昆明某長年使用橋梁的檢測方法研究

周春雷

(云南大學建筑與規劃學院,云南 昆明 650500)

1 引 言

橋梁是城市交通系統的重要節點,在方便居民出行、提高居民出行質量、帶動城市經濟發展等方面發揮著非常重要的作用。我國的橋梁保養制度重點關注日常維護和定期檢查,橋梁的養護內容主要包括初期檢測、日常檢測、特殊檢測、結構檢測等。

樊健生等[1]提出用時空融合診斷體系進行橋梁檢測;常勇等[2]設計了一種輕質長臂機器人來進行特殊部位的橋梁檢測。橋梁檢測經過多年的發展,雖然發揮了重要的作用,但也逐漸出現了一些不可忽視的問題,如檢測時通常只是對橋梁進行簡單的靜態分析,而沒有采用動態分析。

本文結合對某橋的檢測試驗,梳理出橋梁檢測存在的不足,并展示一套完整的動態和靜態檢測體系,以期推動該領域的進一步發展,為今后的橋梁檢測提供參考。

2 橋梁檢測試驗

2.1 概況

該橋位于云南省昆明市呈貢區,基本參數如圖1所示。橋梁上部結構采用14～30m的T形連續梁,按5孔一聯設計,下部結構采用樁柱式橋墩及橋臺。預制T形梁、伸縮縫端現澆橫梁及墩頂現澆連續段采用50號混凝土,橋墩蓋梁采用30號混凝土,防撞墻、臺帽、墩柱采用25號混凝土,樁基礎采用25號水下混凝土。

圖1 橋梁立面圖

2.2 檢測儀器設備

試驗中采用的檢測設備有:精密全站儀Leica TM50、靜態電阻應變儀DH3821、動態信號分析儀DH5902N、電阻應變計BX-120系列。

2.3 試驗方法

2.3.1 靜載試驗

靜載試驗選擇該橋1跨進行測試,主要觀測內容包括主梁撓度、主梁應變和外觀檢查,根據試驗目的、結構形式、測試內容等選擇測試截面和布置測點,測點布置見圖2。

圖2 測點布置圖

在試驗開始前進行橋梁空載時的位移初讀,獲取各測點初始狀態讀數。隨后測讀各試驗工況下的撓度,各工況均在試驗車輛到位10min后進行。試驗結束后,再次對橋梁卸載(空載)10min后的撓度進行測讀。

可以通過電測法并借助靜態應變測試系統進行橋梁應力應變的測試。測試完成后會在電腦端直接顯示出各測點的應變值,并據此算出應力值。試驗過程中可以通過卡車來施加所需的荷載,施加荷載的卡車具有進出方便、可以通過裝卸貨物來改變重量、可以隨時?？吭谥付ㄎ恢脕頋M足所有工況的要求等優點。在加載時,應把卡車停在最不利的位置,確保靜載試驗的準確性。

(1)預載。在加載時,應在有信號的情況下對試驗構件施加適當的預載,使構件進入正常的運行階段,并發揮預演的功能。在試驗進行中,用單臺試驗車低速行駛多次穿梭于測試橋梁,以減少部分殘余應力,達到使測量結果保持穩定的效果。

(2)正式加載。為保證試驗的準確性和防止橋梁構件出現損傷,試驗時需要進行分級加載。本次試驗荷載分兩次遞加,施加到最大荷載后分級卸載。每次加載或卸載須等到測試儀器顯示結構的應變圖形趨于穩定才可以進行。同級荷載內,如果結構的最大變位測點在最后5min內的變位增量小于第一個5min的15%、或小于測試儀器的最小分辨率時,認為結構變位達到相對穩定。只有等到相對穩定后,才可以進入下一個階段施加荷載。在加載過程中需要測量橋梁的溫度,盡可能避免溫度場對試驗的影響,盡量選擇在溫度變化不大的時間段進行試驗。

(3)持荷時間。試驗時,橋梁加載和卸載的時間都要足夠長,這可以使變形達到穩定?？紤]到溫度變化的影響,根據檢測經驗,一般需要15min才可以進行讀數。荷載施加完畢、讀數完成后才可以卸載,先讓結構變形恢復約半個小時,在測量儀器上再讀一次數據作為結構的殘余變形值。

(4)試驗中止條件。為了保證整個試驗過程的安全,需要隨時把關鍵部位的實測值與計算值、規范允許值進行比較,實時掌握結構的工作狀態,以保證對加載過程進行有效控制。此外,如果在加載過程中出現以下幾種情況,要立即終止試驗或暫停試驗,待查明原因或問題解決后才可繼續試驗:加載過程中,測量部位的實測值與理論值嚴重不符;關鍵節點的應變或位移超過設計值,且遠遠超過規范安全條件的容許值;橋梁檢測節點出現明顯的受力損傷或局部損壞的情況,可能影響試驗的進行或有可能對檢測人員造成人身危害;出現其他意外狀況,如橋梁附近有施工產生較大噪聲或重大的機器運行。

2.3.2 動載試驗

本次動載試驗,采用環境激勵法,先利用高靈敏度傳感器和滿足頻率要求的數據采集系統對橋梁脈動響應進行數據采集,再通過頻譜分析,得到橋梁的響應頻譜圖和自振頻率,通過設定基準測試點再對數據處理就可以得出橋梁測試段的各階主要振型圖。

在橋面上布設速度測點,進行多點測量。根據結構檢算計算得到的理論振型,選擇在結構振型曲線的波峰、波谷位置布設傳感器。當采集得到振動波形后,擬使用DHDAS模態分析軟件分析結構振型、頻率和阻尼比。

在空載情況下借助拾振器進行脈動信號連續足時采集,通過對采集所得到的時程曲線進行頻譜分析,便可得出所測結構的動力特性參數、頻譜分析圖及基本振型。

3 試驗結果分析

經靜力荷載試驗測試,橋梁結構在各工況試驗荷載作用下,位移校驗系數值在0.36～0.50之間,滿足相關規范要求。各工況試驗荷載作用下,應變校驗系數值在0.10～0.94之間,其上、下限值均超出《公路橋梁荷載試驗規程》針對預應力混凝土橋的應變校驗系數常值范圍0.20～0.40,表明在可變荷載作用下,斜交板內部應力分布不均,對結構的耐久性不利。各工況相對殘余位移值和相對殘余應變值均小于規范值,表明在試驗荷載作用下結構一直處于彈性階段。

根據動載試驗,可以測出在不同速度下的沖擊系數,如表1所示。

表1 各速度下的沖擊系數

從表1可以看出,在相同的車速下,跑車和跳車的沖擊系數是相同的。隨著車速的增加,沖擊系數不斷增加,但沖擊系數增加的幅度不斷減小,特別是當車速從10km/h增加到15km/h時,沖擊系數僅增加了約0.1。由此可見,沖擊系數和車速間不存在函數關系。另根據沖擊系數的定義,其計算式寫為1+μ=動力響應/靜力響應,就可計算橋梁的動力沖擊系數1+μ。

4 結 論

本文基于該橋的靜載和動載試驗,得到如下結論:

(1)靜載試驗中,在滿載情況下,因測點位置不同,應變的理論值和實測值較大。

(2)動載試驗中,在跑車和跳車相同速度下,兩者的沖擊系數是一致的。

(3)為進一步提高橋梁檢測的智能化,本次試驗中,運用有限元軟件、DHDAS模態分析軟件進行分析,為今后智能化橋梁檢測提供了參考。

(4)采用智能化橋梁檢測軟件分析時,可以進行動態分析,分析較為全面、結果較為精準,具有一定的應用前景。