张学卿　任子伟

摘 要：目前，我国桥梁的发展进入新建和维修加固并举的阶段，而检测技术是对旧有桥梁检测评估和可靠鉴定的必要前提和依据。基于无损检测技术和动静载荷试验的结构测试方法，并结合MIDAS有限元模拟分析，综合分析评价了某现役钢筋混凝土“T”形梁桥的工作和运营性能。结果表明，该桥“T”梁构件普遍存在裂缝、钢筋锈胀等破损现象，但结构整体处于弹性工作状态，实测振型与频率和理论计算值较为一致，承载力满足汽-15荷载等级要求。检测技术探讨及其工程应用为该桥的养护维修提供了可靠依据，并为同类结构的加固改造提供了借鉴。

关键词：桥梁结构；损伤检测；载荷试验；性能评价

中图分类号：TU375.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.006

随着我国交通事业的迅速发展，我国的桥梁事业已逐步进入大规模新建和维修加固的并举阶段。旧有桥梁在自然环境、材料性能和使用荷载等多重因素影响下，会产生混凝土裂缝与碳化、钢筋锈蚀等诸多病害与损伤，加之重型车辆和自然灾害的影响，钢筋混凝土桥梁在服役20年后极易发生安全性和耐久性的问题。据不完全统计，我国现役桥梁约40%已基本达到或接近其设计基准期，因此，对旧桥的安全性能和结构工作状况的评估与鉴定显得非常重要，成为相关部门的紧要任务和国内外学者的研究重点，以确保道路运输枢纽的安全、可靠运营。

桥梁同其他土木工程结构相同，其健康诊断主要包括损伤状态识别、损伤定位、损伤程度量化和残余寿命预测四项内容，具体地可分为基于无损检测技术和结构测试技术的结构性能分析与评价两个层次。

1 基于无损检测技术的桥梁特性分析

无损（或微损）检测是指在不（微）破损结构或构件内部状态及其使用性能的前提下，利用各种媒介技术（声波、超声波、电磁波、电场、磁场、光、热和射线等）对结构的表观和材料进行检测和评定。

1.1 表观与材料的质量检测

表观检查是对桥梁整体与局部构造几何尺寸、线型走向、结构病害（结构裂缝、结构附属设施病害）等进行检查与量测，其检测项目和要求针对不同的桥型具有不同的侧重点，以定量反映桥梁当前结构状况和满足依据相关规范评定桥梁技术等级的要求。材料检测主要包括混凝土的强度等级、裂缝宽度及深度、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直径和位置、锈蚀状况、保护层厚度测试等。

根据表观检查和材料检测的成果，并结合结构资料，利用Ansys、SAP等有限元分析软件可对桥梁结构进行承载力分析，实现对其工作状况的评价。

1.2 常规项目检测技术

基于常规项目的局部检测，通用的成熟方法主要有冲击回波技术、声反射技术、超声脉冲技术、红外热像技术、计算机断层X射线扫描技术等。

近年来，桥梁无损（或微损）检测技术及测试仪器发展较快，融合电、磁、雷达、数字信号处理等相关学科的高新技术和设备成功研制，例如用于桥面板检测的双频带红外线自动温度成像系统、用于结构层厚度及构造与钢筋位置间距等探测的探地雷达技术、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。此外，数字及图像处理技术也取得了重大进展，例如基于GPRS实现桥梁检测远程数据传输和神经网络的应用。

2 基于结构测试技术的桥梁特性分析

结构测试技术偏重于结构的整体分析，通过模拟加载及其相应力学指标的量测，实现对桥梁实际工作状态与性能的鉴定和评估，分为静荷载试验和动荷载试验。

结构损伤的发生必然导致结构刚度、阻尼等性能参数的改变，因此，通过施加荷载（静载或动载）并运用有关仪器设备可获得对应的结构响应。分析结构静力和动力响应量的变化特性，从而量化评价结构损伤状态，即进行结构反分析。

2.1 基于静载试验的结构测试

静载试验是在代表性桥跨的最不利位置布置设计荷载或其等效荷载（通常是载重汽车），通过测试控制截面的静位移、静应变、静转角、裂缝等项目，以推断桥梁结构的工作状态。一般分为四个阶段，即试验方案的设计与分析阶段、加载与观测阶段、试验资料分析阶段和结构性能分析阶段。

基于结构静态响应的损伤以系统识别法最为实用，即通过结构响应（位移、应变或应力等）实测值与理论计算值的对比和模型参数的反复修改，使两者达到可接受的程度（目标函数），获得校验系数η，进而评价结构性能。选取适当的识别参数是系统识别方法的关键，对于钢筋混凝土梁桥，一般可选取梁的截面刚度作为待识别结构模型参数；对于其他桥型，可以转化为杆件系统，以杆件的刚度作为识别参数。

2.2 基于动载试验的结构测试

桥梁结构动载试验利用某种激振方法激起桥梁的振动，测定其固有频率、阻尼比、振型、冲击系数等行车响应参数，从而判断桥梁结构的整体刚度和行车性能。桥梁结构动力响应损伤识别在理论上和实际中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，其识别方法主要有有系统识别、神经网络、遗传算法等。

动载主要试验解决动荷载、动力特性和强迫振动效应三类基本问题。桥梁动载试验的激振方法根据测试目的的不同，一般可分为脉动试验、跳车试验（冲击试验）、跑车试验和刹车试验等。

3 桥梁检测工程实例

3.1 工程概况

某桥梁共5跨，总长100 m，跨径组合为5 m×20 m，上部结构为简支普通钢筋混凝土“T”梁，每跨5片“T”梁，各梁之间设5道横隔板；下部结构为双柱式墩台和重力式台基桥台，基础采用明挖挖孔桩基。桥面采用混凝土铺装，总宽8 m，行车道宽7 m，两侧人行道各宽0.5 m，双向两车道。检测目的是综合评价该桥的整体状况和工作性能，分析病害原因，为养护维修提出初步处理意见和提供原始数据。

3.2 外观质量及材料检测

3.2.1 混凝土裂缝检测

经检测，全部各“T”梁普遍存在少量竖向裂缝，但宽度未超过规范限值，另有部分延伸至底部形成“L”形裂缝。各“T”梁表面均出现10%～20%左右的麻面现象，严重位置已用水泥砂浆修补，而梁体浅层裂缝集中产生在麻面修补位置。因各墩顶均未设置支座，导致“T”梁端部与盖梁接触部位存在少量混凝土破损现象。其中，1-1#“T”梁右侧腹板处有三条竖向裂缝，长宽分别为100 mm、0.2 mm，320 mm、0.02 mm，280 mm、0.01 mm；2-5#“T”梁腹板在跨中位置出现一条“U”形裂缝，组合长度为（900+200+700）mm，缝宽0.1 mm。

该桥盖梁和桥墩未出现混凝土开裂，2#墩和4#墩盖梁因受水侵蚀，底部均一处钢筋锈胀，混凝土出现局部剥落。

3.2.2 材质项目检测

采用回弹仪测定混凝土的强度，采用酚酞试剂和深度测量仪测试混凝土的碳化深度，采用电位法量测钢筋的锈蚀程度。根据检定结果，认为混凝土强度处于良好状态，其中龄期超限、实测强度值仅作参考之用；保护层厚度对钢筋耐久性影响甚微；碳化深度平均值在4～5 mm之间，且与保护层厚度比值均小于0.5，评定标度为2，对钢筋锈蚀影响较小；混凝土Cl-含量、电阻率可不进行测试。钢筋锈蚀标评定为1，即锈蚀活动性不确定，可能锈蚀速度很慢。

3.3 静载试验

3.3.1 试验方案

按试验荷载效率，即试验荷载作用下控制截面内力与控制荷载作用下控制截面最不利内力之比在0.95～1.05的布载确定原则，选择第一跨进行试验。试验荷载由汽-15级荷载对桥梁主要控制截面产生的最不利内力（位移）效应并经等效换算而得，如表1所示。采用MIDAS软件计算，静载试验加载及计算模型如图1和图2所示。

据图4可知，实测挠度值较理论值较小，表明截面刚度符合设计要求。

从图5和图6中可以看出，最大及试验荷载与分级加载作用下跨中截面实测与理论应变曲线基本吻合，实测应变值略小于理论计算值。试验荷载作用下，“T”梁跨中截面最大应变的校验系数为0.84，说明结构强度满足要求；梁跨中最大应变的相对残余应变为6.33%，满足不大于20%的要求；各测点实测应变值线性关系良好，说明结构处于良好的弹性工作状态，满足汽-15荷载等级的要求。

3.4 动载试验

3.4.1 试验方案

采用天然脉动的环境激励和10 t载重汽车一辆的车辆激励进行试验。在桥面上，汽车分别以20 km/h、30 km/h的速度行驶，然后在跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁的加速度时程曲线；在无车辆通行时，桥梁承受环境自然激励，量测其固有振动频率。

3.4.2 试验检测结果

试验实测第一阶频率大于理论计算值，说明结构整体刚度情况略大于理论计算值，满足设计要求。

实测计算振型如图7所示，脉动测试结构自振频谱分析如图8所示，行车加速度时程曲线如图9～12所示。

分析图8～12可知，该桥整体性能较为平稳，跑车、刹车和跳车（用前轮跳车）的各项动力系数和阻尼比均在正常范围内，其中，加速度幅值为10-1，与同类桥梁基本相似。

4 结束语

无损检测技术和动荷载试验的结构测试技术相结合的方法能够全面评判桥梁的工作和运营性能。为进行对比分析，MIDAS有限元的模拟分析可作为桥梁性能检测的有效补充。

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作者简介：张学卿（1983—），女，山西大同人，2011年毕业于太原理工大学（专科），助理工程师，主要从事道路桥梁方面的研究。

〔编辑：王霞〕

Abstract： At present， the development of our country into the new bridge and repair and reinforcement of both the stage and the detection technique is detection and evaluation of the old bridge and reliable identification of a necessary prerequisite and basis. Based on non-destructive testing techniques and test static and dynamic load structural test methods， combined with MIDAS finite element analysis， a comprehensive analysis and evaluation of the existing reinforced concrete work and operational performance “T” shaped girder bridge. The results show that the bridge “T” beam members widespread cracks， steel corrosion and other damage occurred， but the overall structure in elastic state， is consistent with the measured modal frequencies and theoretical calculations， load bearing capacity to meet the grade requirements steam -15. Detection Techniques and engineering application maintenance and repair of the bridge to provide a reliable basis， and provide a reference for the reinforcement of the same structure.

Key words： bridge structure； damage detection； load test； performance evaluation