中、小跨徑預應力混凝土橋梁健康監測技術分析

韓基剛

（遼寧省交通規劃設計院 遼寧 沈陽 110166）

中、小跨徑預應力混凝土橋梁健康監測技術分析

韓基剛

（遼寧省交通規劃設計院 遼寧 沈陽 110166）

隨著橋梁建設規模的逐漸增大，大部分預應力混凝土橋梁的病害問題也逐漸顯露出來。本文較深入地探討了預應力無損檢測及局部破損檢測技術在役預應力混凝土橋梁的研究進展，分析了檢測技術應用中的常見問題，有針對性地提出預應力混凝土橋梁提高測試精度應采用局部破損檢測與無損檢測相結合的方法，將智能傳感器埋設于預應力鋼筋中用于長期監測混凝土橋梁的應力。

混凝土橋梁 健康監測 橋梁質量

1. 序言

預應力混凝土的發展主要體現在預應力混凝土橋梁的建設中，并使梁式橋梁跨度得到快速增長，自二十世紀五十年代建設的萊茵河沃爾姆斯作為突破百米跨度的第一座橋，逐步發展到二十世紀末建設的預應力混凝土梁式橋已超過300米跨度。預應力發揮的作用十分明顯，創造顯著的經濟社會效益，并在各種橋梁結構中廣泛應用，不只是促進了中小跨度橋梁的發展，也有力促進了大跨度橋梁建造技術的進步。在正常使用的預應力混凝土橋梁中，因承載頻繁以及超載等作用的影響，再受到一些自然災害侵蝕及各類事故影響，很多原因都降低了預應力，輕者使橋梁縮短壽命，嚴重的將對橋梁安全產生不利影響。在普查德國公路橋梁中，發現預應力混凝土橋應用達30年左右的橋梁中有近一半在橋梁上部結構都發生不成程度的損傷。

目前國內公路橋梁中，超過90%都采用混凝土結構，超過75%的橋梁都是預應力混凝土結構。經過使用幾十年后，多數橋梁結構都發生老化。據調查發現，一些大跨徑預應力混凝土橋梁建成后都發生混凝土結構開裂現象。甚至可能會對正常使用的橋梁結構或結構耐久性產生影響，而在一些預應力混凝土連續梁式橋中相繼產生主拉應力裂縫。影響預應力混凝土橋梁安全的一個最主要因素就是預應力損失，因此，對預應力構件工作性能評價的關鍵在于存在預應力構件的現存應力。在生產至安裝使用，預應力都逐漸減少，混凝土收縮徐變、錨具變形與滑移等都是影響因素。結合預應力混凝土設計規范，都需要通過試驗才能獲得上述各項預應力損失值，而各項損失值又將伴隨時間而相互發生作用。另外，如嚴重超載、自然災害或交通事故等因素影響，也增加了估算預應力損失值的不確定性。所以，檢測混凝土結構預應力不管對于評定橋梁結構承載力設計分析橋梁結構都具有重要指導作用。

2. 預應力檢測技術的研究現狀

對橋梁結構使用性能產生影響的一個主要指標就是預應力的持久應力大小，無損檢測和局部破損檢測是國內外普遍采用有效的兩類預應力檢測方法。

2.1 預應力混凝土無損檢測技術的研究現狀

無損檢測是在對被檢測構件不產生損傷的情況下，利用專業設備對橋梁結構內部特征進行探測，進而對橋梁整體性能進行推定。主要檢測方法有以下幾種：一是聲發射技術。該技術在美國應用比較廣泛，很多學者都利用該技術對影響預應力損失的時效性和錨固端的滑移進行分析，但距離實際應用還存在較大差距。二是電磁效應檢測法。主要分為渦流、測漏磁和磁粉檢測三種方法，檢測利用磁場變化原理，基于磁通量泄漏原理對預應力筋損失的預應力進行檢測。應力變化時因物體伸縮導致磁通在磁路中發生變化，并引起感應電流在感應器線圈中變化，據此對應力變化進行測定。三是超聲波檢測法。該方法是無損檢測法中發展最快的，國外研究人員依據通過預應力鋼絞線后超聲波的頻率變化對其拉應力進行推斷。在不具有應力作用時，在各向同性的彈性體內超聲波傳播速度與有應力作用時存在差異，利用對超聲波波速與應力之間關系的研究實現對構件應力狀態的測量。從理論中，超聲波具有足夠大的發射功率，能夠將任意厚度穿透，所以，對于大型構件現存應力的測量比較適合，但達不到較高測量精度低，只能對高值現存應力測試，目前還在試驗研究中。從原理上來說，很多無損檢測方法都屬于間接檢測方法，其測試精度還需要不斷進行提高。

2.2 預應力混凝土局部破損檢測技術的研究現狀

局部破損檢測主要是采用儀器試驗構件局部損傷情況，結合獲得到的數據，對構件整體性能進行推定的一種檢測方法，主要有預應力筋直接檢測技術和應力釋放兩種檢測方法。預應力筋直接檢測技術是將傳感器布置在預應力筋上，直接對預應力筋應力狀態進行測量。粘貼光纖光柵傳感器目前采用較多，為有效避免孔道摩擦和擠壓引起的數據失真，應深入研究傳感器復合工藝。應力釋放法是利用機械切割釋放約束產生的應力，對切割前后的構件應變進行測試，進而結合材料本構關系獲得構件應力狀態。有關學者在預應力混凝土梁中應用試驗、理論推導和有限元分析方法推算有效預應力，目前還局限于單點應力釋放，測試精度不超過90%。該方法最早在測量結構構件的殘余應力中進行應用，利用對構件分割前后位移和應變的測量，經換算得到應力。在金屬材料尤其是測試鋼材殘余應力方面應用比較廣泛，目前逐漸引入到測試混凝土等材料的應力中。據有關研究結果顯示，應力釋放法應用于混凝土構件應力的測試還處于初步研究階段，只針對軸心受壓的小構件試件。因受力不復雜，條件比較易于實現，很多試驗均基于理想狀態下，沒有考慮實際應用中干擾因素。所以，若對應力釋放法測試結構的現存應力開展深入研究，就需要結合橋梁實際結構模型，以及各種影響因素，在實際工程中才能應用好相關研究成果。

3. 預應力檢測技術應用難點

對預應力混凝土橋梁檢測持久應力盡管取得一些進展，但在具體應用中，也存在一些技術難點，主要體現在：一是測試精度需不斷提高。在測試精度方面，應力釋放法相對于其它測試方法具有一定優勢，但目前國內外還局限于單點釋放應力，測試精度不超過90%，難以對現存持久應力進行準確測試，難以準確評價預應力混凝土結構的安全性及承載能力。二是應力釋放法還有待于深入研究。因該方法具有較強的現場操作性，設備價格不高，盡管破壞部分結構，但對橋梁整體性能不會產生影響。所以，該方法對于測試預應力混凝土結構的現存應力比較可行，但因混凝土材料不均勻、切割時受多種因素影響等原因，有關參數與預應力之間的關系還有待于深入研究。三是國內外學者利用將傳感器安裝到錨固端實現對錨具受壓狀態的測量，而得到預應力變化值，但該方法難以獲得預應力筋分布應力的情況，受預應力管道摩阻等影響，難以獲得混凝土持久應力狀態。

4. 總結

綜上所述，通過比較國內外預應力混凝土橋梁健康監測技術及方法，可發現監測預應力混凝土橋梁持久應力還依然存在測試精度低、測試方法不夠完善等技術難點。因此，可建議結合局部破損檢測方法和無損檢測方法，有效測試預應力混凝土橋梁的持久應力。而且，將智能傳感器埋設于預應力鋼筋中才能長期監測該類橋梁預應力的持久應力。

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K928

B

1007-6344（2015）12-0182-01

韓基剛（1982—），男，遼寧大連人，研究方向：大跨徑及中小跨徑橋梁健康或安全運營監測。

1.本文系遼寧省交通廳科技項目，基金號201514,基金名稱：適合東北地區的低成本橋梁健康監測系統開發

2.本文系遼寧省高速公路科研項目，基金號201409,基金名稱：預應力混凝土梁橋安全運營監測實用技術研究