較大動力荷載作用，具體評估結果如下：

（1）橋跨鋼桁架在使用過程中承載力整體計算結果良好，有部分重要部位桿件銹蝕較嚴重，實測承載力較設計有一定下降，采取除銹對銹蝕損害不嚴重部件做防腐處理，部分重要部件進行更換；

（2）橋梁桁架結構由小鋼板和角鋼熱鉚釘連接而成，該橋結構體系較為輕巧，鋼架連接部位較多而且復雜，部分構件受力變形，綜合受力作用下部分部件易損壞，桁架體系為靜力簡支體系，該橋修建成時間較長，經多次維修加固橋梁整體性受力有一定改變；

（3）橋梁撓度檢測測量點的實測值較理論值偏大，結構校驗系數和《公路舊橋承載能力鑒定方法》（試行）所規定校驗系數比較，發現實測系數超出正常系數范圍；在外觀檢查中發現主梁右側面有微裂縫并有增大的趨勢，有些裂縫延伸到了腹板頂板位置，測量測點變形余量較大，恢復彈性減小，但是可以滿足《公路舊橋承載能力鑒定方法》（試行）規定а1≤20%的要求。根據動力測試結果來看，實際頻率大于理論計算的頻率值，說明橋梁整體性滿足理論計算值要求，測量阻尼系數比較大，說明結構損傷已經存在橋梁內部。橋梁上部附屬結構評價結果：全橋技術狀況指數BCI值為71.15，橋梁技術等級評為C級，但該橋梁不能滿足汽—15的使用要求。

通過對該橋梁整體檢測評估，把該橋加固分成三部分：一是橋梁的外部結構維修，對橋梁的整體性進行整修維護，以增加橋梁外部特性；二是對橋的橫梁進行加固，因為橋梁的主梁的開裂處于惡化的趨勢，需要對主梁結構進行加固，以增加橋梁承載能力使橋梁達到承載力使用要求；三是對橋梁橋墩進行加固，橋墩是橋梁重要的承重結構，需要合理有效的加固維修。