關(guān)于橋梁檢測(cè)的分析
2015-07-09
混凝土橋梁作為一類土木工程構(gòu)筑物，自建成以來(lái)，受外界環(huán)境（包括自然環(huán)境和使用環(huán)境）的長(zhǎng)期作用，同時(shí)由于原設(shè)計(jì)未達(dá)到使用要求施工未達(dá)到設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力松弛其它附屬設(shè)施材料老化或損害等。這些病害與損傷影響了橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用功能，使橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用功能達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求或正常使用的要求。本文的討論僅限于橋梁的結(jié)構(gòu)病害與損傷。
1 橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)
舊橋的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)在20世紀(jì)50年代就己經(jīng)提出，并且越來(lái)越得到橋梁管理部門(mén)和研究者的重視，取得了大量的研究成果。檢測(cè)方法主要有局部檢鋇止表觀檢查靜載試驗(yàn)和動(dòng)力特性試驗(yàn)等，并形成了相關(guān)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)體系。盡管這些結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)體系指導(dǎo)了橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，在工程實(shí)踐中發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，但仍有需要完善和補(bǔ)充的方面。橋梁的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)，分為兩大類方法體系，或者是兩個(gè)層次。
1.1 基于表觀檢查材料檢濺結(jié)構(gòu)資料調(diào)查的橋梁結(jié)構(gòu)特性分析與評(píng)價(jià)
表觀檢查包括橋梁整體與局部構(gòu)造幾何尺寸的量測(cè)、結(jié)構(gòu)病害（結(jié)構(gòu)裂縫結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害）的檢查與量測(cè)等，表觀檢查的項(xiàng)目和要求對(duì)不同的橋型有不同的側(cè)重點(diǎn)。表觀檢查要達(dá)到可以定量反映橋梁當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀況、依據(jù)相關(guān)規(guī)范；評(píng)定橋梁技術(shù)等級(jí)的要求。結(jié)構(gòu)資料的調(diào)查包括了解橋梁的原結(jié)構(gòu)設(shè)休施工工藝及過(guò)程以及橋梁的結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)歷史等。
材料檢測(cè)主要指的是橋梁結(jié)構(gòu)材料的無(wú)損或微損檢測(cè)。對(duì)于鋼筋混凝土橋梁來(lái)講，主要是混凝土與鋼筋的相關(guān)檢測(cè)，包括混凝土的強(qiáng)度等級(jí)碳化深度與耐久性有關(guān)的含堿量和氯離子含量，以及鋼筋的銹蝕狀況、保護(hù)層厚度測(cè)試等。表觀檢查結(jié)構(gòu)資料調(diào)查以及材料檢測(cè)等都應(yīng)滿足進(jìn)行當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)分析的需要。
表觀檢查結(jié)構(gòu)資料調(diào)查以及材料檢測(cè)僅滿足了橋梁檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)的前3個(gè)目標(biāo)層次，需要利用這些成果進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的分析，完成對(duì)橋梁當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀況（主要是承載力）的評(píng)價(jià)。
利用當(dāng)前的有限元技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)成果，可以完成對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的分析與評(píng)價(jià)，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(jié)構(gòu)檢測(cè)和損傷評(píng)價(jià)方面存在的主要間題是：
1.1.1 材料的本構(gòu)關(guān)系模型的建立，主要是經(jīng)歷了外界環(huán)境長(zhǎng)期作用混凝土的本構(gòu)關(guān)系間題，如何根據(jù)檢測(cè)成果，獲得反映當(dāng)前真實(shí)狀況的混凝土復(fù)雜的力學(xué)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(yīng)力環(huán)境中混凝土的疲勞等對(duì)其力學(xué)特性的影響；
1.1.2 結(jié)構(gòu)病害或損傷模型的建立間題。材料的損傷可以通過(guò)改變其力學(xué)特性予以反映，但是一些結(jié)構(gòu)病害，主要是結(jié)構(gòu)裂縫模擬是很復(fù)雜的間題。鋼筋混凝土作為一種復(fù)合材料，裂縫的出現(xiàn)改變了原有的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系，它不象單一的材料那樣可以用分布裂縫的概念，通過(guò)降低材料的力學(xué)性能予以反映；
1.1.3 既有橋梁結(jié)構(gòu)分析的可靠性間題。橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)階段的可靠性間題與設(shè)計(jì)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(gè)反過(guò)程。橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試與結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的可靠度不僅與結(jié)構(gòu)材料特性有關(guān)，還應(yīng)包括測(cè)試過(guò)程的可靠性分析方面。
1.2 基于靜載和動(dòng)力特性試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)性能分析與評(píng)價(jià)方法
橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)試的一種檢定手段，是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能的最直觀最可靠的檢測(cè)方法，按施加荷載的類型可分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)力特性試驗(yàn)，我國(guó)在這方面有成熟的方法或標(biāo)準(zhǔn)。 橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是按照橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，根據(jù)荷載的最不利位置，布置靜載（通常是載重汽車(chē)），或者根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的控制內(nèi)力確定荷載及其位置，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，測(cè)試關(guān)心截面的靜位移、靜應(yīng)變靜轉(zhuǎn)角等橋梁結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)，進(jìn)而根據(jù)測(cè)試結(jié)果推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。靜載試驗(yàn)可以直接了解橋梁結(jié)構(gòu)承載情況，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，確定和判斷橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際的承載能力?？梢酝ㄟ^(guò)某項(xiàng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)（位移、應(yīng)變或應(yīng)力等）實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的對(duì)比，得到該項(xiàng)響應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)嘆從而對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.2.1 基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與評(píng)價(jià)
基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)，進(jìn)行損傷識(shí)別主要有系統(tǒng)識(shí)別（Sl）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，其中系統(tǒng)識(shí)別方法更為實(shí)用。系統(tǒng)識(shí)別方法的概念來(lái)源于自動(dòng)化領(lǐng)域，現(xiàn)在逐步在土木工程損傷識(shí)別領(lǐng)域中得到應(yīng)用。系統(tǒng)識(shí)別方法首先建立反映橋梁結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)模型，由施加的荷載，分析得到理論計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)值；比較結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，采用某種算法，通過(guò)反復(fù)修改原建立模型的參數(shù)，使響應(yīng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值達(dá)到可以接受的程度（目標(biāo)函數(shù)），獲得模型的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的識(shí)別。選取適當(dāng)?shù)淖R(shí)別參數(shù)是系統(tǒng)識(shí)別方法的首要工作，對(duì)于鋼筋混凝土梁橋可選取梁的截面剛度作為待識(shí)別結(jié)構(gòu)模型參數(shù)；對(duì)其它橋型可以轉(zhuǎn)化為桿件系統(tǒng)，選取桿件的剛度做為識(shí)別參數(shù)?？梢苑治龀鐾旰媒Y(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)，與識(shí)別的參數(shù)進(jìn)行比較分析，從而實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別與橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)。
橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)一般條件限制較多，對(duì)測(cè)試儀器的量測(cè)精度要求高等因素，阻礙了基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。隨著當(dāng)前高新技術(shù)傳感器的出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的高精度量測(cè)，該技術(shù)也逐步開(kāi)始應(yīng)用或者和動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。
1.2.2 基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)荷載響應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與評(píng)價(jià)
利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行損傷識(shí)別最早也廣泛應(yīng)用于航空航無(wú)精密機(jī)床等領(lǐng)域的故障診斷荷載識(shí)別以及動(dòng)力學(xué)修改等間題中，現(xiàn)在逐步在土木工程領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。它的分析識(shí)別和結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的過(guò)程同靜力響應(yīng)識(shí)別一樣，只不過(guò)用于識(shí)別的是動(dòng)力響應(yīng)，其響應(yīng)（信號(hào)）的處理和識(shí)別的過(guò)程更為復(fù)雜和困難。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)損傷識(shí)別在理論上被大家認(rèn)可的是融合振動(dòng)理論振動(dòng)測(cè)試技術(shù)信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法；其識(shí)別方法有系統(tǒng)識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法等，系統(tǒng)識(shí)別方法的分析概念和分析過(guò)程同靜力響應(yīng)損傷識(shí)別，其中主要是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。橋梁動(dòng)力特性測(cè)試簡(jiǎn)便易行，對(duì)測(cè)試條件的要求少，因而被認(rèn)為是在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域，最有前途的橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。但是該方法仍存在很多的間題有待解決：
(l）動(dòng)力特性測(cè)試信號(hào)采集的噪聲干擾以及信號(hào)處理中的失真，由此造成損傷評(píng)價(jià)結(jié)果的誤判；(2）動(dòng)力體系及其非線性間題的復(fù)雜性，使得橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力很難得到符合結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)的結(jié)果；(3）橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的復(fù)雜性，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)后，結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度表現(xiàn)的更為復(fù)雜，同振動(dòng)的歷程與應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)；使得無(wú)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的比較分析。在橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，基于靜載響應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)分析方法是主要的和基本的方法，動(dòng)載響應(yīng)測(cè)試分析處于輔助的地位，其測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性成果可用于橋梁的振動(dòng)控制與抗震分析。
2 結(jié)束語(yǔ)
基于表觀檢查（包括總體和細(xì)部）、材料檢測(cè)、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查的橋梁結(jié)構(gòu)特性分析與評(píng)價(jià)方法橋梁檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)的重要手段，但是其檢測(cè)方法以及結(jié)構(gòu)分析評(píng)價(jià)體系仍不完善，需要發(fā)展，尤其在我國(guó)更應(yīng)發(fā)展先進(jìn)的無(wú)損結(jié)構(gòu)探測(cè)儀器及進(jìn)行相關(guān)理論研究。 基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與評(píng)價(jià)方法是可靠和可行的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)方法，但需要進(jìn)一步研究高精度的測(cè)試儀器，尤其是可以長(zhǎng)期連續(xù)無(wú)線的測(cè)試儀器?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)荷載響應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與評(píng)價(jià)，仍存在很多理論和工程實(shí)踐上的間題，需要進(jìn)一步解決。
