關于橋梁檢測的分析
2015-07-09
混凝土橋梁作為一類土木工程構筑物，自建成以來，受外界環(huán)境（包括自然環(huán)境和使用環(huán)境）的長期作用，同時由于原設計未達到使用要求施工未達到設計要求等原始缺陷，往往產(chǎn)生這樣或那樣的橋梁病害與損傷，如混凝土裂縫碳化與水侵蝕鋼筋銹蝕或預應力松弛其它附屬設施材料老化或損害等。這些病害與損傷影響了橋梁的結構性能和使用功能，使橋梁的結構性能和使用功能達不到設計的要求或正常使用的要求。本文的討論僅限于橋梁的結構病害與損傷。
1 橋梁結構檢測與損傷評價
舊橋的結構檢測與損傷評價在20世紀50年代就己經(jīng)提出，并且越來越得到橋梁管理部門和研究者的重視，取得了大量的研究成果。檢測方法主要有局部檢鋇止表觀檢查靜載試驗和動力特性試驗等，并形成了相關的橋梁結構損傷評價體系。盡管這些結構檢測方法和評價體系指導了橋梁結構的檢測與評價，在工程實踐中發(fā)揮了相當大的作用，但仍有需要完善和補充的方面。橋梁的結構檢測與損傷評價，分為兩大類方法體系，或者是兩個層次。
1.1 基于表觀檢查材料檢濺結構資料調查的橋梁結構特性分析與評價
表觀檢查包括橋梁整體與局部構造幾何尺寸的量測、結構病害（結構裂縫結構附屬設施病害）的檢查與量測等，表觀檢查的項目和要求對不同的橋型有不同的側重點。表觀檢查要達到可以定量反映橋梁當前結構狀況、依據(jù)相關規(guī)范；評定橋梁技術等級的要求。結構資料的調查包括了解橋梁的原結構設休施工工藝及過程以及橋梁的結構維修養(yǎng)護歷史等。
材料檢測主要指的是橋梁結構材料的無損或微損檢測。對于鋼筋混凝土橋梁來講，主要是混凝土與鋼筋的相關檢測，包括混凝土的強度等級碳化深度與耐久性有關的含堿量和氯離子含量，以及鋼筋的銹蝕狀況、保護層厚度測試等。表觀檢查結構資料調查以及材料檢測等都應滿足進行當前橋梁結構分析的需要。
表觀檢查結構資料調查以及材料檢測僅滿足了橋梁檢測與損傷評價的前3個目標層次，需要利用這些成果進行橋梁結構的分析，完成對橋梁當前結構狀況（主要是承載力）的評價。
利用當前的有限元技術，根據(jù)檢測成果，可以完成對橋梁結構的分析與評價，而且也有成熟的和成套的通用有限元分析軟件，如:A nsys、ＳAP可供直接使用，也可以編制一些專用的軟件。但是在橋梁結構檢測和損傷評價方面存在的主要間題是：
1.1.1 材料的本構關系模型的建立，主要是經(jīng)歷了外界環(huán)境長期作用混凝土的本構關系間題，如何根據(jù)檢測成果，獲得反映當前真實狀況的混凝土復雜的力學特性，或者是如何考慮在不同自然環(huán)境條件作用下混凝土的老化以及不同應力環(huán)境中混凝土的疲勞等對其力學特性的影響；
1.1.2 結構病害或損傷模型的建立間題。材料的損傷可以通過改變其力學特性予以反映，但是一些結構病害，主要是結構裂縫模擬是很復雜的間題。鋼筋混凝土作為一種復合材料，裂縫的出現(xiàn)改變了原有的材料內(nèi)部結構體系，它不象單一的材料那樣可以用分布裂縫的概念，通過降低材料的力學性能予以反映；
1.1.3 既有橋梁結構分析的可靠性間題。橋梁結構檢測與損傷評價階段的可靠性間題與設計階段的可靠度或安全系數(shù)分析的概念是不一樣的，某種程度上講是一個反過程。橋梁結構測試與結構性能評價的可靠度不僅與結構材料特性有關，還應包括測試過程的可靠性分析方面。
1.2 基于靜載和動力特性試驗的橋梁結構性能分析與評價方法
橋梁結構試驗是對橋梁結構物工作狀態(tài)進行直接測試的一種檢定手段，是對橋梁結構性能的最直觀最可靠的檢測方法，按施加荷載的類型可分為靜載試驗和動力特性試驗，我國在這方面有成熟的方法或標準。 橋梁結構靜載試驗是按照橋梁的設計荷載等級，根據(jù)荷載的最不利位置，布置靜載（通常是載重汽車），或者根據(jù)橋梁結構的控制內(nèi)力確定荷載及其位置，對橋梁結構進行加載，測試關心截面的靜位移、靜應變靜轉角等橋梁結構荷載響應，進而根據(jù)測試結果推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。靜載試驗可以直接了解橋梁結構承載情況，驗證橋梁結構設計理論和計算方法，確定和判斷橋梁結構實際的承載能力。可以通過某項結構響應（位移、應變或應力等）實測值與理論計算值的對比，得到該項響應的校驗系數(shù)嘆從而對橋梁的結構性能進行評價。
1.2.1 基于結構靜態(tài)荷載響應橋梁結構的損傷識別與評價
基于結構靜態(tài)響應，進行損傷識別主要有系統(tǒng)識別（Sl）、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，其中系統(tǒng)識別方法更為實用。系統(tǒng)識別方法的概念來源于自動化領域，現(xiàn)在逐步在土木工程損傷識別領域中得到應用。系統(tǒng)識別方法首先建立反映橋梁結構體系的力學模型，由施加的荷載，分析得到理論計算的結構響應值；比較結構響應計算值與實測值，采用某種算法，通過反復修改原建立模型的參數(shù)，使響應計算值與實測值達到可以接受的程度（目標函數(shù)），獲得模型的參數(shù)，從而實現(xiàn)對橋梁結構的識別。選取適當?shù)淖R別參數(shù)是系統(tǒng)識別方法的首要工作，對于鋼筋混凝土梁橋可選取梁的截面剛度作為待識別結構模型參數(shù)；對其它橋型可以轉化為桿件系統(tǒng)，選取桿件的剛度做為識別參數(shù)。可以分析出完好結構的相應參數(shù)，與識別的參數(shù)進行比較分析，從而實現(xiàn)損傷識別與橋梁結構的評價。
橋梁結構靜載試驗一般條件限制較多，對測試儀器的量測精度要求高等因素，阻礙了基于結構靜態(tài)荷載響應橋梁結構的損傷識別與評價技術的發(fā)展與應用。隨著當前高新技術傳感器的出現(xiàn)，可以實現(xiàn)橋梁結構響應的高精度量測，該技術也逐步開始應用或者和動載試驗結合起來應用。
1.2.2 基于結構動態(tài)荷載響應橋梁結構的損傷識別與評價
利用結構的動力響應進行損傷識別最早也廣泛應用于航空航無精密機床等領域的故障診斷荷載識別以及動力學修改等間題中，現(xiàn)在逐步在土木工程領域得到推廣和應用。它的分析識別和結構評價的過程同靜力響應識別一樣，只不過用于識別的是動力響應，其響應（信號）的處理和識別的過程更為復雜和困難。橋梁結構動力響應損傷識別在理論上被大家認可的是融合振動理論振動測試技術信號采集與分析等跨學科技術的試驗模態(tài)分析法；其識別方法有系統(tǒng)識別、神經(jīng)網(wǎng)絡遺傳算法等，系統(tǒng)識別方法的分析概念和分析過程同靜力響應損傷識別，其中主要是神經(jīng)網(wǎng)絡方法。橋梁動力特性測試簡便易行，對測試條件的要求少，因而被認為是在橋梁結構損傷識別領域，最有前途的橋梁無損檢測技術。但是該方法仍存在很多的間題有待解決：
(l）動力特性測試信號采集的噪聲干擾以及信號處理中的失真，由此造成損傷評價結果的誤判；(2）動力體系及其非線性間題的復雜性，使得橋梁結構動力很難得到符合結構實際狀態(tài)的結果；(3）橋梁結構動剛度的復雜性，尤其是當結構裂縫出現(xiàn)后，結構的動剛度表現(xiàn)的更為復雜，同振動的歷程與應力環(huán)境密切相關；使得無法進行結構動剛度的比較分析。在橋梁結構試驗中，基于靜載響應的橋梁結構分析方法是主要的和基本的方法，動載響應測試分析處于輔助的地位，其測試的橋梁結構動力特性成果可用于橋梁的振動控制與抗震分析。
2 結束語
基于表觀檢查（包括總體和細部）、材料檢測、結構資料調查的橋梁結構特性分析與評價方法橋梁檢測與損傷評價的重要手段，但是其檢測方法以及結構分析評價體系仍不完善，需要發(fā)展，尤其在我國更應發(fā)展先進的無損結構探測儀器及進行相關理論研究。 基于結構靜態(tài)荷載響應橋梁結構的損傷識別與評價方法是可靠和可行的橋梁結構檢測與損傷評價方法，但需要進一步研究高精度的測試儀器，尤其是可以長期連續(xù)無線的測試儀器?；诮Y構動態(tài)荷載響應橋梁結構的損傷識別與評價，仍存在很多理論和工程實踐上的間題，需要進一步解決。
