橋梁結(jié)構(gòu)檢測及其承載力評定

劉文深

隨著我國公路、市政橋梁事業(yè)的發(fā)展，新建高速公路及市政橋梁越來越多，同時既有的許多橋梁亦逐漸進(jìn)入了養(yǎng)護(hù)維修階段，橋梁管理者對橋梁的養(yǎng)護(hù)已日益重視。

通過對橋梁的全面檢測，系統(tǒng)地收集當(dāng)前橋梁技術(shù)數(shù)據(jù)，積累技術(shù)資料，為充實橋梁數(shù)據(jù)庫、加強(qiáng)橋梁科學(xué)管理和提高橋梁技術(shù)水平提供必要條件;通過合理設(shè)計檢測的方法，輔以布設(shè)長期監(jiān)測設(shè)備，逐步建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，確保橋梁長期安全運(yùn)營，以發(fā)揮其最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 現(xiàn)行橋梁承載力評定方法

目前對于橋梁承載力的評定可分為4類:病害調(diào)查經(jīng)驗評定法，綜合分析法，分析計算法，荷載試驗法。

1.1 病害調(diào)查經(jīng)驗評定法

這一方法的主要依據(jù)是JTJ073-96公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范。在橋梁檢查的基礎(chǔ)上，通過對橋梁的技術(shù)狀況及缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢的調(diào)查，弄清出現(xiàn)缺陷和損傷的主要原因，分析和評價既存缺陷及損傷對橋梁質(zhì)量和使用承載能力的影響，并為橋梁維修和設(shè)計提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)和依據(jù)。這種方法要求現(xiàn)場檢查人員必須具有豐富的工程經(jīng)驗和專業(yè)知識。

1.2 綜合分析法

此方法是在橋梁檢查的基礎(chǔ)上，采用無破損方式測定混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化深度、混凝土氯離子含量、混凝土電阻率、鋼筋混凝土保護(hù)層厚度和結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋銹蝕狀況，進(jìn)行折減后的結(jié)構(gòu)承載力驗算，綜合分析計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)裂縫等外觀條件，評定結(jié)構(gòu)材料狀況。

1.3 分析計算法

首先對被檢定的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查(收集資料、現(xiàn)狀檢查、材質(zhì)與地基的檢驗等)，然后將檢查所得的有關(guān)資料和檢驗測量結(jié)果，運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)計算理論及有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)進(jìn)行分析計算，從而評定出橋梁的安全承載能力。

隨著計算機(jī)技術(shù)特別是鋼筋混凝土有限元理論的發(fā)展，有限元計算法引起了各國學(xué)者的重視。編制有限元計算程序或采用通用的有限元分析軟件，用計算機(jī)模擬實際橋梁的荷載試驗，計算橋梁的實際承載力，評定步驟如下:1)橋梁調(diào)查;2)確定加載形式并劃分單元;3)分級加載計算;4)評定承載力。

1.4 荷載試驗法

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進(jìn)行直接測試的一種檢定手段，是對橋梁結(jié)構(gòu)性能最直觀、最可靠的檢測方法。按施加荷載的類型可分為靜載試驗和動載試驗，我國在這方面有成熟的方法和標(biāo)準(zhǔn)。橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗是按照橋梁的設(shè)計荷載等級，根據(jù)荷載的最不利位置布置靜載，或者根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的控制內(nèi)力確定荷載及其位置，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，靜載試驗的加載量一般為設(shè)計荷載的0.8倍～1.0倍，試驗前應(yīng)先進(jìn)行估算。

2 橋梁檢測方法

1 )靜態(tài)檢測方法。靜力荷載試驗就是將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，以便能夠測試出結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力的試驗。通過這些與橋梁工作性能有關(guān)的參數(shù)，可以分析得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，據(jù)此判斷橋梁的承載能力。

2)動態(tài)檢測方法。動力荷載就是將行駛的汽車荷載或其他動力荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)上，來測出結(jié)構(gòu)的動力特性，從而判斷出橋梁結(jié)構(gòu)在動力荷載下受沖擊和受振動影響的試驗。其試驗的目的在于測定結(jié)構(gòu)的動力特性。

3 結(jié)構(gòu)性能狀況檢測

3.1 基于動載試驗的橋梁結(jié)構(gòu)狀況檢測

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是與結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，而與荷載等其他條件無關(guān)的性質(zhì)。橋梁的模態(tài)參數(shù)是整個結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特性，它是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析所需的參數(shù)，其結(jié)果不僅可以用來分析結(jié)構(gòu)動載作用下的受力情況，而且為橋梁承載力狀況評定提供重要指標(biāo)。

1 )固有頻率的測定。對于比較簡單的結(jié)構(gòu)，只需結(jié)構(gòu)的一階頻率，對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力分析，還應(yīng)考慮第二、第三及更高階的頻率。橋梁固有頻率可以直接通過測試系統(tǒng)實測記錄的功率譜圖上的峰值、時域歷程曲線等確定。由基頻還可以推算承重結(jié)構(gòu)的動剛度。

2 )阻尼。橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性一般由對數(shù)衰減率或阻尼比來表示，可由時域信號中的振動衰減曲線求得。另外，也可以從功率譜圖中用半功率帶寬法來計算阻尼，一般測試系統(tǒng)軟件均可完成此類分析。

3 )振型。一般橋梁結(jié)構(gòu)的基頻是動力分析的重要參數(shù)。傳感器測點的布置根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，通過理論分析后確定。振型的測定一般采用兩種方法，一種是使用多個傳感器測定，另一種是使用一個傳感器變換位置測量，這種情況下需要一個作用參考點，測試時比較繁瑣。在條件限制時使用，一般應(yīng)采取第一種方法測試。

4 )沖擊系數(shù)。沖擊系數(shù)μ為沖擊力與汽車荷載之比。對于線彈性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)來說，動荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與靜荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)之比即為1+μ。因此，沖擊系數(shù)的測試通常采用測定結(jié)構(gòu)動應(yīng)變或動撓度的方法。測試前，在梁的跨中(或最大變位、應(yīng)變處)布置電阻應(yīng)變片式的位移計或應(yīng)變計，并通過動態(tài)應(yīng)變儀與電腦相接。試驗時，由加載車輛以某一速度從測點駛過，記錄其輸出應(yīng)變隨時間變化的實時信號。一般情況下，應(yīng)測試記錄多種車速下的輸出應(yīng)變結(jié)果，以做分析比較。

3.2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)狀況檢測

現(xiàn)實中橋梁處于一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)中，影響結(jié)構(gòu)安全性、適用性及耐久性的因素多，各影響因素之間的關(guān)系也存在著大量的不確定性和模糊性。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)評估方法不能很好地處理這些不確定性因素的影響，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法卻能實現(xiàn)從輸入?yún)?shù)到輸出參數(shù)之間的非線性映射，非常適合于非線性很強(qiáng)的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷。

1 )人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks，ANN)，一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是并行分布式系統(tǒng)，采用了與傳統(tǒng)人工智能和信息處理技術(shù)完全不同的機(jī)理，克服了傳統(tǒng)的基于邏輯符號的人工智能在處理直覺、非結(jié)構(gòu)化信息方面的缺陷，具有自適應(yīng)、自組織和實時學(xué)習(xí)的特點。

2 )結(jié)構(gòu)等級評估輸入?yún)?shù)。

混凝土材料方面:a.截面損失程度:由于混凝土在空氣中的碳化作用，碳化部分將不參加構(gòu)件的工作，因此構(gòu)件截面減小。此參數(shù)以混凝土碳化深度與構(gòu)件實際尺寸的比值來衡量。b.混凝土強(qiáng)度損失程度:混凝土強(qiáng)度隨時間而降低。此參數(shù)以混凝土強(qiáng)度下降程度來衡量。c.開裂程度:對大部分結(jié)構(gòu)，允許在規(guī)定范圍內(nèi)帶裂縫工作，但是裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展對結(jié)構(gòu)的抗彎能力及鋼筋的保護(hù)有很大影響。此參數(shù)用裂縫寬度可靠指標(biāo)與允許可靠指標(biāo)的比值來度量。動力特性方面:a.固有頻率下降，由于長期運(yùn)營，橋梁的固有頻率、剛度隨時間增加有逐漸減小的趨勢，其豎向剛度降低較快;b.橋梁剛度下降，內(nèi)部混凝土出現(xiàn)疲勞，產(chǎn)生了塑性變形，大大降低了橋梁剛度。

3 )結(jié)構(gòu)等級評估輸出參數(shù)。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的反

復(fù)訓(xùn)練，可以輸出y值，根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)中劃分的4個等級來評估結(jié)構(gòu)等級。y體現(xiàn)不同的破損程度，數(shù)值越小，破損程度越小。評估等級與y取值的對應(yīng)關(guān)系:a.一級，0.00＜y≤0.05，滿足國家規(guī)范要求，不必采取任何措施;b.二級，0.05＜y≤0.15，略低于國家規(guī)范要求，但不影響正常使用; c.三級，0.15＜y≤0.35，不滿足國家規(guī)范要求，影響正常使用，應(yīng)采取維修加固措施;d.四級，0.35＜y≤1.00，嚴(yán)重不滿足國家規(guī)范要求，是危橋，須及時采取措施。

4 結(jié)語

橋梁檢測是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，不僅要求工作人員有豐富的實際現(xiàn)場經(jīng)驗，而且同時需要堅實的理論基礎(chǔ)作為指導(dǎo)。與此同時，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)形式的采用也越來越多，為了積累這方面的工程經(jīng)驗，我們有必要做一些檢測工作。另外，對出現(xiàn)病害的橋梁也需要做鑒定以評價其安全指標(biāo)。因此只有把理論和實際充分結(jié)合起來，再加上指揮者與各試驗人員之間的默契配合，才能做好檢測工作并取得滿意的數(shù)據(jù)，也只有這樣才有可能做出準(zhǔn)確的評估。

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