桥梁工程检测技术研究_谢开仲

文章编号:1001-7445(2003)增-0208-04桥梁工程检测技术研究谢开仲1,曾倬信2,王晓燕1(1.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004;2.南宁市建筑安装工程公司,广西南宁530021)摘要:对桥梁检测中传统的试验方法,以及桥梁检测试验中的静载试验和动载试验的基本内容和方法进行了详细的介绍,通过试验和分析可以实现对桥梁结构的受力性能和工作性能做出较准确的分析评价.还介绍了国内外一些新的桥梁检测技术的现状和最新发展趋势.关键词:桥梁检测技术;静载试验;动载试验;无损伤检测;损伤检测中图分类号:T U 196 文献标识码:A近几十年来,科学技术的快速发展推动了桥梁工程技术的飞跃,随着桥梁不断往新颖的桥型和大跨径的方向发展,桥梁的检测试验技术也不断地更新和改进.桥梁结构试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种检定手段,对桥梁结构物工作状态进行检定,以检验结构的设计和施工质量.桥梁结构变形的测量及分析,可以检验桥梁的整体受力性能、评价桥跨结构的实际承载能力,是各类桥梁施工质量控制和评定工作的重要手段,常在桥梁交付使用前和既有桥梁的检定加固中采用.桥梁检测技术作为该系统的一个基础性研究方向,历来是国内外学者关注的热点,从某种意义上讲,桥梁检测技术,特别是借助于现代检测手段的无损检测技术,代表了桥梁检测技术的最新发展方向,也是桥梁健康监测这一大型综合智能型决策系统设计的关键.要合理评价桥梁的健康状况,首先必须正确认识桥梁在不同环境下的结构特性及对结构中既有损伤的识别与定位[4].1　桥梁荷载试验桥梁荷载试验指的是将标准设计荷载或标准设计荷载的等效荷载施加于实桥结构的指定位置,对实桥结构的应变分布、变形量进行检测,以此对实桥结构性能做出评估,从而对检验桥梁结构的设计理论和计算方法的合理性,施工质量的优劣,桥梁结构实际的承载等级做出判断.桥梁荷载试验可分为静载实验和动载实验.桥梁结构的动力荷载试验是为了研究桥梁结构的自振特性以及车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性的试验.1.1　桥梁的静载试验[1](1)试验方案的设计和准备阶段:根据试验目的和要求、具体考察试验的桥梁结构,对有关桥梁结构的图纸、文件、资格进行必要的理论分析和核算,进行试验过程中的设计计算,补充必要的材料力学性能试验,在这些工作的基础上有针对性地拟定出周密合理的试验方案,同时要按计划全面地开展试验前的各项准备工作.(2)静载试验的加载与观测阶段:在充分准备的基础上,按照预定的试验方案,对结构施加试验荷载,通过各种测试仪表机具进行观测,取得试验数据.试验加载和观测阶段是桥梁结构静力试验的核心.(3)对试验资料的计算分析阶段:本阶段的主要工作有,结构挠度的计算,测点应力的计算,截面应力的计算,主应力的计算,求残余变形值,荷载横向分布影响线的计算.第28卷增刊2003年6月广西大学学报(自然科学版)Journa l of Guangx i Univ ersity (Na t Sci Ed)V ol.28,Sup.　June,2003　⒇收稿日期:20030620;修订日期:20030628作者简介:谢开仲广西大学在读博士.(4)对试验结构的性能分析阶段:通过对试验资料的整理计算,对桥梁结构进行强度,刚度,抗裂性能,裂缝宽度等几个方面的研究分析.1.2　桥梁结构的动载试验[2](1)桥跨结构动载试验方法进行桥梁动力荷载试验,首先应设法使桥跨结构产生振动,然后通过传感器、放大器和记录系统记录下振动物理量的时间历程曲线.对于公路实桥桥跨结构,简便易行的方式是采用一辆或多辆并行满载重车进行跑车、跳车和刹车试验;对铁路桥则以一定型号机车牵引满载车列以不同速度过桥或桥上制动;使用高灵敏度的传感器和信号放大、记录和分析设备,得用环境激振的脉动试验测试.(2)桥梁结构的动力特性与响应1)结构固有频率的测定f 0=l t 1·N S (1/s )式中l 为两时间符号间的距离(mm );t —时间符号的时间间隔(s);N 为波形数;S 为N 个波的长度(mm ).2)结构阻尼特性的测定D ≈δ/2π式中:D 是阻尼比;δ为对数衰减率.3)振型的测定采用共振法测定振型时,将若干拾振器安装在结构各有关部位,当激振装置激发结构共振时,同时记录结构各部位的振幅和相位,比较各测点的振幅及相位便可给出振型曲线.4)结构动力响应的测定桥梁结构在动力荷载作用下,结构某些部位的振动参数如振幅、频率、位移、应力等的测定,可根据试验的具体要求和结构的型式布置测点,采用适当的仪表进行测试.动挠度与静挠度的比值称为活荷载的冲击系数.活载冲击系数综合地反映了动力荷载对桥梁结构的动力作用.2　桥梁检测技术的发展趋势2.1　桥梁无损伤检测技术传统的桥梁检测方法主要依赖于动静载试验和检测人员的现场目测,辅以混凝土硬度实验、超声波探测、腐蚀作用实验等多种检测手段.进入20世纪90年代,随着现代传感与通信技术的发展,无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态,先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段,使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展[4].近年来,致力于桥梁检测,研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破坏性评估.一些新的方法被广泛应用于桥梁检测,如利用相干激光雷达测试桥梁下部结构的挠度,利用全息干涉仪和激光斑纹测量桥体表面的变形状态,利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土层的损伤,利用磁漏摄动检测钢索、钢梁和混凝土内部的钢筋等等.随着振动实验模态分析技术的发展,运用振动测试数据进行结构动力模型修正理论得到了充分的发展,为桥梁结构的安全检测开辟了新的途径.基于振动模态分析技术,人们研究发现,结构的动力响应是整体状态的一种度量,当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时,选用结构振动模态作为权数,对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理,从而实现对单元损伤的识别和有效定位.2.2　桥梁结构损伤识别技术多年来,许多桥梁工程结构的安全可靠性已成为人们广泛关注的问题,桥梁工程结构正朝着高层次、大柔度方向发展,在风载、地震作用下可能产生危险振动;桥梁工程结构的使用年限已接近或超过设计寿命,产生老化现象;承包商为利润所驱动,在施工过程中偷工减料,未能达到设计要求,致使工程质量的安全性产生严重的问题,在我国已有不少悲惨的事故发生.因此,对桥梁的损伤识别是一个日益引209增刊谢开仲等:桥梁工程检测技术研究210广西大学学报(自然科学版)第28卷　起重视的课题.以下是几种应用较多的桥梁损伤识别方法:(1)基于振动的损伤识别方法[5].这种技术的基本思想是:损伤会引起结构中物理参数(质量、刚度等)的改变,结构的模态参数(模态频率、模态振型、模态阻尼等)随之发生改变,根据此改变量即可确定损伤的位置与程度.这种方法在国外称为结构的损伤识别.包括:利用频率变化进行损伤识别,利用振型变化进行损伤识别,基于柔度矩阵的损伤识别,试验模态分析与有限元分析相结合的方法,残余力向量损伤识别.(2)小波分析损伤识别法.由于小波分析非常适合分析非平稳信号,因此可作为损伤识别中信号处理的较理想的工具,用它来构造损伤识别中所需要的特征因子,或直接提取对损伤有用的信息.小波分析在损伤识别中的应用是多方面的,如:奇异信号检测、信噪分离、频带分析等.(3)神经网络损伤识别法.神经网络在损伤识别中的基本思路是:首先用无损伤系统的振动测量数据来训练网络,用适当的学习方法确定网络的参数;然后将系统的输入数据送入网络,网络就有对应的输出,如果学习过程是成功的,当系统特性无变化时,系统的输出和网络的输出应该吻合;相反,当系统有损伤时,系统的输出和网络的输出就有一个差异,这个差异就是损伤的一种测度.3　国外桥梁检测技术的最新动态及发展前景美国联邦公路总署(FHW A)有大量的课题正在各个方面展开以增强土木结构NDE技术的应用.(1)已启动的研究程序主要有[4]:①先进的桥面板检测系统,包括双带远红外热成像系统、地面渗透雷达等.②先进的桥梁测试和健康监测系统,包括全桥监测系统的无线电发送、精确的差分式全球定位系统(Gpe)测量桥梁变形、应用TRIP钢传感器对桥梁超载进行测量和监测等.③先进的疲劳裂纹探测和评估系统,包括测桥梁裂纹的新型的超声波和磁分析仪系统、热成像系统、便携式声发射系统、无线应变测量系统、微波探测和定量分析、无源疲劳荷载测量设备和电磁声发射传感器等.④先进的锈蚀探测和评估技术,包括磁漏探测技术、探测先张法压浆空隙的冲击一反射系统、埋入式锈蚀微传感器以及以磁为基础的测量系统.⑤用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构、用激光振动计测量斜拉索索力以及量化的无损检测方法与桥梁管理系统结合的课题.(2)探索性的研究项目[6]:①声发射技术的基础性研究,发展一种改进的宽带E探测器,它有能力产生(信号)并探测不同受力模式下的疲劳裂纹.②磁力控制传感器的研究,磁铁材料的物理尺寸几乎不会受磁场的影响,通过线圈与偏磁的耦合能制作出一种别致的很有用的传感器.这种传感器可能是低成本、简单并结实的.可用在包括预应力筋的锈蚀或断裂,混凝土养护的监测以及埋人式声发射传感器等方面.③用微波技术对疲劳裂纹进行探测和定量分析;④光纤和其它微传感器,已研究出一种光纤测量系统用以对新浇筑的混凝土内的空隙进行无损检测.光纤光栅也已被用作遥测变形,对结构混凝土构件和行监测.它还能被用来测材料的失效、混凝土结构的碳化深度、碱反应、氯渗透和裂纹的开展等.一个优化的光纤传感器可能应该既小又轻,只要求很低的电源,对环境的要求不高,亦不受电磁干扰,还要求降低成本.某些能用光纤系统构筑的结构物,不仅把所有测点联网到数据设备上,而且多梁武钢桥的控制断面进还能监测结构的健康.4　结束语国内外桥梁、土木、机械等各领域的科学家提出了许多检测和分析方法进行桥梁的安全性能评估和预报.随着计算机和科学技术的快速发展,人工智能将广泛地运用在各类桥梁结构的检测试验和分析上,为桥梁结构的施工质量性能做出更准确的评价.同时,学科交叉的现象日益普遍,特别是将一些高新技术的最新研究成果应用于桥梁无损检测技术的研究,必将推动该技术的飞速发展,这也是值得我们关注的一个方向.可以预见,现代传感技术和无线遥测技术的结合应用将为桥梁结构创造出杰出的无损自检测系统,最终使无损检测技术融入桥梁健康监测系统之中,使之与现代意义上的桥梁管理系统(BM S)、智能监测与评估系统有机的统一起来.基于振动的损伤识别方法已在机械、航空、航天、造船、车辆等方面得到广泛的应用,但在桥梁工程结构方面还需进一步地研究与完善.智能损伤识别方法如专家系统、小波分析与神经网络等虽然刚刚起步,但它强大的信号处理及分类学习能力,使其已成为研究的热点与最新发展动向.参考文献:[1]　徐日昶,王博仪,赵家奎.桥梁检验[M ].北京:人民交通出版社,1989.[2]　余天庆,王邦楣.工程材料与桥梁结构的力学性能测试[M ].北京:国防工业出版社,1997.[3]　胡大琳.桥涵工程试验检测技术[M ].人民交通出版社,2000.[4]　刘沐宇,袁卫国.桥梁无损检测技术的研究现状与发展[J ].中外公路,2002,22:(6).[5]　韩大建,王文东.大型桥梁结构安全监测的研究现状与发展[J].华南理工大学学报(自然科学版),2003,31:(1).[6]　铁志杰.21世纪桥梁管理的无损检测[J].国外桥梁,1999,(4).[7]　栾英泉,梁　力.桥梁无损健康监测系统研究简介[J ].东北公路,2000,(1):77-80.[8]　Doebling S W ,Far rar C R,Prime M B.Summa ry review o f vibration-ba sed damag e identification methods [J].TheShock and Vibratio n Digest,1998,30(2):91-105.The research of load checkout test technology on bridgeXIE Kai -zhong 1,ZEN G Zhuo -xin 2,W AN G Xiao -yan1(1.Depar tm ent of Civil and A rchitectural Engineering ,Guangx i U niv ersity ,Na nning ;2.Constr uction and Installa tion Engineering Compa ny of N anning ,N anning Guang xi)Abstract :This paper introduces traditional methods on checkout test o n bridge,detailedly describes tech-nique and essence contents o n dead load and liv e load test,according to the test,estimates the w hole struc-tural performance of the bridg e,and evaluate the structure exactly.And then introduce the actuality and latest developm ent of som e new methods of checkout on bridg e in C hina and all ov er the world.Key words :Checkout test on bridg e ;static loading test ;live loading test ,non -destructiv e inspection ,dam-age -identification(责任编辑　张晓云)211增刊谢开仲等:桥梁工程检测技术研究。