鋼筋混凝土橋梁檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)
2010-05-12 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
1.引言
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。橋梁的病害與損傷可分為結(jié)構(gòu)性和功能性兩類，總體上講，兩者是密切聯(lián)系的、一致的，結(jié)構(gòu)性病害與損傷更直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮和橋梁的結(jié)構(gòu)安全性能。本文的討論僅限于橋梁的結(jié)構(gòu)病害與損傷。
橋梁同其它土木工程一樣，有一定的周期性，即都有從建設(shè)期到建設(shè)和維修并重期，再到維修期的過(guò)程。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，公路橋梁已經(jīng)進(jìn)入了維修的高峰期。在我國(guó)隨著近年來(lái)公路建設(shè)的大發(fā)展，全國(guó)性的骨架公路交通網(wǎng)絡(luò)己基本形成，公路交通從單純的建設(shè)正在向建設(shè)和維修并重過(guò)渡。大量的公路橋梁已經(jīng)達(dá)到或接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，或出現(xiàn)由于各種原因引起的橋梁結(jié)構(gòu)病害與損傷。因此，建立對(duì)舊橋和病害橋梁的檢測(cè)和評(píng)價(jià)體系成為各橋梁管理部門的迫切需求，也逐漸成為橋梁領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)這些橋梁進(jìn)行科學(xué)的病害檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)，真實(shí)了解橋梁的結(jié)構(gòu)工作狀況，是科學(xué)、可靠的利用舊橋和進(jìn)行舊橋加固與維修的前提與依據(jù)，同時(shí)，實(shí)時(shí)的對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)也可以避免重大橋梁結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。
橋梁檢測(cè)與損傷識(shí)別依據(jù)其預(yù)測(cè)的深度，可分為以下4個(gè)目標(biāo)層次：① 僅確定損傷是否發(fā)生；② 如果損傷發(fā)生，確定損傷的位置（范圍）；③如果損傷發(fā)生，確定損傷的位置（范圍）及損傷的程度；④ 如果損傷發(fā)生，確定損傷的位置（范圍）及損傷的程度，并評(píng)價(jià)損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響，評(píng)定損傷發(fā)生后橋梁的承載能力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這4個(gè)目標(biāo)層次，進(jìn)行了大量的研究工作。
2.橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)
日橋的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)在2O世紀(jì)5O年代就己經(jīng)提出 ，并且越來(lái)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(cè)方法主要有局部檢測(cè)、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。
2．1 基于表觀檢查、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)
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)計(jì)、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。
表觀檢查和材料檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)測(cè)試儀器設(shè)備，近年來(lái)發(fā)展很快，是橋梁無(wú)損檢測(cè)（NDI）的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。測(cè)試儀器設(shè)備及相關(guān)技術(shù)研究在國(guó)外橋梁無(wú)損檢測(cè)研究方面占有很大的比重，相繼研制成功了或正在研制融合電、磁、雷達(dá)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)學(xué)科的高技術(shù)成套測(cè)試儀器和設(shè)備，如用于橋面板檢測(cè)的雙頻帶紅外線自動(dòng)溫度成像系統(tǒng)。此項(xiàng)技術(shù)原來(lái)系用于探測(cè)地雷；用于橋面板檢測(cè)的探地雷達(dá)成像系統(tǒng)；整橋測(cè)量的激光雷達(dá)；整橋測(cè)量的無(wú)線電脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器；測(cè)量橋梁超載情況的裝置；用于裂縫檢測(cè)的新型超聲波與磁分析儀；測(cè)量鋼橋中疲勞裂縫的溫度成像系統(tǒng)等等。我國(guó)當(dāng)前還主要應(yīng)用一些常規(guī)的、自動(dòng)化程度較低的測(cè)試儀器和設(shè)備。
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Ansys、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)方面存在的主要問(wèn)題是：
（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)系問(wèn)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；
（2）結(jié)構(gòu)病害或損傷模型的建立問(wèn)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)雜的問(wèn)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；
（3）既有橋梁結(jié)構(gòu)分析的可靠性問(wèn)題。橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)階段的可靠性問(wèn)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。
根據(jù)表觀檢查、結(jié)構(gòu)資料調(diào)查以及材料檢測(cè)的成果，通過(guò)對(duì)當(dāng)前橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)?；诒碛^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)性能分析與評(píng)價(jià)方法，達(dá)到了橋梁結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)的4個(gè)目標(biāo)層次的要求。進(jìn)一步，其橋梁結(jié)構(gòu)性能分析成果，可以通過(guò)橋梁的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)予以驗(yàn)證。
2．2 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），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)衙載響應(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。
可以通過(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) ，從而對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。靜載試驗(yàn)在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中有著重要的作用。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)采用車輛通過(guò)、沖擊或環(huán)境激振等加荷方式，通過(guò)采集設(shè)備獲得橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理得到橋梁結(jié)構(gòu)的頻率、模態(tài)等動(dòng)力特性，進(jìn)而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
上述方法可以進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的綜合評(píng)價(jià)，達(dá)不到橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)與損傷評(píng)價(jià)的4個(gè)目標(biāo)層次的要求。
結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（剛度、阻尼等）的改變。如果恰當(dāng)?shù)毓烙?jì)出這些變化，就能給結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評(píng)價(jià)提供一個(gè)量化的方法。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加荷載（靜載或動(dòng)載），通過(guò)相應(yīng)的儀器設(shè)備獲得橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，可以根據(jù)這些響應(yīng)，進(jìn)行分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)的變化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法體系也稱為結(jié)構(gòu)反分析。有兩種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與評(píng)價(jià)：（1）基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載響應(yīng)；（2）基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)荷載響應(yīng)，相應(yīng)得到橋梁結(jié)構(gòu)的靜力性能參數(shù)和動(dòng)力性能參數(shù)。
2．2．1 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（SI）、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。
2．2．2 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、航天、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)修改等問(wèn)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問(wèn)題有待解決：
（1）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)力體系及其非線性問(wèn)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。因此基于結(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)，進(jìn)行理論分析的成果較多，應(yīng)用于工程實(shí)踐并得到損傷評(píng)價(jià)結(jié)果的較少，仍有大量的
工作要做。
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。
3.結(jié)論
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)踐上的問(wèn)題，需要進(jìn)一步解決。
