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談混凝土橋樑的檢測技術及其新發展

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近幾十年來,我國的江河上和城市內,都修建了許多特大和大、中型橋樑,包括鐵路橋樑、公路橋樑、公鐵兩用橋和城市的立交橋等。這些橋樑在建設中和運營管理期間,都需要進行大量常規的技術檢測工作,以確保工程的設計要求和施工質量及執行安全。而同時許多早期修建的橋樑結構,由於年久失修,導致橋樑區域性出現了一些病害,例如,混凝土表面脫落,鋼筋外露;混凝土碳化、鹽蝕嚴重,使主要受力截面的抗壓效能受到削弱等等不一而足。因此,今天的橋樑檢測領域不僅僅包括成橋前靜載和動力試驗,還涵蓋到大量舊橋的檢測與維護上,只有通過檢測,評價其使用可靠度、估計其剩餘壽命,才能為橋樑主管部門的決策提供依據。在我國,混凝土橋樑的檢測技術經過幾十年的發展,已比較成熟,但與國外研究的最新技術相比,還有一定的差距,本文著重介紹混凝土橋樑的檢測技術在我國及世界範圍內的應用及其新發展。

談混凝土橋樑的檢測技術及其新發展

  一、混凝土橋樑的檢測技術

混凝土橋樑的檢測離不開荷載試驗。一般來說,有以下情況需進行荷載試驗:一是興建的大跨度混凝土橋,尤其當採用了新結構、新材料和新工藝的橋跨結構更需進行荷載試驗;二是需通行特種車輛的新舊橋樑,為保證該橋使用安全,需按實際輪位和軸重進行模擬荷載試驗或等效菏載試驗;三是修復的、改建的或加固的舊橋,為驗證工程效果,需進行驗收或鑑定性荷載試驗;四是年久失修,且缺乏設計和施工技術資料的舊橋,為判斷是否能承受預計的荷載,也需進行荷載試驗。

  (一)荷載試驗分類及其準備

1.荷載試驗分類,按所加荷載性質,可分為靜載試驗和動力試驗;按載入數量與標準設計荷載的比值(包括衝擊係數在內)可分為三種:基本荷載試驗、重荷載試驗和輕荷載試驗,本文著重闡述靜載試驗和動力試驗。

2.荷載試驗準備:試驗前,需做好充分的準備,這就要求儘可能的收集設計與施工資料,這也是為確定試驗荷載、佈置測點以及以後的測試資料的對比分析。這些資料包括橋跨的總體與各截面幾何尺寸、標高、設計荷載等級、行車道標準、支座和墩臺位置標高及佈置,材料的物理力學效能等。如有可能,一方面,從設計單位那裡索取該橋的控制截面的計算內力、計算撓度、影響線和結構的自振頻率等;另一方面,從施工方那裡索取該橋的實際尺寸、標高、施工時材料資料,尤其是混凝土的強度增長資料、彈模資料、荷載試驗時混凝土的齡期等。與此同時,還應做好實橋調查工作,對實橋表面的病害,用圖示明病害位置和病害程度;摸清橋址處的供電和交通情況,當地的氣象情況,有無試驗所需的標準車輛等第一手資料,因為這些都可能影響到事先所擬訂的試驗方案,如能及早發現情況和間題,就可以對試驗方案進行及時修改。

  (二)靜載試驗混凝土橋樑的靜載試驗,一般需進行以下測試內容:

1.結構的豎向撓度、側向撓度和扭轉變形。每個跨度內至少有三個測點,並取得最大的撓度及變形值,同時觀測支座下沉值。有時測試也為了驗證所採用的計算理論,要實測控制截面的內力和撓度縱向和橫向影響線。

2.記錄控制截面的應力分佈,並取得最大值和偏載特性。沿截面高度不少於5個測點,包括上、下緣和截面突變處。有些結構需測試支點及附近、橫隔板附近剪應力和主拉應力,此時需將應變計布成應變花。

3.支座的伸縮、轉角,支座的沉降;墩頂位移及轉角。

4.仔細觀察是否已出現裂縫,出現初始裂縫時所加的荷載,仔細表明裂縫出現的位置、方向、長度、寬度及解除安裝後閉合情況。如果結構的控制截面變形、應力或裂縫擴充套件,在尚未加到預計最大試驗荷載前,已提前達到或超過設計標準的允許值,應立即停止載入,同時注意觀察裂縫擴充套件情況,撤離儀器和人員。

5.細觀察解除安裝後的殘餘變形。對於特殊結構而言,如懸索橋和斜拉橋,尚需觀察索力和塔的變位並進行支座的測定。

混凝土橋的靜載試驗,對關鍵控制截面的測試,嚴格在該截面影響線上載入標準荷載車隊,以確定標準車輛在橋上的輪位位置。除了對載入車輛的輪位有所控制外,試驗時溫度是一個重要因素。通常而言,溫度變化一攝氏度,混凝土構件將產生十個微應變的變形,對於50號混凝土,相應於0.35吻a的應力誤差。因此應做好溫度補償和收縮補償塊等工作,以直接或間接消除溫度及收縮的影響。 來源:考試大-公路監理師

 (三)動力試驗橋樑結構的動力試驗是研究橋樑結構的自振特性和車輛動力荷載與橋樑結構的聯合振動特性,其測試資料是判斷橋樑結構運營狀況和承載特性的重要指標。眾所周知,橋樑在設計時,要避免外界的強迫振動源,如風、車輛等的頻率與橋跨結構的自振頻率相等,否則會引起過大的共振振幅危及橋樑的使用安全。同理,當車輛以某一速度通過橋面時,橋跨的動撓度和動應力最大,那麼,此時的車速稱為臨界車速。由臨界車速引起的共振將產生動力擴大效應並直接影響到橋樑的安全使用,通常用衝擊係數來表示這種擴大效應。橋樑的動力試驗,主要是圍繞衝擊係數做文章,實際的的動力試驗包括以下內容:

1.測定橋跨結構在車輛荷載下的強迫振動特性,如衝擊係數、強迫振動頻率、動位移和動應力等。

2.測定橋跨結構的自振特性,如自振頻率、振型和阻尼特性等。

橋跨結構的動力試驗,首先必須使結構產生振動,然後通過儀器記錄下結構的振動時程曲線,再通過專門的FFT(快速傅立葉轉換)儀器,分析出結構的各項振動特性。有兩種方法可模擬外界對結構的動力激振,這其中包括穩態激振和脈動激振。穩態激振包括以一輛或多輛並行滿載車列以不同速度過橋或在橋上制動。而脈動激振可直接利用外界隨機振源。動力分析裝置越來越先進,具有豐富經驗的工程師可直接分析輸出結果。但與之同時的理論分析,與實際情況仍存在相當的差別。在進行動力試驗時,應注意結構控制截面上的實測最大動應力、動撓度和最低標準限值應小於標準的容許值。否則容易對橋樑結構造成損壞。

  二、國內外檢測技術的一些最新發展

在美國,每年有大量的橋樑急需維修,為了確保橋樑的維修經費的合理使用,美國公路管理局擬採用一種貝葉斯預測技術,將以前的檢測資料和工程判斷組合起來,可清楚的'考慮到測量的錯誤,將建立在工程評價和先前的經驗資訊上融入到未來的混凝土橋樑衰變預測中,並可隨時將新的檢測資料增添到已有橋樑的管理系統中的架構中。這種技術現已運用於克羅拉多州的一座預應力橋樑上。美國公路管理局早已開始對美國國內所有的橋樑的基本資料建庫,並可將以後的檢測所獲得資料不斷的更新資料庫中的內容。

美國AASHTO已建立起“DATAPAVE路面長期管理使用效能資料庫管理系統”,相信不久其相應的橋樑資料庫管理系統也將建立起來。我國上海市現已著手建立“上海市城市橋樑管理系統”,它通過對橋樑的不同部位進行評價,通過加權彙總成全橋的橋樑缺損狀況值(Bcl),最後得出該橋的使用可靠度,這種分析充分運用了模糊數學的知識。目前,將損傷力學用於橋樑表面病害、故障檢測,已有不少成果間世,有學者認為可用它粗略估計老橋樑的殘餘壽命。多學科的交叉大大發展了橋樑的檢測理論,這標誌著以後橋樑可靠度綜合評價技術發展的方向,檢測方法的發展也是日新月異。過去斜拉橋的斜拉索發生斷索事故,無從知曉。現在,使用磁漏檢測技術可直接檢測出是否斷索和斷索部位。樁基試驗方法也已有大的突破。應用波動方程的解析法(cAs日、分析法(sMITH)、以及實測曲線擬合法(CAP-WAP、CAPWAP/C)進行樁的動測試驗,已取得多種經驗。例如高應變動力檢測技術業已在國內外得到了廣泛的應用,並列入相應的規程中。動力分析的快速傅立葉變換(FFT)的裝置也從硬體式到“Pc分析儀”,這就大大的降低了費用。大量新型的裝置已投入到生產實踐中,新型感測器具有更高的精度、可靠度和耐久性;檢測資料通過可靠