橋梁健康檢測分析與安全評價

高 昕, 蘇樹林

(福建林業職業技術學院,福建 南平 353000)

0 引 言

回首世界各地不同國家的橋梁技術檢查的狀況[1],并通過實例說明了檢測橋梁狀況的內容和方法,得出檢測橋梁的健康狀況對評估橋梁尤為重要。

但由于交通壓力的增加以及橋梁在交通網絡中的重要作用,手動檢測橋梁的起源無法滿足橋梁的維護需求,并且難以預防。主要表現如下:

(1) 定期檢查,停頓時間長,缺乏連續檢測數據和檢測數據不是動態檢測信息;它們并不總是能在緊張或惡劣的環境中反映橋梁的運行狀況,也不能起到預防或發信號的作用。

(2) 高度測量是手動完成的,由于讀取誤差、視角、天氣條件和溫度等因素,測量精度不高。

(3) 每次檢查都需要充分準備。從組織車輛裝載、調試測試設備到安裝樓梯,安裝和拆卸傳感器以及組織人員阻止交通,不應該排除所有環節,這需要大量的人力和物力和財力。

1 概 述

1.1 橋梁健康檢測與安全評價的重要性

隨著橋梁施工技術和設計理論的不斷發展,使橋梁結構形狀變得越來越復雜。根據橋梁的復雜性和獨特性,我們可以實施先進且全面的實時健康監控系統,對潛在的安全威脅做出快速響應,及時評估損壞,警告安全橋的危險和負載,整合隱藏的威脅,確保橋梁安全。

在橋梁的長期使用中,不可避免地會發生各種使用、交通事故和維護不當導致的結構損壞且某些道路上的交通量比預期的要高。這些因素會導致橋梁壽命和承載能力的降低,并直接影響橋梁的安全性。現階段有維護、轉換和加固等問題待解決。這些工作必須根據橋梁的健康檢查和安全評估正確進行。這就突出了定期檢查和橋梁安全評估的重要性。

1.2 橋梁健康檢測的內容和依據

橋梁狀態檢測的內容涉及橋梁應變檢測、橋梁動力特性、主梁動態應力檢測和檢測溫度分布等。

橋梁應變檢測:主梁在其自身載荷下的軸線位置是橋梁安全性的重要指標。在負載下,主梁的撓度不僅是甲板整體剛度的重要指標,而且還可以反映甲板上的載荷。橋梁變形檢測可以包括整個橋梁的健康狀況。

橋梁動力和振動水平的確定:橋梁的動力特性包括橋梁的頻率、模式和振動阻尼之間的關系,這是橋梁安全的通用標準。

確定主梁的動態應力:斜拉橋的主梁是斜拉橋結構系統隨時間推移的關鍵要素。它也是車輛運輸者和公共貨物。這直接受到負載的影響,很容易受到局部異常負載的影響。這會造成更大的損失,并且對梁的結構和性能具有最直接的影響。通過檢查主梁表示中的動態應力,可以了解主梁的應力狀態和電纜橋架的主應力。這是監視車輛負載和執行結構疲勞分析所必需的。

檢測溫度分布:通過測量諸如支柱和橋梁等代表性零件的溫度,檢查設計基準或計算結果對計算出的橋梁溫度的影響,并對性能橋梁的安全性進行實際評估。

橋梁質量的下降會導致自然振動的性質發生變化。例如,當其他條件不變時,橋梁剛度的降低導致橋梁固有頻率的降低。更改本地橋梁布置的形狀可能表明存在對橋梁的局部損壞。監視此內容可用于了解整個橋梁的運行狀況。[3]

2 橋梁健康檢測的常用方法

2.1 混凝土結構無損檢測

無損檢測用于通過聲、光、熱、電、磁和放射性相互作用檢測材料、零件和設備的各種內部和表面宏觀缺陷,而不會對其造成損壞。確定位置、大小、形狀和方法。

2.1.1 混凝土強度的無損檢測

無損混凝土強度測試通常使用兩種或多種方法來確定許多參數的總強度,稱為混凝土強度恢復方法。[4]

2.1.2 混凝土內部缺陷的無損檢測

超聲波脈沖法是目前最常用的缺陷檢測方法。近年來,要考慮兩個領域:接收波形信號的分析和超聲脈沖輻射的高速自動檢測。為此,必須進行超聲波測量,因為混凝土的內部缺陷很難用肉眼或其他工具進行測量。

2.1.3 混凝土其他性能的無損檢測

通過不盡相同結構功能,混凝土的性能要求超過了傳統的質量參數,例如抗壓強度和缺陷。為了滿足這一需求,無損檢測技術領域已經擴展到性能的其他方面。近年來開發的滲透性方法就是其中之一,它通過防止液體或氣體滲透到混凝土中來間接反映混凝土結構的強度。中子散射和微波吸收方法用于控制混凝土的水分含量,而中子活化方法用于測量混凝土中水泥的含量。其中兩種也是此類實驗的新方法。

混凝土結構的非破壞性測試相對容易使用,對混凝土構件的損害最小,但是測試數據和結果的可靠性相對較低,通常用于識別。

2.2 混凝土結構半破損檢測

所謂的混凝土結構的半破壞性測試不會影響工件的承載能力,并且可以假定直接在部件上進行了局部斷裂測試,或者為了測試目的直接鉆了型芯。這樣做的優點是,由于通過局部破壞性試驗獲得了混凝土的強度,因此更容易且更可靠。缺點也是顯而易見的:結構局部損壞和需要維修,使其不適合大面積的全面檢查。[5]

2.3 鋼結構無損檢測

內部焊接缺陷的無損檢測:超聲波檢測焊接缺陷,根據接頭類型將焊接接頭分為四類:對接接頭、角接頭、T形接頭和對接接頭。對接接頭主要用于檢測鋼結構中的焊接缺陷。角度探頭用于檢測單面和單面焊接缺陷,無須檢查橫向焊接缺陷。如果基材的厚度大于50mm,則不應使用此方法。原則上,角度探針用于檢查焊縫兩側的整個焊縫。如果基材的厚度大于100mm,則必須檢查焊縫的兩側。如果條件允許,有必要檢測橫向焊接缺陷。要檢測焊縫一側的雙邊缺陷,至少定位兩個尖端和兩個角,并檢測正向和負向的橫向焊縫缺陷。其他附加條件包括:缺陷長度測量作業中使用的測量方法包括相對靈敏度長度測量,終點相對靈敏度長度測量和絕對長度測量。如果故障只有一個波長,則使用相對靈敏度長度方法測量誤差讀數,并沿著焊縫的長度左右旋轉探針,以便故障回波從最高點開始。斷點的回波和dB值在故障的兩端減小到指定值,因此,探頭上兩點之間的距離被假定為誤差讀數的長度。當誤差具有多個波高點時,使用相對終點靈敏度測量方法來測量誤差指示的長度。將樣本移離斷層兩端的波的最后一點,并將波高降低到指定的dB值。在這種情況下,探頭兩點之間的距離對應于故障的指定長度。當故障回波很小并且認為故障檢測器的長度是必需的時,通常使用絕對的方法來測量傳感器的長度。角焊縫和T形焊縫缺陷通常是使用斜探頭在條帶上檢測到的。對于探傷級別,應將其包括在A級探傷中;對于T形焊縫,可使用翼形橋上的直探頭來檢測損壞,以準確確定其未完全扎根的寬度。[6]對于小于20mm的機翼,可以使用直的雙晶探頭,尤其是當隔音板平行于焊縫邊緣的長度時。

對于X射線焊接方法,必須考慮輻射源和用于透射X射線檢查的膠片的幾何布置。射線照相錯誤的幾何定位可分為四種類型:單層透射,雙層透射,多向透射和軌道全景透射。在放射線源和膠片之間旋轉探傷區。輻射源與工作表面之間應保持一小段距離,薄膜固定在零件上。這種布置的主要條件是將輻射源放置在房間的前面,并且在輻射源和房間之間沒有其他障礙。它適用于外徑大于89mm且不打內壁的腔密封圓柱形零件。當檢測到這種類型的缺陷時,必須在通過雙壁的厚度將梁固定到梁的一側上檢測薄膜。此布置適用于直徑小于89mm的管道以及類似條件。輻射穿過雙壁,同時對上下壁進行拍攝以檢測錯誤。本發明涉及通過將膜放置在圓形部分的外表面上并將輻射源放置在內孔的中心來平移膜的方法。

焊縫表面缺陷的無損檢測。磁粉探傷廣泛用于檢測鐵磁材料(如鋼焊接)。表面和表面缺陷(裂紋、中間層、插入物、褶皺、孔等)。磁場測試的基本原理是,當鐵磁性材料被磁場強力磁化時,如果材料表面或垂直于磁場方向的附近存在任何缺陷,則磁場線會溢出并造成磁場的損失。如果將磁性粉末或磁性懸浮液施加到可滲透磁場上,逸出的磁場將吸引磁性粉塵并顯示出缺陷的痕跡。磁粉故障檢測在感應材料的表面上具有最高的靈敏度,并且隨著缺陷聚集深度的增加,其靈敏度會迅速降低。此外,磁粉測試僅適用于檢測鐵磁材料中的表面和近端缺陷,不適用于檢測奧氏體不銹鋼和不銹鋼零件鋁鎂合金中的表面和近端缺陷。這些材料的表面缺陷只能用于其他測試方法(如液體滲透)。

液體滲透率缺陷技術解決了檢測通過檢測磁性顆粒缺陷不能滿足的誤差的問題。它使用熒光綠色或滲透性紅色,并具有良好的滲透性基本原理以減少間隙(如裂縫)。處理后會出現裂紋擴大的跡象,例如滲透和清潔。通過目視檢查并正確評估錯誤的程度和性質。[7]

2.4 預應力混凝土結構檢測

與常規的鋼筋混凝土相比,預應力混凝土具有獨特的特性。它使用牽引桿來構造具有內部應力的混凝土結構。預應力電纜是關鍵的結構元素,其沖擊或跌落與張力直接相關。鋼筋混凝土結構的安全性、使用性、耐久性和工程實踐表明:鋼筋電纜嚴重損壞所引起的鋼筋混凝土結構損壞是無法彌補的。由于其他因素(例如混凝土爬坡器)而引起的應力變化會發生變化,并且隨著電纜內部應力的變化,相同的滑動速度也會發生變化。故很難在應力、環境、負載等不同條件下進行劃分。當前,在服務設施中評估混凝土的方法,檢測技術正在迅速發展。我們從通常的靜態和動態測試階段轉移到評估結構的整體操作性能,轉向本地損壞數據和合并本地數據的新階段。

3 橋梁安全評價

3.1 橋梁安全的耐震評價

據統計,世界上每年有數百萬次地震,但其中大多數是人類無法感受到的小地震。只有大于5級(請參閱地震強度)的強烈地震才可能導致災難,每年平均發生10次以上。近年來,在許多受地震影響的國家(例如日本和美國),對大橋進行了地震勘測。中國在研究在地震災區天津郊區修建的細長混凝土索橋的抗震性能中得出橋梁地震破壞的直接原因是:①在強烈地震期間,地理和地貌發生了巨大變化(裂紋、裂縫等),河床將在兩側滑動。定向到河流中心,橋梁結構損壞。②地震當河床中的沙子液化時,基礎可能會損壞,橋柱基礎會明顯松動或不均勻。③在地震慣性作用下,橋梁結構某些部位的內力或位移超過了結構強度,且材料的強度能夠承受極限,造成各種程度的破壞。

影響橋梁工程抗震能力的因素是結構的地震風險和易損性。以前的地震破壞預測方法可估算地震影響下建筑物的破壞和損失,但無法評估該屬性以及物體的抗震能力;通常只考慮某些地震活動的影響,而沒有充分考慮其他潛在的地震風險;無法比較不同結構的建筑物之間的地震差異。[5]

對橋梁結構抗震性能的評估是對橋梁易受地震引起的破壞的評估。例如,雷俊清提出了地震破壞脆弱性的概率評估方法,并討論了影響變形和強度兩類的25個關鍵因素。任寶雙提出了一種評估簡單鋼筋混凝土橋梁結構的綜合方法,開發了其分類等級指標體系,測量了混凝土的裂縫寬度(彈性開裂和電纜開裂)以及混凝土的腐蝕速率面積和鋼的腐蝕、級別(如果保護層脫落)、強度、安全性(即承載能力)和可用性。[8]

3.2 橋梁安全的荷載評價

對于橋梁的靜載荷測試,常規貨車通常使用裝載設備,例如大型卡車、拖車、自卸車、油輪和建筑機械;也有單軸或多軸貨物拖車和自行式車輛。測量橋梁自然振動特性的實驗方法有三種類型[9]:第一類是通常用來激發橋梁的突然加載和卸載方法,例如跳躍、掉落、撞擊和小型火箭。第二類的工作使用特殊的軸向電液慣性振動,以可調節的頻率點火或進行共振測試。第三類使用脈沖信號測試和分析,使用記錄器在空載電橋上記錄隨機脈沖信息,然后使用信號,最終由處理器執行頻譜分析,獲得多種模式的唯一值。

3.3 橋梁安全的河川耐洪能力評價

洪水期間對梁結構的主要破壞體現在以下幾個方面:橋柱的磨損、滑溜、沉陷和嚴重的基礎坍塌。由于河流的突然流動,圓錐形的斜坡、墻壁、堤防和其他輔助結構坍塌并失去了功能。當橋梁開口不提供洪水流量時,山頂的快速流動會導致橋梁甲板的洪水泛濫,強大的水力作用會破壞上部結構如欄桿、甲板、蓋板、支柱甚至主梁等結構。由于漂浮物體和安裝在河中的船只的碰撞,導致橋梁結構的穩定性喪失。如果結構強度大于或等于有害作用,則該結構是安全可靠的。否則會導致結構故障。為了減少對洪水橋的影響,有必要使洪水破壞的強度、橋梁的抵抗機制的特性、洪水的最小強度和集中度最小化,并提高抗洪能力。雙方之間的密切協調是應對洪災的可行方法。

3.4 土石流橋梁安全評價

由于強烈的水流脈沖,與河床接觸的表面上的土壤以及巖石的不規則性,可能在河床中發生侵蝕。沖積巖通過后,河流的表面將被嚴重侵蝕,這可能在山谷的兩側形成斜坡。當空心地面塌陷到淹沒的巖石中時,地下的空心地面和巖石隨著石頭的通過而加深并加寬。但是,流入山谷的沖積巖會流動,當脫水后,它會在山谷中凍結并停滯。這些暫時積聚的沖積巖石會隨著雨水的回收而再次下沉。[10]

在一個平坦的流域中,河流的上游經常發生大規模的滑坡,形成了巖石土壤和沙質物質的來源,并且沒有防止巖石出現的保護措施。 因此,泥石流從山谷口流出多次,積聚在扇形區域,并覆蓋了地球山谷中的巖石,河流的流動可通過其范圍來評估和規劃。通常,適合土壤流和巖石堆積的土地的坡度應約為3°或更小。但是,在土壤形成和巖石堆積之后,蓄能器葉輪的坡度可能會超過5°。因此,當發生土壤和巖石流動時,隨后的斜坡會繼續流過初始積聚風扇。葉輪邊緣的斜度可以為15°或更大。根據上述土石流產生的原因和相關特性,可以計算橋梁的土石流阻力。

4 工程實例分析

4.1 橋梁概況

AB涌A橋位于橋中北路38號。它的總長度為1 760m,寬度為23m,兩車道設計。橋的兩側均為非機動車道。橋梁線長920m。橋梁主干具有3 650m的全新美觀創新型覆蓋范圍。橋上有88個交通信號燈和702個交通信號燈。橋的兩端由清澈的濱河大道兩側相連,北部和南部由鐵路橋和九庫河上的橋相連,形成了美麗的景觀。橋梁的結構和基礎設施將由石柱和在現場澆筑的鋼筋混凝土制成。橋的所有六根支柱都組合在一起。有錨柱橋梁的一根柱子被摧毀,只有六根受到影響的橋柱被破壞,而另一根柱子沒有受到破壞。[11]上層建筑必須具有雙曲拱的形狀。鋼筋混凝土拱的肋骨是橋面板的骨架。純混凝土的拱形波浪將安裝在拱形的肋骨上,以形成橋梁。擋板和支架的上端有中空孔。橋的基本結構如圖1所示。

圖1 橋梁結構圖

為了根據橋梁的實際情況和業主的要求確保橋梁的安全,應定期檢查橋梁,全面評估橋梁的一般技術條件,并確定造成橋梁的原因。對相關的維護、修理、加固和擴展工作進行分析并提供建議。測試內容如下:

(1) 檢查橋面結構:地板層的縱向和橫向坡度是否光滑,是否有裸露的薄膜、骨頭、疏松的骨料、油浸、裂縫(網狀裂縫、縱橫裂縫)、孔洞、洞穴、波浪和不滲透層的滲透。它是平坦的、筆直的、柔性的,還是異常變形的、破裂的、塌陷的、漏水的,防撞壁和防撞柱是否完整、可靠、完好無損、無裂紋,還是折斷、松動,零件損失、腐蝕、剝落等。人行道完好無損還是存在嚴重的裂縫(整齊的裂縫、垂直和水平裂縫)、破裂、不完整、塌陷。

(2) 檢查鋼筋混凝土梁主體:梁的末端和底面是否損壞。如果混凝土有裂縫,則是水滲入、蜂窩、空心、剝落、鐵銹,還是由于堿性骨料的反應而導致全部裂縫。混凝土是否破裂、損壞或腐蝕。[12]

(3) 檢查沉積物和地基:墻壁和地基是否滑、尖或浸沒。如果混凝土風化、破裂、剝落或暴露。噴頭表面清潔,水已滲入延伸部分。圓錐體的坡度完好無損,接頭掉落,切割的零件松動或缺失,形成裂紋。

(4) 支撐測試:支撐是否受到腐蝕、老化、位移等的影響。

(5) 現場數據的收集、分類和核對;

(6) 必須根據測試結果評估橋梁的技術狀況。評估標準分為五個級別:A(好),B(好),C(好),D(不合格)和E(危險)。

4.2 橋梁常規定期檢測

4.2.1 橋面系檢測

檢查橋面系統的各個組成部分并發現以下主要病害:欄桿斷裂、泄漏和腐蝕;橋面板后部的擴展連接已關閉。地板損壞;垃圾堆在橋的甲板上。具體病害見表1和圖2、圖3。

表1 橋面系病害表

圖2 橋面破損

圖3 北側伸縮縫堵塞

4.2.2 上部結構檢測

通過對橋梁上部結構的各構件檢測,發現主要病害,如圖4所示。

圖4 底板蜂窩麻面

4.2.3 下部結構檢測

通過對橋梁下部結構各構件檢測,發現如下主要病害:橋臺存在開裂下沉;橋臺基礎存在掏空。具體病害見表2和圖5、圖6。

表2 下部結構病害表

圖5 橋臺開裂下沉

圖6 橋臺基礎掏空

4.3 BCI評定

從結構病害嚴重程度分析,如按BCI進行評定,本橋得分為85.50,為B類橋。

4.3.1 全橋評分

見表3。

表3 AB涌5#支涌分涌橋BCI評定表

4.3.2 線路評分

見表4。

表4 線路BCI評定表

4.3.3 構件扣分

見表5～表7。

表5 橋面系BCI扣分

表6 上部結構BCI扣分

表7 下部結構BCI扣分

4.4 分析及建議

進行外部檢查后,橋梁的主要病害有:兩側防護欄桿出現裂縫,柱子損壞,橋面甲板上的橫向裂縫,橋墩右側的穿透性裂縫,橋面甲板的損壞,損壞主甲板下板。

4.4.1 分析病害的原因

防撞墻的滲透和腐蝕是由于施工不當引起的。施工期間防撞墻層的厚度不足5 cm,不符合設計和規格要求,并且在日常使用中防撞墻碰撞很容易破裂。外部環境的腐蝕和損壞會導致鋼筋損失,裸露的鋼筋會腐蝕外部空氣并腐蝕鋼。

屋頂的承重能力不足和構造不足會導致支柱斷裂和下沉。在橋梁設計過程中,由于橋梁荷載計算不完全,導致施工過程中地板支座調整不均勻,進而導致橋梁的部分承載力失穩,同時,由于后續操作中的不及時維護,橋柱坍塌沉沒。[13]

放置在梁下部的蜂窩所形成的表面是由于結構不當引起的。蜂窩混凝土表面是橋梁施工中的常見現象。蜂窩孔表面的外觀取決于混凝土在施工過程中的不適當振動以及混凝土顆粒的水平,因此,不良的對齊方式可能會導致澆筑過程中發生絕緣,并在梁的底部塌陷時形成孔。

橋面由于人為因素和混凝土老化而損壞;橋面甲板的損壞是由于在操作過程中負載過大所致。由于橋梁的浮雕,該橋是該地區最重要的運輸橋之一。會有超載的車輛,這會損壞橋梁。

4.4.2 建議

提供以下建議,以總結測試結果、病害分析、結論和可用信息。

(1) 建議對橋梁進行專項檢查,以確保加固設計科學合理。

(2) 及時清潔甲板表面并保持清潔和通行。

(3) 及時填充橋面的損壞部位和護欄的生銹部位。

(4) 及時填充柱底穿孔部位。

(5) 加強橋梁維修前的日常檢查,在緊急情況下,必須立即關閉交通。

5 結 論

本文從世界各國橋梁安全檢查技術的現狀入手,分析了橋梁健康檢查的內容、常用方法和橋梁安全評估,揭示了橋梁安全檢查的內容和方法,并結合工程實例進行了應用分析。從上述分析中可以得出以下結論:

(1) 橋梁檢查可以準確地測量橋面結構、上層建筑和橋梁的破壞程度。

(2) 通過檢查橋梁,我們可以確定橋梁的性能和安全系數,并對二者進行分析以確定橋梁是否需要加固。

(3) 維修期間應定期檢查橋面以及橋底。

橋梁是我們日常運輸系統中的重要設施,但是,許多預期壽命更長的橋梁在正常運行期間會遇到幾次危機。定期檢測使用中橋梁的健康狀況是防止事故發生并確保人員生命和國家財產安全的重要保證。為了能夠較早地識別以及定位橋梁存在的潛在損傷,需要對橋梁進行長期的健康檢測以及定期評估。