钢筋混凝土桥梁检测与损伤评价
2010-05-12 来源：网络
1.引言
混凝土桥梁作为一类土木工程构筑物，自建成以来，受外界环境（包括自然环境和使用环境）的长期作用，同时由于原设计未达到使用要求、施工未达到设计要求等原始缺陷，往往产生这样或那样的桥梁病害与损伤，如混凝土裂缝、碳化与水侵蚀、钢筋锈蚀或预应力松弛、其它附属设施材料老化或损害等。这些病害与损伤影响了桥梁的结构性能和使用功能，使桥梁的结构性能和使用功能达不到设计的要求或正常使用的要求。桥梁的病害与损伤可分为结构性和功能性两类，总体上讲，两者是密切联系的、一致的，结构性病害与损伤更直接关系到桥梁结构性能的发挥和桥梁的结构安全性能。本文的讨论仅限于桥梁的结构病害与损伤。
桥梁同其它土木工程一样，有一定的周期性，即都有从建设期到建设和维修并重期，再到维修期的过程。在一些发达国家，公路桥梁已经进入了维修的高峰期。在我国随着近年来公路建设的大发展，全国性的骨架公路交通网络己基本形成，公路交通从单纯的建设正在向建设和维修并重过渡。大量的公路桥梁已经达到或接近设计基准期，或出现由于各种原因引起的桥梁结构病害与损伤。因此，建立对旧桥和病害桥梁的检测和评价体系成为各桥梁管理部门的迫切需求，也逐渐成为桥梁领域的研究热点。对这些桥梁进行科学的病害检测与损伤评价，真实了解桥梁的结构工作状况，是科学、可靠的利用旧桥和进行旧桥加固与维修的前提与依据，同时，实时的对桥梁结构性能进行评价也可以避免重大桥梁结构事故的发生。
桥梁检测与损伤识别依据其预测的深度，可分为以下4个目标层次：① 仅确定损伤是否发生；② 如果损伤发生，确定损伤的位置（范围）；③如果损伤发生，确定损伤的位置（范围）及损伤的程度；④ 如果损伤发生，确定损伤的位置（范围）及损伤的程度，并评价损伤对桥梁结构承载能力的影响，评定损伤发生后桥梁的承载能力。国内外学者围绕这4个目标层次，进行了大量的研究工作。
2.桥梁结构检测与损伤评价
日桥的结构检测与损伤评价在2O世纪5O年代就己经提出 ，并且越来越得到桥梁管理部门和研究者的重视，取得了大量的研究成果。检测方法主要有局部检测、表观检查、静载试验和动力特性试验等，并形成了相关的桥梁结构损伤评价体系 。尽管这些结构检测方法和评价体系指导了桥梁结构的检测与评价，在工程实践中发挥了相当大的作用，但仍有需要完善和补充的方面。桥梁的结构检测与损伤评价，分为两大类方法体系，或者是两个层次。
2．1 基于表观检查、材料检测、结构资料调查的桥梁结构特性分析与评价
表观检查包括桥梁整体与局部构造几何尺寸的量测、结构病害（结构裂缝、结构附属设施病害）的检查与量测等，表观检查的项目和要求对不同的桥型有不同的侧重点。表观检查要达到可以定量反映桥梁当前结构状况、依据相关规范 评定桥梁技术等级的要求。结构资料的调查包括了解桥梁的原结构设计、施工工艺及过程以及桥梁的结构维修养护历史等。
材料检测主要指的是桥梁结构材料的无损或微损检测。对于钢筋混凝土桥梁来讲，主要是混凝土与钢筋的相关检测，包括混凝土的强度等级、碳化深度、与耐久性有关的含碱量和氯离子含量，以及钢筋的锈蚀状况、保护层厚度测试等。表观检查、结构资料调查以及材料检测等都应满足进行当前桥梁结构分析的需要。
表观检查和材料检测技术及相关测试仪器设备，近年来发展很快，是桥梁无损检测（NDI）的重点研究领域。测试仪器设备及相关技术研究在国外桥梁无损检测研究方面占有很大的比重，相继研制成功了或正在研制融合电、磁、雷达、数字信号处理等相关学科的高技术成套测试仪器和设备，如用于桥面板检测的双频带红外线自动温度成像系统。此项技术原来系用于探测地雷；用于桥面板检测的探地雷达成像系统；整桥测量的激光雷达；整桥测量的无线电脉冲转发器；测量桥梁超载情况的装置；用于裂缝检测的新型超声波与磁分析仪；测量钢桥中疲劳裂缝的温度成像系统等等。我国当前还主要应用一些常规的、自动化程度较低的测试仪器和设备。
表观检查、结构资料调查以及材料检测仅满足了桥梁检测与损伤评价的前3个目标层次，需要利用这些成果进行桥梁结构的分析，完成对桥梁当前结构状况（主要是承载力）的评价。利用当前的有限元技术，根据检测成果，可以完成对桥梁结构的分析与评价，而且也有成熟的和成套的通用有限元分析软件，如Ansys、SAP可供直接使用，也可以编制一些专用的软件。但是在桥梁结构检测和损伤评价方面存在的主要问题是：
（1）材料的本构关系模型的建立，主要是经历了外界环境长期作用混凝土的本构关系问题，如何根据检测成果，获得反映当前真实状况的混凝土复杂的力学特性，或者是如何考虑在不同自然环境条件作用下混凝土的老化以及不同应力环境中混凝土的疲劳等对其力学特性的影响；
（2）结构病害或损伤模型的建立问题。材料的损伤可以通过改变其力学特性予以反映，但是一些结构病害，主要是结构裂缝模拟是很复杂的问题。钢筋混凝土作为一种复合材料，裂缝的出现改变了原有的材料内部结构体系，它不象单一的材料那样可以用分布裂缝的概念，通过降低材料的力学性能予以反映；
（3）既有桥梁结构分析的可靠性问题。桥梁结构检测与损伤评价阶段的可靠性问题与设计阶段的可靠度或安全系数分析的概念是不一样的，某种程度上讲是一个反过程。桥梁结构测试与结构性能评价的可靠度不仅与结构材料特性有关，还应包括测试过程的可靠性分析方面。
根据表观检查、结构资料调查以及材料检测的成果，通过对当前桥梁进行结构分析，可以实现对其结构性能的评价。基于表观检查（包括总体和细部）、材料检测、结构资料调查的桥梁结构性能分析与评价方法，达到了桥梁结构病害检测与损伤评价的4个目标层次的要求。进一步，其桥梁结构性能分析成果，可以通过桥梁的结构试验予以验证。
2．2 基于静载和动力特性试验的桥梁结构性能分析与评价方法
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，是对桥梁结构性能的最直观、最可靠的检测方法，按施加荷载的类型可分为静载试验和动力特性试验，我国在这方面有成熟的方法或标准 。桥梁结构静载试验是按照桥梁的设计荷载等级，根据荷载的最不利位置，布置静载（通常是载重汽车），或者根据桥梁结构的控制内力确定荷载及其位置，对桥梁结构进行加载，测试关心截面的静位移、静应变、静转角等桥梁结构衙载响应。进而根据测试结果推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。静载试验可以直接了解桥梁结构承载情况，验证桥梁结构设计理论和计算方法，确定和判断桥梁结构实际的承载能力。
可以通过某项结构响应（位移、应变或应力等）实测值与理论计算值的对比，得到该项响应的校验系数 ，从而对桥梁的结构性能进行评价。静载试验在桥梁结构检测中有着重要的作用。桥梁结构动载试验采用车辆通过、冲击或环境激振等加荷方式，通过采集设备获得桥梁结构的振动响应信号，对这些信号进行处理得到桥梁结构的频率、模态等动力特性，进而对桥梁结构性能进行评价。
上述方法可以进行桥梁结构整体性能的综合评价，达不到桥梁结构检测与损伤评价的4个目标层次的要求。
结构损伤的发生必然导致结构性能参数（刚度、阻尼等）的改变。如果恰当地估计出这些变化，就能给结构损伤状态的评价提供一个量化的方法。对桥梁结构施加荷载（静载或动载），通过相应的仪器设备获得桥梁结构的响应，可以根据这些响应，进行分析，得到桥梁结构的性能参数，通过这些参数的变化，对桥梁结构性能进行评价，该方法体系也称为结构反分析。有两种途径实现对桥梁结构的损伤识别与评价：（1）基于结构静态荷载响应；（2）基于结构动态荷载响应，相应得到桥梁结构的静力性能参数和动力性能参数。
2．2．1 基于结构静态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价
基于结构静态响应，进行损伤识别主要有系统识别（SI）、神经网络等方法，其中系统识别方法更为实用。系统识别方法的概念来源于自动化领域，现在逐步在土木工程损伤识别领域中得到应用。系统识别方法首先建立反映桥梁结构体系的力学模型，由施加的荷载，分析得到理论计算的结构响应值；比较结构响应计算值与实测值，采用某种算法，通过反复修改原建立模型的参数，使响应计算值与实测值达到可以接受的程度（目标函数），获得模型的参数，从而实现对桥梁结构的识别。选取适当的识别参数是系统识别方法的首要工作，对于钢筋混凝土梁桥可选取梁的截面刚度作为待识别结构模型参数；对其它桥型可以转化为杆件系统。选取杆件的刚度做为识别参数。可以分析出完好结构的相应参数，与识别的参数进行比较分析，从而实现损伤识别与桥梁结构的评价。
桥梁结构静载试验一般条件限制较多，对测试仪器的量测精度要求高等因素，阻碍了基于结构静态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价技术的发展与应用。随着当前高新技术传感器的出现，可以实现桥梁结构响应的高精度量测，该技术也逐步开始应用或者和动载试验结合起来应用。
2．2．2 基于结构动态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价
利用结构的动力响应进行损伤识别最早也广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、荷载识别以及动力学修改等问题中，现在逐步在土木工程领域得到推广和应用。它的分析识别和结构评价的过程同静力响应识别一样，只不过用于识别的是动力响应，其响应（信号）的处理和识别的过程更为复杂和困难。
桥梁结构动力响应损伤识别在理论上被大家认可的是融合振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法，其识别方法有系统识别、神经网络、遗传算法等，系统识别方法的分析概念和分析过程同静力响应损伤识别，其中主要是神经网络方法。
桥梁动力特性测试简便易行，对测试条件的要求少，因而被认为是在桥梁结构损伤识别领域，最有前途的桥梁无损检测技术。但是该方法仍存在很多的问题有待解决：
（1）动力特性测试信号采集的噪声干扰以及信号处理中的失真，由此造成损伤评价结果的误判；
（2）动力体系及其非线性问题的复杂性，使得桥梁结构动力很难得到符合结构实际状态的结果；
（3）桥梁结构动刚度的复杂性，尤其是当结构裂缝出现后，结构的动刚度表现的更为复杂，同振动的历程与应力环境密切相关，使得无法进行结构动刚度的比较分析。因此基于结构动态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价，进行理论分析的成果较多，应用于工程实践并得到损伤评价结果的较少，仍有大量的
工作要做。
在桥梁结构试验中，基于静载响应的桥梁结构分析方法是主要的和基本的方法，动载响应测试分析处于辅助的地位，其测试的桥梁结构动力特性成果可用于桥梁的振动控制与抗震分析。
3.结论
基于表观检查（包括总体和细部）、材料检测、结构资料调查的桥梁结构特性分析与评价方法桥梁检测与损伤评价的重要手段，但是其检测方法以及结构分析评价体系仍不完善，需要发展，尤其在我国更应发展先进的无损结构探测仪器及进行相关理论研究。
基于结构静态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价方法是可靠和可行的桥梁结构检测与损伤评价方法，但需要进一步研究高精度的测试仪器，尤其是可以长期连续、无线的测试仪器。基于结构动态荷载响应桥梁结构的损伤识别与评价，仍存在很多理论和工程实践上的问题，需要进一步解决。
