中、小跨径预应力混凝土桥梁健康监测技术分析

韩基刚

（辽宁省交通规划设计院 辽宁 沈阳 110166）

中、小跨径预应力混凝土桥梁健康监测技术分析

韩基刚

（辽宁省交通规划设计院 辽宁 沈阳 110166）

随着桥梁建设规模的逐渐增大，大部分预应力混凝土桥梁的病害问题也逐渐显露出来。本文较深入地探讨了预应力无损检测及局部破损检测技术在役预应力混凝土桥梁的研究进展，分析了检测技术应用中的常见问题，有针对性地提出预应力混凝土桥梁提高测试精度应采用局部破损检测与无损检测相结合的方法，将智能传感器埋设于预应力钢筋中用于长期监测混凝土桥梁的应力。

混凝土桥梁 健康监测 桥梁质量

1. 序言

预应力混凝土的发展主要体现在预应力混凝土桥梁的建设中，并使梁式桥梁跨度得到快速增长，自二十世纪五十年代建设的莱茵河沃尔姆斯作为突破百米跨度的第一座桥，逐步发展到二十世纪末建设的预应力混凝土梁式桥已超过300米跨度。预应力发挥的作用十分明显，创造显著的经济社会效益，并在各种桥梁结构中广泛应用，不只是促进了中小跨度桥梁的发展，也有力促进了大跨度桥梁建造技术的进步。在正常使用的预应力混凝土桥梁中，因承载频繁以及超载等作用的影响，再受到一些自然灾害侵蚀及各类事故影响，很多原因都降低了预应力，轻者使桥梁缩短寿命，严重的将对桥梁安全产生不利影响。在普查德国公路桥梁中，发现预应力混凝土桥应用达30年左右的桥梁中有近一半在桥梁上部结构都发生不成程度的损伤。

目前国内公路桥梁中，超过90%都采用混凝土结构，超过75%的桥梁都是预应力混凝土结构。经过使用几十年后，多数桥梁结构都发生老化。据调查发现，一些大跨径预应力混凝土桥梁建成后都发生混凝土结构开裂现象。甚至可能会对正常使用的桥梁结构或结构耐久性产生影响，而在一些预应力混凝土连续梁式桥中相继产生主拉应力裂缝。影响预应力混凝土桥梁安全的一个最主要因素就是预应力损失，因此，对预应力构件工作性能评价的关键在于存在预应力构件的现存应力。在生产至安装使用，预应力都逐渐减少，混凝土收缩徐变、锚具变形与滑移等都是影响因素。结合预应力混凝土设计规范，都需要通过试验才能获得上述各项预应力损失值，而各项损失值又将伴随时间而相互发生作用。另外，如严重超载、自然灾害或交通事故等因素影响，也增加了估算预应力损失值的不确定性。所以，检测混凝土结构预应力不管对于评定桥梁结构承载力设计分析桥梁结构都具有重要指导作用。

2. 预应力检测技术的研究现状

对桥梁结构使用性能产生影响的一个主要指标就是预应力的持久应力大小，无损检测和局部破损检测是国内外普遍采用有效的两类预应力检测方法。

2.1 预应力混凝土无损检测技术的研究现状

无损检测是在对被检测构件不产生损伤的情况下，利用专业设备对桥梁结构内部特征进行探测，进而对桥梁整体性能进行推定。主要检测方法有以下几种：一是声发射技术。该技术在美国应用比较广泛，很多学者都利用该技术对影响预应力损失的时效性和锚固端的滑移进行分析，但距离实际应用还存在较大差距。二是电磁效应检测法。主要分为涡流、测漏磁和磁粉检测三种方法，检测利用磁场变化原理，基于磁通量泄漏原理对预应力筋损失的预应力进行检测。应力变化时因物体伸缩导致磁通在磁路中发生变化，并引起感应电流在感应器线圈中变化，据此对应力变化进行测定。三是超声波检测法。该方法是无损检测法中发展最快的，国外研究人员依据通过预应力钢绞线后超声波的频率变化对其拉应力进行推断。在不具有应力作用时，在各向同性的弹性体内超声波传播速度与有应力作用时存在差异，利用对超声波波速与应力之间关系的研究实现对构件应力状态的测量。从理论中，超声波具有足够大的发射功率，能够将任意厚度穿透，所以，对于大型构件现存应力的测量比较适合，但达不到较高测量精度低，只能对高值现存应力测试，目前还在试验研究中。从原理上来说，很多无损检测方法都属于间接检测方法，其测试精度还需要不断进行提高。

2.2 预应力混凝土局部破损检测技术的研究现状

局部破损检测主要是采用仪器试验构件局部损伤情况，结合获得到的数据，对构件整体性能进行推定的一种检测方法，主要有预应力筋直接检测技术和应力释放两种检测方法。预应力筋直接检测技术是将传感器布置在预应力筋上，直接对预应力筋应力状态进行测量。粘贴光纤光栅传感器目前采用较多，为有效避免孔道摩擦和挤压引起的数据失真，应深入研究传感器复合工艺。应力释放法是利用机械切割释放约束产生的应力，对切割前后的构件应变进行测试，进而结合材料本构关系获得构件应力状态。有关学者在预应力混凝土梁中应用试验、理论推导和有限元分析方法推算有效预应力，目前还局限于单点应力释放，测试精度不超过90%。该方法最早在测量结构构件的残余应力中进行应用，利用对构件分割前后位移和应变的测量，经换算得到应力。在金属材料尤其是测试钢材残余应力方面应用比较广泛，目前逐渐引入到测试混凝土等材料的应力中。据有关研究结果显示，应力释放法应用于混凝土构件应力的测试还处于初步研究阶段，只针对轴心受压的小构件试件。因受力不复杂，条件比较易于实现，很多试验均基于理想状态下，没有考虑实际应用中干扰因素。所以，若对应力释放法测试结构的现存应力开展深入研究，就需要结合桥梁实际结构模型，以及各种影响因素，在实际工程中才能应用好相关研究成果。

3. 预应力检测技术应用难点

对预应力混凝土桥梁检测持久应力尽管取得一些进展，但在具体应用中，也存在一些技术难点，主要体现在：一是测试精度需不断提高。在测试精度方面，应力释放法相对于其它测试方法具有一定优势，但目前国内外还局限于单点释放应力，测试精度不超过90%，难以对现存持久应力进行准确测试，难以准确评价预应力混凝土结构的安全性及承载能力。二是应力释放法还有待于深入研究。因该方法具有较强的现场操作性，设备价格不高，尽管破坏部分结构，但对桥梁整体性能不会产生影响。所以，该方法对于测试预应力混凝土结构的现存应力比较可行，但因混凝土材料不均匀、切割时受多种因素影响等原因，有关参数与预应力之间的关系还有待于深入研究。三是国内外学者利用将传感器安装到锚固端实现对锚具受压状态的测量，而得到预应力变化值，但该方法难以获得预应力筋分布应力的情况，受预应力管道摩阻等影响，难以获得混凝土持久应力状态。

4. 总结

综上所述，通过比较国内外预应力混凝土桥梁健康监测技术及方法，可发现监测预应力混凝土桥梁持久应力还依然存在测试精度低、测试方法不够完善等技术难点。因此，可建议结合局部破损检测方法和无损检测方法，有效测试预应力混凝土桥梁的持久应力。而且，将智能传感器埋设于预应力钢筋中才能长期监测该类桥梁预应力的持久应力。

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[3] 杨勇，王灿，朱新实.既有桥梁结构混凝土现存应力测量与分析[J]，同济大学学报，2014.5

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K928

B

1007-6344（2015）12-0182-01

韩基刚（1982—），男，辽宁大连人，研究方向：大跨径及中小跨径桥梁健康或安全运营监测。

1.本文系辽宁省交通厅科技项目，基金号201514,基金名称：适合东北地区的低成本桥梁健康监测系统开发

2.本文系辽宁省高速公路科研项目，基金号201409,基金名称：预应力混凝土梁桥安全运营监测实用技术研究