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混凝土桥梁的检测技术及其新发展述论

2015/8/29 12:04:52      点击:
近几十年来,我国的江河上和城市内,都修建了许多特大和大、中型桥梁,包括铁路桥梁、公路桥梁、公铁两用桥和城市的立交桥等。这些桥梁在建设中和运营管理期间,都需要进行大量常规的技术检测工作,以确保工程的设计要求和施工质量及运行安全。而同时许多早期修建的桥梁结构,由于年久失修,导致桥梁局部出现了一些病害,例如,混凝土表面脱落,钢筋外露;混凝土碳化、盐蚀严重,使主要受力截面的抗压性能受到削弱等等不一而足。因此,今天的桥梁检测领域不仅仅包括成桥前静载和动力试验,还涵盖到大量旧桥的检测与维护上,只有通过检测,评价其使用可靠度、估计其剩余寿命,才能为桥梁主管部门的决策提供依据。在我国,混凝土桥梁的检测技术经过几十年的发展,已比较成熟,但与国外研究的最新技术相比,还有一定的差距,本文着重介绍混凝土桥梁的检测技术在我国及世界范围内的应用及其新发展。

一、混凝土桥梁的检测技术 

   混凝土桥梁的检测离不开荷载试验。一般来说,有以下情况需进行荷载试验:一是兴建的大跨度混凝土桥,尤其当采用了新结构、新材料和新工艺的桥跨结构更需进行荷载试验;二是需通行特种车辆的新旧桥梁,为保证该桥使用安全,需按实际轮位和轴重进行模拟荷载试验或等效菏载试验;三是修复的、改建的或加固的旧桥,为验证工程效果,需进行验收或鉴定性荷载试验;四是年久失修,且缺乏设计和施工技术数据的旧桥,为判断是否能承受预计的荷载,也需进行荷载试验。 

(一)荷载试验分类及其准备 

   1 .荷载试验分类,按所加荷载性质,可分为静载试验和动力试验;按加载数量与标准设计荷载的比值(包括冲击系数在内)可分为三种:基本荷载试验、重荷载试验和轻荷载试验,本文着重阐述静载试验和动力试验。 

   2 .荷载试验准备:试验前,需做好充分的准备,这就要求尽可能的收集设计与施工资料,这也是为确定试验荷载、布置测点以及以后的测试数据的对比分析。这些资料包括桥跨的总体与各截面几何尺寸、标高、设计荷载等级、行车道标准、支座和墩台位置标高及布置,材料的物理力学性能等。如有可能,一方面,从设计单位那里索取该桥的控制截面的计算内力、计算挠度、影响线和结构的自振频率等;另一方面,从施工方那里索取该桥的实际尺寸、标高、施工时材料数据,尤其是混凝土的强度增长数据、弹模数据、荷载试验时混凝土的龄期等。与此同时,还应做好实桥调查工作,对实桥表面的病害,用图标明病害位置和病害程度;摸清桥址处的供电和交通情况,当地的气象情况,有无试验所需的标准车辆等第一手资料,因为这些都可能影响到事先所拟订的试验方案,如能及早发现情况和间题,就可以对试验方案进行及时修改。 

(二)静载试验 

   混凝土桥梁的静载试验,一般需进行以下测试内容: 

   1 .结构的竖向挠度、侧向挠度和扭转变形。每个跨度内至少有三个测点,并取得最大的挠度及变形值,同时观测支座下沉值。有时测试也为了验证所采用的计算理论,要实测控制截面的内力和挠度纵向和横向影响线。 

   2 .记录控制截面的应力分布,并取得最大值和偏载特性。沿截面高度不少于5 个测点,包括上、下缘和截面突变处。有些结构需测试支点及附近、横隔板附近剪应力和主拉应力,此时需将应变计布成应变花。 

   3 .支座的伸缩、转角,支座的沉降;墩顶位移及转角。 

   4 .仔细观察是否已出现裂缝,出现初始裂缝时所加的荷载,仔细表明裂缝出现的位置、方向、长度、宽度及卸载后闭合情况。如果结构的控制截面变形、应力或裂缝扩展,在尚未加到预计最大试验荷载前,已提前达到或超过设计标准的允许值,应立即停止加载,同时注意观察裂缝扩展情况,撤离仪器和人员。 

   5 .细观察卸载后的残余变形。对于特殊结构而言,如悬索桥和斜拉桥,尚需观察索力和塔的变位并进行支座的测定。 

   混凝土桥的静载试验,对关键控制截面的测试,严格在该截面影响线上加载标准荷载车队,以确定标准车辆在桥上的轮位位置。除了对加载车辆的轮位有所控制外,试验时温度是一个重要因素。通常而言,温度变化一摄氏度,混凝土构件将产生十个微应变的变形,对于50 号混凝土,相应于0 . 35 吻a 的应力误差。因此应做好温度补偿和收缩补偿块等工作,以直接或间接消除温度及收缩的影响。 

(三)动力试验 

   桥梁结构的动力试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性,其测试数据是判断桥梁结构运营状况和承载特性的重要指标。众所周知,桥梁在设计时,要避免外界的强迫振动源,如风、车辆等的频率与桥跨结构的自振频率相等,否则会引起过大的共振振幅危及桥梁的使用安全。同理,当车辆以某一速度通过桥面时,桥跨的动挠度和动应力最大,那么,此时的车速称为临界车速。由临界车速引起的共振将产生动力扩大效应并直接影响到桥梁的安全使用,通常用冲击系数来表示这种扩大效应。桥梁的动力试验,主要是围绕冲击系数做文章,实际的的动力试验包括以下内容: 

   1 .测定桥跨结构在车辆荷载下的强迫振动特性,如冲击系数、强迫振动频率、动位移和动应力等。 

   2 .测定桥跨结构的自振特性,如自振频率、振型和阻尼特性等。 

   桥跨结构的动力试验,首先必须使结构产生振动,然后通过仪器记录下结构的振动时程曲线,再通过专门的FFT (快速傅立叶转换)仪器,分析出结构的各项振动特性。有两种方法可模拟外界对结构的动力激振,这其中包括稳态激振和脉动激振。稳态激振包括以一辆或多辆并行满载车列以不同速度过桥或在桥上制动。而脉动激振可直接利用外界随机振源。动力分析设备越来越先进,具有丰富经验的工程师可直接分析输出结果。但与之同时的理论分析,与实际情况仍存在相当的差别。在进行动力试验时,应注意结构控制截面上的实测最大动应力、动挠度和最低标准限值应小于标准的容许值。否则容易对桥梁结构造成损坏。 

二、国内外检测技术的一些最新发展 

   在美国,每年有大量的桥梁急需维修,为了确保桥梁的维修经费的合理使用,美国公路管理局拟采用一种贝叶斯预测技术,将以前的检测数据和工程判断组合起来,可清楚的考虑到测量的错误,将建立在工程评价和先前的经验信息上融入到未来的混凝土桥梁衰变预测中,并可随时将新的检测数据增添到已有桥梁的管理系统中的架构中。这种技术现已运用于克罗拉多州的一座预应力桥梁上。美国公路管理局早已开始对美国国内所有的桥梁的基本数据建库,并可将以后的检测所获得数据不断的更新数据库中的内容。 

   美国AASHTO已建立起“DATAPAVE路面长期管理使用性能数据库管理系统”,相信不久其相应的桥梁数据库管理系统也将建立起来。我国上海市现已着手建立”上海市城市桥梁管理系统”,它通过对桥梁的不同部位进行评价,通过加权汇总成全桥的桥梁缺损状况值( Bcl ) ,最后得出该桥的使用可靠度,这种分析充分运用了模糊数学的知识。目前,将损伤力学用于桥梁表面病害、故障检测,已有不少成果间世,有学者认为可用它粗略估计老桥梁的残余寿命。多学科的交叉大大发展了桥梁的检测理论,这标志着以后桥梁可靠度综合评价技术发展的方向,检测方法的发展也是日新月异。过去斜拉桥的斜拉索发生断索事故,无从知晓。现在,使用磁漏检测技术可直接检测出是否断索和断索部位。桩基试验方法也已有大的突破。应用波动方程的解析法(cAs 日、分析法(sMITH )、以及实测曲线拟合法(CAP- WAP 、CAPWAP / C )进行桩的动测试验,已取得多种经验。例如高应变动力检测技术业已在国内外得到了广泛的应用,并列入相应的规程中。动力分析的快速傅立叶变换(FFT) 的设备也从硬件式到“Pc 分析仪”,这就大大的降低了费用。大量新型的设备已投入到生产实践中,新型传感器具有更高的精度、可靠度和耐久性;检测数据通过可靠的自动化数据收集系统、处理系统可直接输出结果,节省了大量时间,同时能保证数据的精确度。桥梁检测是一项实践活动,它自始至终都和理论分析保持密切的联系。由于分析时采用的结构模型在设计上存在局限性,对真实结构所采取的简化措施如结构模型自重的模拟;对作为复合材料的混凝土的非线形本构关系的处理;局部构造细节的忽视等因素,使得模型试验结果常常与理论分析结果相差甚远,尤其在成桥后的通车鉴定中,这两者差别更大。因此,未来桥梁检测应该不断修改检测理论及完善检测手段,使之越来越和桥梁设计理论相吻合。通过设计理论来指导桥梁检测,而检测结果又反过来帮助设计理论的完善。二者相辅相成,缺一不可。