浅谈桥梁检测方法及工程应用

2014-03-07寇伟

黑龙江交通科技 2014年4期

关键词：校验挠度桥梁

寇伟

(山西省交通科学研究院)

浅谈桥梁检测方法及工程应用

寇伟

(山西省交通科学研究院)

简单介绍了桥梁检测的基本方法、发展前景及工程应用情况。根据某桥梁的实际情况，通过静、动载试验分别测定桥梁结构的静力效应及动力性能，并运用MIDAS技术建立桥梁空间模型对其进行整体分析。结果表明，该桥梁的承载能力及工作性能均满足规范要求，可以正常运营。

桥梁检测;承载能力;MIDAS;综合评定

1 检测方法简介

1.1 静载试验

桥梁静载试验是指按照试验计划，将荷载作用在指定的部位，观察检测桥梁相应部位的位移、应变、沉降、裂缝等参量的变化情况，根据相应规范的指标要求，评估桥梁结构的工作性能以及承载能力能否满足要求。

1.2 动载试验

动载试验是指采用激振的方法引起桥梁结构振动，随后测定其振型、动力响应(加速度、动扰度)、固有频率、动力冲击系数、阻尼比等桥梁结构特性的试验方法，从宏观角度评定桥梁的运营性能及整体的刚度是否满足要求。

2 检测方法的发展趋势

随着现代科学技术的发展，我国涌现了一批新型检测手段及方法，例如利用GPRS来实现桥梁检测的远程数据传输;神经网络的应用;数字图像处理技术应用;光纤应变传感器测试系统的应用;新型桥梁检测设备研制等等。其中无损检测方法出现史无前例的发展态势，无损检测技术结合现代化的电子计算机先进技术，以应用性物理学及现代材料科学为理论基础，无损检测技术以高效快捷的工作平台得以广泛运用。上述多门技术使得桥梁检测正向着便捷、迅速、智能的方向阔步前进。

3 石梁桥桥梁检测工程实例

3.1 桥梁概况

本桥梁为一座跨线桥，位于R=4 000 m的圆弧平曲线上，标准跨径20 m，共三孔，双幅布置，桥梁全长64.74 m;桥梁设计荷载为城市 A级。桥梁下部结构采用1.3 m×1.65 m矩形截面柱式桥墩，承台为工字形，桩基采用4根Φ120 cm钻孔灌注桩，桩长30 m。桥台采用钢筋混凝土肋式台，基础采用Φ120 cm双排钻孔灌注桩。桩长22 m。桥面铺装均采用5 cm厚沥青混凝土和8 cm厚现浇C40混凝土，护拦采用钢筋混凝土防撞护拦。

3.2 检测目的

为保证该桥的结构安全和正常运营，确定该桥的实际工作状态，对该桥进行检测和承载力评定。

3.3 检测依据

(1)中华人民共和国行业标准.城市桥梁设计荷载标准(CJJ77－98)。

(2)中华人民共和国建设部标准.城市桥梁养护技术规范(CJJ99－2003)。

(3)中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计通用规范(JTG D60－2004)。

(4)中华人民共和国交通部标准.公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50－2011)。

(5)中华人民共和国交通部标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝桥涵设计(JTG D62－2004)。

3.4 静、动载试验方案和实施过程

(1)试验孔选择及测试截面布置

选20 m空心板梁的边孔为测试孔，根据结构的力学特点，对该结构进行静、动载试验。控制截面如图1所示，各控制截面的位置和控制内力见表1。

图1 空心板梁控制截面位置示意图(m)

表1 控制截面的位置和控制内力

(2)测点布置

测试截面应变计和位移计布置如图2所示。

图2 空心板梁截面测点布置示意图(cm)

(3)加载车辆

采用加载车辆示意如图3。

图3 加载车辆示意图

(4)试验工况及加载方法

为了与检测的内容相互对应，本测试共分为4种工况，做出各个截面内力影响线图，再由影响线确定各工况荷载位置。

工况1:顺桥方向按照A截面最不利正弯矩一排车布载，横桥方向四辆车中载。

工况2:顺桥方向按照A截面最不利正弯矩两排车布载，横桥方向两辆车偏载，纵向两排。

工况3:顺桥方向按照B截面最不利正弯矩一排车布载，横桥方向四辆车中载。

工况4:顺桥方向按照B截面最不利正弯矩两排车布载，横桥方向两辆车偏载，纵向两排。

4种工况均需要四辆车。

(5)试验效率验算

根据《公路旧桥承载能力试验鉴定方法》，静载试验效率η的取值应为:

其中:S为荷载(标准)作用条件下，对应位置的变位或力的计算值;Ssat为荷载(试验)作用条件下，对应位置的变位或力的计算值;δ为动力系数。

本桥设计荷载为城－A级，在计算设计标准荷载的效应时，本桥取用计算荷载，即工况I、工况II、工况III、工况Ⅳ采用城A级下的结构效应，其具体计算结果如表2所示。

表2 各试验工况静载试验效率的计算表

(6)动载试验

以静载试验车辆为试验荷载，以20、30、40、50 km/h 4种不同的速度匀速通过桥梁结构，分别测得其动应变、动挠度、加速度，同时分析其阻尼、频率、最大动挠度等，然后由最大动挠度和相应静挠度的比，得出冲击系数。试验过程如下。

开始要准备测点打底找平、联机调试、安装位移计、粘贴应变计等工作，然后再进行预加载试验，以检验各仪器设备是否准确无误，以判断是否进行下一步的正式加载试验。

静载试验完成以后进行动载试验，为了便于结构恢复弹性变形，保证了结果的可靠性，试验时每种跑车要实施2次，每次时间的间隔不能小于5 min。

3.5 静载试验结果及分析

静载试验、动载试验的理论计算均采用MIDAS技术建立预应力空心板梁桥空间模型来进行桥梁结构的整体分析。用梁格法模拟空心板建立模型，模型共970个单元，1 263节点，试验结果包括挠度及应变，其中各工况下控制截面校验系数最大值、最小值和平均值见表3。

表3 桥跨各加载工况校验系数统计表

续表3

3.6 动载试验结果与分析

结构自振特性所反应的结构自身动力特性，是动力分析的基本要素。自振特性的分析手段为分离变量法，即把结构坐标变量与时间变量分离以后，再利用系数行列式为零的条件3。

解此关于λ的n次系数特征方程，便可得结构自振频率及其相对应的振型。以MIDAS技术创建桥梁架构整体模型，再利用子空间迭代的方法数值分析，便得出各阶自振频率及相应振型图。

桥跨结构为一阶振型，由20、30、40、50 km/h的跑车速度激振可以得出，理论一阶自振频率f1=6.04 Hz;对加速度时程曲线进行频谱分析以后，试验得到了幅频特性曲线，同时得出自振频率及阻尼比，结构实测一阶频率f1=6.05 Hz;试验由动挠度时程曲线得出最大动挠度，算出与对应静挠度的比值便得到冲击系数μ=0.18。

3.7 评定结论

(1)静载试验:由《公路旧桥承载能力鉴定方法》得出预应力混凝土桥梁的挠度校验系数范围为0.6～1.0，应变校验系数范围为0.6～0.9;该桥控制截面的挠度校验系数均值是0.61～0.66，该桥控制截面的应变校验系数均值是0.74～0.77，两者均在规范要求范围之内;以上说明该桥梁基本仍在弹性工作的状态，承载能力满足正常运营要求。

(2)动载试验:由实验结果可知，实测自振频率f1=6.05 Hz略大于理论计算频率f1=6.04 Hz;实测冲击系数μ=0.18略小于理论冲击系数μ=0.20;以上表明该桥梁动刚度满足规范要求，结构抗冲击性能良好。

(3)由静、动荷载试验结果综合分析可知，该桥承载能力及工作性能均满足规范设计要求，检测结果表明该桥梁可以正常运营。