既有桥梁检测及评估方法研究

陈锐

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：既有桥梁在长期运营的情况下，会随着时间的推移发生结构退化，退化的因素可以由荷载作用、设计及施工不当、环境因素作用及材料自身原因引起。考虑桥梁结构的安全，针对这种不可逆转的退化状况，我们需要对桥梁检测的方法进行研究，其中基于荷载试验的评估方法备受人们的青睐，该种方法结合桥梁外观调查、规范检算，通过建立桥梁工作模型，依据现场实测值与理论计算值的对比评定桥梁的承载能力，达到了良好的评估效果。

关键词：结构退化；桥梁检测；荷载试验；承载能力；评估

引言

随着国家经济的发展和公路路网的逐步完善，桥梁对于我们日常生活和经济的稳定发展起着举足轻重的作用。为了保证既有桥梁的安全运营，因此我们需要对桥梁性能退化的内在原因、桥梁检测的研究方法现状及荷载试验的检测方法进行研究，以期为桥梁结构后期的管养提供科学的依据。

1桥梁性能退化原因研究

引起桥梁使用性能退化的因素可以分为荷载作用、设计及施工不当、环境因素作用和材料自身原因影响。

在役桥梁在运营过程中受到结构重力、汽车冲击力和撞击力、风荷载、地震等荷载作用的影响。尽管桥梁在设计之初为其预留一定的安全储备，但是由于超负荷现象的存在，使得桥梁结构的失效概率增大[1]，尤其汽车荷载对桥梁的影响不但会加大结构下挠的程度，而且会引桥梁刚度损失。

设计单位设计桥梁结构时，由于材料选择和配比考虑不到位、设计结构不合理、限于规范不完备、桥梁结构和桥梁构造存在缺陷等因素，造成的设计和施工不当，将会产生结构预计承载力不足的问题。

桥梁结构的材料主要由混凝土和钢筋有机结合在一起，这两种材料在自然环境中总受到各种介质的侵蚀，造成结构使用效果下降。目前对这两种材料已有充分的侵蚀影响的研究[2]：混凝土被侵蚀主要造成的后果为混凝土碳化，它指的是大气中的CO2与混凝土内部碱性材料发生复杂化学反应而引起混凝土钝化层破坏的过程。混凝土碳化和空气中水以及氧气的入侵，导致钢筋锈蚀，这是缩短桥梁结构寿命的重要因素。钢筋锈蚀导致钢筋体积膨胀，破坏存在于钢筋混凝土中的粘结力，致使钢筋混凝土结构出现裂缝。由于钢筋锈蚀，钢筋有效面积的减少，将造成构件承载能力降低、变形和裂缝增大等结构问题。随着时间的推移，锈蚀程度不断加深，钢筋有效面积不断减小，最终导致结构破坏。

钢筋混凝土在自然环境中，随时间的推移将会发生收缩、徐变、碱-骨灰料反应等材料特性变化，这将导致桥梁结构的使用性能退化[3]。

2桥梁检测方法的研究现状

国内外研究人员针对桥梁结构性能的退化提出了各种各样的检测方法，由检测范围可以分为局部检测法和整体检测法，按检测原理可以分为静力检测法和动力检测法[4]。

按检测范围分：局部检测法主要针对结构或构件的重点部位进行重点检查，通常采用无损检测技术，定位结构局部损伤、缺陷部位，对其进行定量分析。整体检测法是从全局上评价整个结构或构件的实际工作性能，用于确定性能下降部位且初步评估损伤程度，从而提高检测效率。

按检测原理分类：通过在桥梁暂停运营的状态下量测桥梁在静载作用下的变形、挠度、应变、裂缝[5]等参数，直接判定全桥静承载能力。桥梁结构的安全可以通过静载试验直观、可靠的反映桥梁结构性能。基于动力测试的桥梁结构性能判定，是利用结构的动响应作为判断桥梁运营状况和承载力的依据。该方法是通过施行激励响应下的测试、数据采集、信号分析与处理，根据结构的动力特性识别桥梁性能受损情况。由大量文献作出对动力检测方法进行总结，认为在荷载激励测试下起决定作用的是计算模型的建立和动测试参数的估计，特别是主要特征指标的确定，其中主要特征指标有位移模态、固有振动频率、位移频率响应函数、曲率模态、应变模态、应变频响函数等[6]。

3基于荷载试验的评估方法

模糊综合评估法是根据模糊数学中对模糊关系合成的原理，通过定量化一些边界不清楚、不易定量的因素，由此进行综合评估的方法。模糊综合评估法能很好的的解决参与变量的模糊性与算法的确定性的关系，较好地反映事件实质，然而此法存在一些问题：如模糊运算法则的选择、隶属度的确定、参评人员主观上的不确定性和随机性。

层次分析法把问题看成一个系统，在研究桥梁系统的组成部分相互关系以及在环境的基础上进行决策。在桥梁评估中，采用此法通过对桥梁系统定量与定性，得到桥梁各部件重要程度以及相互影响关系，最后通过多级模糊评判及评估，再作出评估结果。

基于荷载试验法通常仅凭桥梁外观调查与规范检算分析是不足以评定桥梁实际的承载力，由此须通过荷载试验法评定桥梁的实际结构性能，结合桥梁外观调查、规范检算来评定桥梁的实际承载能力。通过对建立桥梁工作模型，依据现场实测值与理论计算值的对比评定桥梁的承载能力。荷载试验法分为静载试验法和动载试验法。

静载试验：经过模型计算，通常采用分级加载的加载方式，对桥梁结构的控制界面施加与设计荷载或使用荷载相当的外荷载，利用仪器测量桥梁结构的主要控制截面在各级试验荷载作用下的挠度、应力、横向分布系数的变化值。将测量值与结构在设计或使用荷载作用下的理论计算值的对比与相关规范作比较。根据校验系数来说明结构潜在的承载能力，反映结构实际工作刚度。

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，下文简称为《评定规程》[7]，对桥梁结构施加的试验荷载需按照控制内力，应力等效原则。其静力荷载试验效率应介于0.95~1.05之间。

动载试验：动载试验主要是通过对结构进行激励测试，如行车、跳车、制动或其他方式的振动试验，测试桥梁结构上各控制部位的动挠度、动应变，以此识别结构的响应性能。动载试验反映了桥梁整体工作性能，通过桥梁结构的振型、自振频率、校验系数、阻尼比等表现出来。

虽然基于荷载试验的方法评估直观，较为可靠，但是需要在桥梁非运营阶段才能进行，调动车辆进行加载，布设测点测试，才能准确预测桥梁的承载能力状况及安全性能。

4结语

在桥梁结构退化过程中，汽车荷载的作用起着至关重要的作用，这种作用不仅表现为汽车的冲击力及振动效应，更表现为汽车荷载的反复作用，尤其是超重超载车辆的作用。针对桥梁结构性能的退化提出了各种各样的检测方法中，基于荷载试验的检测方法对于评估结构内力及承载力状态评估具有良好的可靠性。因此，外观检查等级评定较低的桥梁的荷载试验检测评估对于桥梁结构的维修及管养具有重要的参考价值。

参考文献

[1]王涛.超载损坏桥梁的维修与加固[J].交通世界(建养.机械)，2009(1):126-127.

[2]时娜，杨成斌，汪莲.公路桥梁病害分析与加固[J].工程与建设，2010(2):201-204.

[3]黄义军，王伟.钢筋混凝土桥梁耐久性的分析[J].北方交通，2009(6):120-123.

[4]杨光华.论公路桥梁的养护管理[J].科技创新导，2009(24):59.

[5]来猛刚.基于横向分布的带损伤梁式桥结构体系可靠度评估.长安大学，2009.

[6]唐颖.大跨度桥梁运营期监测技术研究[J].山西建筑，2010(12):332-333.

[7]中华人民共和国交通部.公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/TJ21-2011)，北京:人民交通出版社，2011.