中小跨徑橋梁病害調查與損傷狀態的快速識別方法研究

余佳欣,萬衛紅,相斌輝,聞驥駿,詹欽鵬,吳 多

(1.南昌工程學院,江西 南昌 330099;2.石家莊鐵道大學,河北 石家莊 050043)

根據2020年發布的交通運輸行業發展統計公報可知[1],目前我國公路橋梁總數已達91.28萬座,中、小跨橋梁占比已經超過了86%,且呈現逐年遞增趨勢。因此,基于中、小跨徑橋梁開展現狀的調查與分析具有深刻的現實意義[2-3]。

贛北九江地區地處長江水道附近,地勢平坦且河道眾多,自20世紀90年代以來修建了一大批中小跨徑的板梁橋、小箱梁和剛構橋等[4-5]。近十年來,由于城市化進程的加劇與運輸行業的急速發展,各類路面、橋梁出現破損的情況層出不窮,這影響了人民群眾的生命與財產安全,也對交通運輸行業的發展極為不利[6-8]。

近年來,隨著“四好農村公路”的修整與交通強國戰略的實施,國家對路網擴寬、橋梁改擴建與維修加固的建設經費大力投入,橋梁現狀得到了進一步的提升[9]。

為研究當下中小跨徑橋梁廣泛存在的開裂損傷問題,通過對贛北地區28座橋梁進行損傷病害的調研與分析。采用曲率模態理論,提出一種一階曲率模態損傷因子比(DFR)的橋梁快速損傷識別方法,采用這一方法對典型中小跨徑橋梁進行損傷識別,同時對橋梁監測技術進行了預測和分析。

1 橋梁信息與調查范圍

1.1 橋梁基本信息

針對江西九江地區28座常規橋梁現狀進行詳細調查,各市區縣橋梁基本信息如表1所示。

表1 橋梁數量與類別

由表1可知,本次調研橋型主要為空心板橋、箱梁橋和混凝土剛構橋。跨徑分布以中小跨徑為主,也有部分大跨徑橋梁。其中,大跨橋梁主要分布在修水縣,以箱梁橋為主,跨度范圍在100～450 m之間。中小跨徑橋梁為空心板橋,跨徑范圍均在100 m以內,主要分布在柴桑區和廬山市。從數量分布上看,廬山市調研數量最多,為14座;修水縣調研數量次之,為10座;柴桑區調研數量最少,為4座。

1.2 橋梁缺損狀況調查

本次橋梁現狀的調查主要包括橋面系、上部結構和下部結構的調查等方面[10]。

(1)橋面系

橋面系是橋梁直接承受人車荷載的結構層與附屬設施,主要包括橋面鋪裝、伸縮縫、欄桿、排水設施、照明與銘牌等,對行車的舒適度與安全性均具有一定影響。

(2)上部結構

橋梁的上部結構主要包括上部的梁、板結構與中間傳力、耗能的支座等。對于上部梁板,主要關心其開裂下撓、表面露筋、混凝土強度與碳化是否符合要求等。

(3)下部結構

橋梁的下部結構主要包括橋墩、橋臺、下部基礎與錐坡、耳墻等設施。

2 橋梁現狀統計分析

2.1 橋面病害現狀

通過對28座橋梁的橋面系、上部結構和下部結構進行細致地檢查與觀測,可以發現橋面鋪裝、伸縮縫、排水設施均有不同程度的破損、開裂;支座也有部分外鼓與變形;下部結構中橋臺、錐坡等構件也有一定程度的滲水與破損,典型破壞情況如圖1～圖2所示。

圖1 橋面系損傷現狀

圖2 支座與下部結構損傷現狀

2.2 橋面病害現狀統計

表2～表4列出了九江地區柴桑區、修水縣和廬山市28座橋梁典型的裂縫、磨光露骨、破損和網裂等病害現狀,為便于統計分析,橋名以1～28號橋代替。

表2 柴桑區1～4號橋橋面破損數量與類別

其中,柴桑區1～4號橋橋面病害情況如表2所示。

修水縣1～10號橋橋面病害情況如表3所示。

表3 修水縣1～10號橋橋面破損數量與類別

廬山市1～14號橋橋面病害情況如表4所示。

表4 廬山市1～14號橋橋面破損現狀

由表2可知,柴桑區的4座空心板橋病害以開裂為主,均出現了磨光露骨,也有部分橋梁有破損和網裂。由表3可知,修水縣的10座箱梁橋與空心板橋病害以豎向裂縫與網裂為主,部分橋面出現磨光和露骨。由表4可知,廬山市的空心板橋主要也以開裂為主。上述病害形式表明,以貨運車輛為主要荷載的國、省道公路,在重載車輛長期作用下,橋面易出現豎向開裂與網裂,后期維修加固中應重點關注。

2.3 橋梁支座病害分析

通過深入調查發現,除橋面外,支座部位的損壞也較為嚴重,圖3～圖5展示了各支座的病害類別。

圖3 柴桑區橋梁支座病害情況

其中,柴桑區4座橋梁的支座病害情況如圖3所示。修水縣10座橋梁的支座病害情況如圖4所示。

圖4 修水縣橋梁支座病害情況

廬山市14座橋梁的支座病害情況如圖5所示。

圖5 廬山市橋梁支座病害情況

分析圖3～圖5可知,橋梁支座病害主要集中在開裂、外鼓、剪切變形和鋼板銹蝕等幾種,部分支座還有老化、脫空和位移病害。這一現象說明長期荷載是引起支座目前現狀的主要原因。

3 橋梁損傷狀態的快速識別

3.1 概述

近年來,各類橋梁在其壽命的不同階段出現了不同程度的損傷,這不僅影響了其施工、使用的安全,還對其長期耐久性和后期的運營壽命造成較大影響。通過對比橋梁結構損傷前后相應的模態振型曲線變化和隨運營時間變化的振型曲線變化規律,可對橋梁出現損傷的位置及其損傷程度進行進一步研究分析。

3.2 損傷狀態的識別方法

根據曲率模態參數的特點,結合對比傳統的曲率模態方法的優缺點與適用性,在曲率模態振型比法[11]的基礎上提出一種一階曲率模態損傷因子比(DFR)的新方法。

依據相關學者提出的曲率模態方法[12],結構各測點對應的曲率ρ可由公式(1)求得。

(1)

式中:r為節點編號;ρ(r)為r節點對應的曲率值;dr-1,r為第r-1節點到r節點的距離;φ(r)為第r節點的位移撓度。

結構各測點損傷前后的損傷因子可由測點對應曲率的二階導求得,如公式(2)所示。

(2)

式中:dfr為r節點在不同狀態下的曲率模態損傷因子。

結構各測點曲率模態損傷因子的比值為Δξ如公式(3)所示。

(3)

式中:Δξ(r)為r節點曲率模態損傷因子的比值;udfr為r節點在結構損傷前的曲率模態損傷因子;adfr為r節點在結構損傷后的曲率模態損傷因子。

結構整體對應的曲率模態損傷因子比值振型ΔT可由公式(4)求得。

ΔT=[Δξ(1)Δξ(1) …Δξ(r) …Δξ(n)]

(4)

3.3 損傷狀態的識別驗證

采用文獻[13]中的相關橋梁數據,對該簡支梁預設5%～80%的單損傷工況和20%～90%的多損傷工況,采用DFR方法進行該簡支梁的損傷狀態識別,其結果如圖6所示。

圖6 工程算例的損傷狀態識別情況

由圖6可知,采用一階曲率模態損傷因子比(DFR)的方法可較好地反映出損傷程度隨曲線的變化關系。這一方法不僅剔除了測點疏密對曲率方法識別的影響,而且還強化了損傷識別的效果,得到梁體較明顯的曲率模態損傷因子比曲線,對橋梁狀態的初步評定具有較好的參考意義。

4 橋梁性能提升現狀及預測

4.1 表觀耐久性的提升

根據上述研究分析可知,中小跨徑橋梁在汽車重載交通、環境侵蝕下橋面系、支座和下部墩臺均會發生不同程度的破損、開裂與老化損傷破壞。目前,依托橋梁檢測評定結果,常采用材料補強和材料加固兩類方式。

(1)材料補強

高強混凝土和鋼纖維、聚丙烯纖維等材料具有較高的強度和較好的抗性,常被用于構件的補強施工中。目前,橋面系、伸縮縫等部位的補強常用到高強纖維混凝土材料,這類材料可承擔較大的荷載部位與較為惡劣的環境下對橋梁結構進行補強,是目前較為常用的補強方式之一[13]。此外,采用水泥基、聚合物和瀝青材料進行注漿補強也是未來材料補強的重要發展方向[14]。

(2)材料加固

通常橋梁的加固都是基于補強原理開展的,即通過提升構件的抗壓彎與抗剪能力,從而提高結構的安全與耐久性能。目前,主流的加固方法仍是以粘貼纖維布、外粘鋼板為主要手段,但纖維布種類的差異、鋼板的粘貼部位與厚度也是目前提升加固效果的研究熱點與方向。如高翔[15]通過采用碳纖維布加固和植筋補強的方式,對一座爛尾樓進行續建施工。其結果表明纖維布等纖維材料在不增加截面的同時能有效提升受力性能,且植筋等材料補強方式也能彌補因鋼筋銹蝕帶來的配筋率不足問題,具有較好的工程效應。

4.2 內部性能的監測

依據結構養護規范的相關規定可知,定期的病害排查與長期的性能監測都是橋梁等結構安全運營的基礎與保障。因此,為保障橋梁的長期安全使用與運營,對橋梁進行定期病害排查和長期性能監測是十分有必要的。

(1)定期病害排查

超聲波等技術的發展,讓橋梁無損檢測變為現實。如郝士華等[16]對一座PC連續梁的0號塊采用彈性波層析掃描(CT)法進行無損檢測,并與取芯結果對比校驗,驗證了無損檢測結果的準確性。姚偉等[17]的試驗結果也驗證了這一方法的有效性。李永青[18]采用地質雷達檢測一座空心板橋,通過混凝土中電磁波走勢和速度獲得內部鋼筋分布和錨索位置等情況,可準確獲得混凝土的內部情況。

上述研究可知,目前聲波CT、地質雷達等技術的采用大大提升了橋梁內部病害損傷排查的有效性。橋梁定期狀態檢查與加固效果評定中的有效手段,也是目前橋梁檢測的研究方向與熱點。

(2)長期性能監測

基于大、中型橋梁的長期健康監測系統已在國內外眾多橋梁中被廣泛應用。但中小跨徑橋梁中,由于費用、成本等因素,大規模采用長期健康監測系統不是特別現實,因此基于中小跨徑橋梁開展快速狀態與長期性能識別也是目前亟待研究的。

5 結 論

通過對贛北九江地區的28座橋梁進行病害調查,以此為基礎進行狀態評估,得到如下結論。

(1)基于橋梁現狀分析可以得到,以貨運車輛為主要荷載的國、省道公路,在重載車輛長期作用下,橋面與支座病破壞較為嚴重,這一現象說明長期荷載是引起支座目前現狀的主要原因,后期維修加固中應重點關注。

(2)基于曲率模態理論提出的一階曲率模態損傷因子比(DFR)方法,能夠使橋梁損傷部位的模態曲線產生較大突變,滿足初始損傷定位的需求。

(3)通過對橋梁性能提升進行分析可以發現,目前對于中小跨徑橋梁而言,開展快速狀態與性能識別是亟待研究的。