动测技术在桥梁检测中的应用综述

□文/王甫友

动测技术是桥梁结构测试技术中很有发展前途的一个应用分支，也是近年来发展较快的一门新技术，其基本原理是利用桥梁本身或激振后发出的振动信号对桥梁结构的技术状态进行判定。动测技术是通过研究振动信号反映出来的桥梁结构状态及变化，来对桥梁结构的技术状态进行预测和监视。无论是新建桥梁结构验收，还是既有桥梁的检测评定，甚至是自然灾害后的快速响应，动测技术在桥梁检测中都是一个好的方法。

1 桩基检测

桩基动测是相对于静力而言的，即通过给桩作用动态力(动荷载)，使桩产生显著的加速度和土的阻尼效应。采用不同功能的传感器可以在桩头量测到不同的动力响应信号，如速度或加速度响应信号，以此来确定桩基的各种技术参量。根据作用在桩顶上动荷载的能量，可以把动测分为高应变和低应变两种方法。低应变测试方法也有多种应用方法，但由于反射波法适用范围较广，可检测桩身完整性、推定缺陷类型及其位置、核定桩长并可推断桩身混凝土的强度等级，因此应用较广泛。该方法的原理是在桩顶施加一个初始扰动力，由此激发出的弹性波从桩身往桩底传播。当弹性波在传播过程中遇到介质突然变化的界面时，如桩身夹泥、断裂、严重缩颈和扩颈等，将会产生反射和透射，通过分析桩的动态响应特性来判别桩身质量以及桩长等参量。高应变法包括各种应用方法，但其中的Case法、实测曲线拟合法做为桩基动测的主要手段被列入国家《基桩高应变动力检测规程》。另外动测检测项目多，动测中低应变法可检测桩身完整性、桩长、桩身缺陷类型及位置、推断混凝土强度；高应变法除可提供承载力和上述技术指标外，尚可提供桩身内部应力、桩周土阻力及桩端阻力等参数。静载虽可结合预埋应变计检测应力及土阻力，但其费用是一般工程不易接受的。动测试验费用低，测试周期短，效率高，不影响工期，对现场要求低，影响小，试验简洁方便，抽样率高，全面检测桩基质量。

2 既有桥梁墩台检测

既有桥梁墩台检测是桥梁检测中重要的一项内容，墩台结构的好坏至关桥梁结构的安全。但是由于各种原因，比如说江河中墩柱、填土埋置墩柱等无法从表观上对其进行检测，而检测墩台结构的稳定性又是必不可少的，过去多采用挖验和钻探的的方法来探明墩台是否存在病害，耗费人力、物力，故动测技术应用于墩台的检测中有独特的优势。动测技术主要测试的内容包括横向水平振动能比较明显地反映出墩台自身的动态特性，其稳定与否主要反映在振幅的大小、频率的变化、波形变异3方面。墩顶横向水平振幅值是检测时所得到的最直接、最直观的，反映结构稳定性的重要动态定量指标。桥墩横向振动的频率可以分为2种：一种为车辆在桥上运行中左右摆动产生的迫振频率；另一种为车辆驶离桥梁后，由振动自由衰减波形段的频谱分析得到的结构自振频率。当墩台产生病害后，其振动波形也会出现各种变异。故从水平振幅、频率和波形变异3方面能够综合评定墩台的好坏。动测技术检测墩柱不用封锁交通，不对桥梁结构下部结构作任何变动，充分显示其优越性。

3 上部结构检测

车辆荷载或其他动力荷载对桥梁结构有冲击和振动影响，当车在桥上时为车桥联合振动，当车跨出桥后，为桥梁结构的自由衰减振动。这已成为桥梁结构设计、计算、施工、运营、维修养护过程中的重要问题之一。动测技术在上部结构检测中一般包括以下项目：测定桥梁结构在车辆荷载作用下强迫振动特性，如冲击系数、强迫振动的动应变（应力）等；测定桥梁结构的自振特性，如自振频率和阻尼特性等。利用动测技术对桥梁承载力评估方法目前主要有：基于固有频率变化的结构性能评估；基于振型变化的结构性能评估；刚度和柔度矩阵法；其他动态评估方法。动测技术检测流程见图1。

图1 动测技术检测流程

4 桥梁索力检测

斜拉桥结构体系中，斜拉索不仅起连接主梁、索塔、传递内力和变形的作用，更主要是通过新的索力分布，对结构的整体抗变形能力进行调整，保持结构始终处于平衡稳定状态。各拉索中实际索力的大小就成为评价桥梁安全性和承载能力的主要参数。索由于腐蚀、疲劳等原因发生损伤，产生松弛，作为结构中的重要构件，索的破坏将可能给整体结构带来灾难性的后果，因此索结构的检测中也必须准确实时地测量索力。索的测量在结构施工期和使用期内都具有重要意义。在施工阶段，调整索力用千斤顶张拉、用压力表、压力传感器、三点弯矩法等静力检测方法，成桥后静力检测难以实行。所以动测技术在成桥后索力检测中有其独到的优势。目前最常用的测量索力的动测方法为频谱法。频谱法是依据索力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索长度、两端约束情况、分布质量等参数时，将高灵敏度的拾振器绑在斜拉索上，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、信号放大、A/D转换和频谱分析即可测出斜拉索的自振频率，进而由索力与拉索自振频率之间的关系获得索力，这是一种间接方法，现有仪器及分析手段，测定频率精度可达到0.005 Hz。动测技术在索力测量中的应用对于成桥的验收和质量评定提供了便利。

5 结语

随着我国经济的快速发展，道路对经济发展有促进作用，而桥梁作为道路的咽喉，其安全性关系到道路的畅通。目前需要桥梁检测人员对桥梁快速的进行评估，而且大型桥梁需要时时对其进行监控。目前我国桥梁质量快速评估和健康监测面临着许多机遇和挑战，大量旧桥需要科学评估，有效维修和加固，大跨度桥梁屡见不鲜。各国的评估方法大部分为静力评估，静力评估方法耗资巨大，费时，各国开始探索动力评估方法。该方法具有广阔的应用前景。

1）在健康监测领域，桥梁结构的动力响应监测是桥梁结构安全监测的主要内容之一，对营运中的桥梁进行动力特性参数监测，掌握其随时间和各种环境因素影响下的变化规律具有特别重要的意义。为评价桥梁的安全性提供了科学依据。环境振动法建立不妨碍交通、适于远程遥控检测以及获取完整结构状态数据库的桥梁自动实时监测系统。另外对既有桥梁快速、准确地评定其工作状态和安全性能，就可以为桥梁管理部门提供科学的决策信息，使得桥梁养护、加固措施和投资方案合理有效。

2）在承载能力评估领域，目前桥梁损伤识别是一个前沿的课题，而动测技术是损伤识别系统中一个必不可少的关键环节。另外在常规承载力评估方面，也急需动测技术的应用，例如：人行天桥承载力评定所采用的大部分方法还是静载试验堆积重物(砂袋等)法，耗费人力、物力，生产效率低，动测技术的应用在人行天桥的承载力评定上有较大的优势。动测技术在实际检测中得到了广泛的应用，但是它对仪器的灵敏度要求较高，结果受设备的性能限制较大。动测技术完全替代静力评估方法还需要一定的时间，但是通过技术创新，其发展前景是远大的。

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