昆明某长年使用桥梁的检测方法研究

周春雷

(云南大学建筑与规划学院,云南 昆明 650500)

1 引 言

桥梁是城市交通系统的重要节点,在方便居民出行、提高居民出行质量、带动城市经济发展等方面发挥着非常重要的作用。我国的桥梁保养制度重点关注日常维护和定期检查,桥梁的养护内容主要包括初期检测、日常检测、特殊检测、结构检测等。

樊健生等[1]提出用时空融合诊断体系进行桥梁检测;常勇等[2]设计了一种轻质长臂机器人来进行特殊部位的桥梁检测。桥梁检测经过多年的发展,虽然发挥了重要的作用,但也逐渐出现了一些不可忽视的问题,如检测时通常只是对桥梁进行简单的静态分析,而没有采用动态分析。

本文结合对某桥的检测试验,梳理出桥梁检测存在的不足,并展示一套完整的动态和静态检测体系,以期推动该领域的进一步发展,为今后的桥梁检测提供参考。

2 桥梁检测试验

2.1 概况

该桥位于云南省昆明市呈贡区,基本参数如图1所示。桥梁上部结构采用14～30m的T形连续梁,按5孔一联设计,下部结构采用桩柱式桥墩及桥台。预制T形梁、伸缩缝端现浇横梁及墩顶现浇连续段采用50号混凝土,桥墩盖梁采用30号混凝土,防撞墙、台帽、墩柱采用25号混凝土,桩基础采用25号水下混凝土。

图1 桥梁立面图

2.2 检测仪器设备

试验中采用的检测设备有:精密全站仪Leica TM50、静态电阻应变仪DH3821、动态信号分析仪DH5902N、电阻应变计BX-120系列。

2.3 试验方法

2.3.1 静载试验

静载试验选择该桥1跨进行测试,主要观测内容包括主梁挠度、主梁应变和外观检查,根据试验目的、结构形式、测试内容等选择测试截面和布置测点,测点布置见图2。

图2 测点布置图

在试验开始前进行桥梁空载时的位移初读,获取各测点初始状态读数。随后测读各试验工况下的挠度,各工况均在试验车辆到位10min后进行。试验结束后,再次对桥梁卸载(空载)10min后的挠度进行测读。

可以通过电测法并借助静态应变测试系统进行桥梁应力应变的测试。测试完成后会在电脑端直接显示出各测点的应变值,并据此算出应力值。试验过程中可以通过卡车来施加所需的荷载,施加荷载的卡车具有进出方便、可以通过装卸货物来改变重量、可以随时停靠在指定位置来满足所有工况的要求等优点。在加载时,应把卡车停在最不利的位置,确保静载试验的准确性。

(1)预载。在加载时,应在有信号的情况下对试验构件施加适当的预载,使构件进入正常的运行阶段,并发挥预演的功能。在试验进行中,用单台试验车低速行驶多次穿梭于测试桥梁,以减少部分残余应力,达到使测量结果保持稳定的效果。

(2)正式加载。为保证试验的准确性和防止桥梁构件出现损伤,试验时需要进行分级加载。本次试验荷载分两次递加,施加到最大荷载后分级卸载。每次加载或卸载须等到测试仪器显示结构的应变图形趋于稳定才可以进行。同级荷载内,如果结构的最大变位测点在最后5min内的变位增量小于第一个5min的15%、或小于测试仪器的最小分辨率时,认为结构变位达到相对稳定。只有等到相对稳定后,才可以进入下一个阶段施加荷载。在加载过程中需要测量桥梁的温度,尽可能避免温度场对试验的影响,尽量选择在温度变化不大的时间段进行试验。

(3)持荷时间。试验时,桥梁加载和卸载的时间都要足够长,这可以使变形达到稳定。考虑到温度变化的影响,根据检测经验,一般需要15min才可以进行读数。荷载施加完毕、读数完成后才可以卸载,先让结构变形恢复约半个小时,在测量仪器上再读一次数据作为结构的残余变形值。

(4)试验中止条件。为了保证整个试验过程的安全,需要随时把关键部位的实测值与计算值、规范允许值进行比较,实时掌握结构的工作状态,以保证对加载过程进行有效控制。此外,如果在加载过程中出现以下几种情况,要立即终止试验或暂停试验,待查明原因或问题解决后才可继续试验:加载过程中,测量部位的实测值与理论值严重不符;关键节点的应变或位移超过设计值,且远远超过规范安全条件的容许值;桥梁检测节点出现明显的受力损伤或局部损坏的情况,可能影响试验的进行或有可能对检测人员造成人身危害;出现其他意外状况,如桥梁附近有施工产生较大噪声或重大的机器运行。

2.3.2 动载试验

本次动载试验,采用环境激励法,先利用高灵敏度传感器和满足频率要求的数据采集系统对桥梁脉动响应进行数据采集,再通过频谱分析,得到桥梁的响应频谱图和自振频率,通过设定基准测试点再对数据处理就可以得出桥梁测试段的各阶主要振型图。

在桥面上布设速度测点,进行多点测量。根据结构检算计算得到的理论振型,选择在结构振型曲线的波峰、波谷位置布设传感器。当采集得到振动波形后,拟使用DHDAS模态分析软件分析结构振型、频率和阻尼比。

在空载情况下借助拾振器进行脉动信号连续足时采集,通过对采集所得到的时程曲线进行频谱分析,便可得出所测结构的动力特性参数、频谱分析图及基本振型。

3 试验结果分析

经静力荷载试验测试,桥梁结构在各工况试验荷载作用下,位移校验系数值在0.36～0.50之间,满足相关规范要求。各工况试验荷载作用下,应变校验系数值在0.10～0.94之间,其上、下限值均超出《公路桥梁荷载试验规程》针对预应力混凝土桥的应变校验系数常值范围0.20～0.40,表明在可变荷载作用下,斜交板内部应力分布不均,对结构的耐久性不利。各工况相对残余位移值和相对残余应变值均小于规范值,表明在试验荷载作用下结构一直处于弹性阶段。

根据动载试验,可以测出在不同速度下的冲击系数,如表1所示。

表1 各速度下的冲击系数

从表1可以看出,在相同的车速下,跑车和跳车的冲击系数是相同的。随着车速的增加,冲击系数不断增加,但冲击系数增加的幅度不断减小,特别是当车速从10km/h增加到15km/h时,冲击系数仅增加了约0.1。由此可见,冲击系数和车速间不存在函数关系。另根据冲击系数的定义,其计算式写为1+μ=动力响应/静力响应,就可计算桥梁的动力冲击系数1+μ。

4 结 论

本文基于该桥的静载和动载试验,得到如下结论:

(1)静载试验中,在满载情况下,因测点位置不同,应变的理论值和实测值较大。

(2)动载试验中,在跑车和跳车相同速度下,两者的冲击系数是一致的。

(3)为进一步提高桥梁检测的智能化,本次试验中,运用有限元软件、DHDAS模态分析软件进行分析,为今后智能化桥梁检测提供了参考。

(4)采用智能化桥梁检测软件分析时,可以进行动态分析,分析较为全面、结果较为精准,具有一定的应用前景。