振動測試技術在公路橋梁耐久性評估中的應用

摘 要：耐久性評估是判定公路橋梁剩余耐久年限是否滿足預期使用年限需求的重要手段，對于防止耐久性病害進一步惡化，保障公路橋梁安全性和使用年限具有現實意義。本文清醒地認識到我國公路橋梁養護需求巨大的客觀事實，通過回溯公路橋梁耐久性評估的歷史演進，明確振動測試技術優勢，并分析公路橋梁環境振動測試技術、余震測試技術、沖擊振動測試技術的優劣勢，提出振動測試技術在公路橋梁耐久性評估中應用的方法，分別是構建公路橋梁耐久性評估體系、合理選用和安裝傳感器、靈活控制測試時機與時長，從而為公路橋梁維護和預防性養護提供參考。

關鍵詞：振動測試技術 公路橋梁 耐久性評估

公路橋梁，即為滿足車輛和行人通行需求，在山谷、河流等特殊地形和平面相互交叉的城市道路上修建的橋梁。通常公路橋梁的構造較為復雜，包括路基工程、路面工程、橋梁工程、隧道工程和交通工程等部分，是交通的重要組成部分，對產業流通、經濟發展等起到不可替代的作用。

改革開放以來，我國持續突破建設技術，公路橋梁建設規模日益壯大，已形成“穿山、越海、進城”建設格局，規模和技術水平均已躋身世界前列。據交通運輸部公布的數據[1]，全國公路橋梁總數和總長逐年遞增，截至2023年末，我國公路橋梁總數共計107.93萬座，同比增長4.46%；公路橋梁總長達9528.82萬延米，同比增長11.1%（如表1）。

從淺層來看，公路橋梁是交通事業發展的關鍵，從深層來看，公路橋梁是國家或地區經濟實力、生產力發展等綜合競爭力的體現，承載著大眾生命財產安全，合理養護對保障其安全性和使用年限至關重要。以歐洲1967年完工的首座鋼筋混凝土斜拉橋莫蘭迪大橋為例，使用51年后，于2018年垮塌，不僅嚴重影響意大利西北部及其通往法國的交通網絡，還造成了至少43人死亡。調查報告指出，橋梁養護缺失是大橋坍塌的主要原因，截至垮塌之日，橋梁主鋼筋腐蝕度達68%，鋼筋性能降低50%。

公路橋梁通常面臨一般大氣環境，以及海洋、鹽漬、酸雨、凍融等復雜環境，這些環境會降低其緩凝土強度、鋼筋性能等，尤其是我國作為橋梁大國，當前不少公路橋梁已步入關鍵養護期，性能退化趨勢較為明顯，養護需求巨大[2]。耐久性評估是判定公路橋梁剩余耐久年限是否滿足預期使用年限需求的重要手段[3]，探究耐久性評估的有效技術手段，是定期對公路橋梁進行耐久性評估，并制定合理有效的養護方案，防止耐久性病害進一步惡化的關鍵。

1 公路橋梁耐久性評估的歷史演進

由于我國公路橋梁規模龐大、交通運輸需求量大，自新中國成立以來，國家就高度重視公路橋梁養護水平，早在1958年，交通運輸部就制定并發布了第一部《公路養護技術規范（修訂草案）》，引領耐久性評估工作開展。

回溯歷年來公路橋梁耐久性評估規范，大致可分為三個發展階段。第一個階段為初始萌芽期（1958年至1985年），這一階段我國公路橋梁耐久性評估依據不足，僅開展了簡單的定性判斷，存在評估內容不全面、評估人員技術能力和評估市場不規范，以及檢測與養護相對滯后，預防作用不顯著等問題[4]；第二個階段為借鑒發展期（1989年至2004年），這一階段我國公路橋梁耐久性評估積極借鑒國外先進思想，陸續發布《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》《公路橋梁養護管理工作制度（工公管字〔1991〕77號）》《公路養護技術規范（JTJ 073-96）》《公路橋涵養護規范（JTG H11-2004）》《公路橋梁養護管理工作制度（交公路發〔2007〕336號）》等文件，并開始綜合考慮各個部件的權重；第三個階段為特色完善期（2011年至今），這一階段我國極大提升了對養護工作的重視度，對公路橋梁耐久性評估更加細致，并基于技術發展總結出了評估經驗，發布《公路橋梁技術狀況評定標準（JTG/T H21-2011）》《公路橋涵養護規范（JTG 5120-2021）》等更具針對性的文件，但在公路橋梁數據采集等方面還有不足[5]，需要進一步探究高水平測試技術。

2 公路橋梁耐久性振動測試技術類型

振動測試是結構健康檢測的有效方法，在工程中的應用愈加廣泛，在公路橋梁耐久性評估中的作用也日益凸顯。根據不同測試機理，公路橋梁耐久性振動測試技術可分為不同類型，本文對常用的三類振動測試技術進行分析，以明確其優劣勢及適用場景。

2.1 公路橋梁環境振動測試技術

環境振動測試是公路橋梁結構健康檢測的重要方式之一，其原理是在風荷載、地脈動、車輛荷載等公路橋梁的客觀自然環境激勵下，測試公路橋梁結構的自振特性，并識別固有振型、自振頻率以及阻尼比等模態參數[6]。這類測試技術具有四個突出優勢：第一，由于環境振動測試不需要人為地施加激勵，且僅需測得結構響應，故測試過程不干擾公路橋梁的正常通行，操作更加便捷；第二，由于僅使用自然激勵，省去了人工激勵及其昂貴的激勵設備費用，測試成本較低；第三，這一方式省去了人為加載以及測試加載信號等步驟，測試時間上具備優勢；第四，不會對公路橋梁造成損傷。與此同時，環境振動測試技術也存在一些不可忽視的問題，例如環境振動測試得到的只有公路橋梁在環境振動下的響應數據，其輸入信息無法測到，還需要應用系統和模態參數識別技術來識別結構系統。

2.2 公路橋梁余振測試技術

公路橋梁余振測試的技術原理是利用運行的車輛為激勵荷載，利用拾振器測量車輛行駛過后的余振響應，再利用傅立葉變換將振動信號轉變為幅值譜，取幅值譜上最大峰值點對應的頻率為公路橋梁的自振頻率[7]。這類測試技術與環境振動測試技術有相似優勢，由于僅使用了車輛激勵，也能省去人工激勵及其昂貴的激勵設備費用，省去了人為加載以及測試加載信號的時間，并實現無損測試，但相對環境振動測試而言，表現出干擾工橋梁正常運行的顯著劣勢。此外，這類測試技術在數據分析中對余振波形要求較高，往往需要多次測量，若幅值譜僅有一個峰值點則自振頻率確定較為容易，但在實際操作中發現，幅值譜一般會出現數值接近的多個峰值，此時就需要測試人員根據經驗進行判斷，提高了最終結果的主觀性，對測試結果的準確性形成影響。

2.3 公路橋梁沖擊振動測試技術

沖擊振動測試的激勵方式與以上兩種技術截然不同，需要人為施加外部激勵，其原理是人為利用捶打或激振器等其他激勵設備沖擊公路橋梁上的一個或多個測試點，通過觀察沖擊力和沖擊作用下的結構反應，得到測試數據。通過技術對比，能夠明確沖擊振動測試技術的顯著優勢：第一，此技術受人為控制，能夠在車輛行駛的間隙測試，不影響正常通行；第二，省去了測量力信號的步驟，僅需測量響應信號即可；第三，這類技術由于施加的是人為激勵，輸入力已知，彌補了環境振動測試中無法得到輸入信息的缺陷，除了能得到公路橋梁結構模態參數，還能識別結構的位移柔度矩陣，并進一步識別靜力特征等特性[8]。同樣，此技術也存在部分缺點，例如由于人工激勵是外加于公路橋梁上的力量，可能會對作用部位造成損傷，并且伴隨激勵的能量增大，損傷可能性也會增大，只能在公路橋梁部分結構上實施。

3 振動測試技術在公路橋梁耐久性評估中應用的方法

3.1 構建公路橋梁耐久性評估體系

公路橋梁耐久性評估事關為什么評估、怎樣評估、評估什么三個問題，前文對耐久性評估釋義，已明確了第一個問題。我國公路橋梁耐久性評估步驟通常為收集信息、處理信息和評估決策三部分，明確了第二個問題，那么構建公路橋梁耐久性評估體系就是回應第三個問題。

公路橋梁耐久性評估體系構建應分為評估等級劃分、評估要素整理、影響因素識別三個部分，其中評估等級劃分和評估要素整理應依據《公路橋梁技術狀況評定標準》（以下簡稱《標準》）執行，按照《標準》所描述的公路橋梁狀況將其分為5個等級，評估要素應納入上部結構、下部結構、橋面系三個部分。此外，由于公路橋梁所處環境不同，其影響因素存在差異，應全面考慮環境特征進行識別。例如跨海橋梁所處環境為海洋環境，氯離子會直接導致鋼筋銹蝕，同時還存在蜂窩、掉角、裂縫加速氯離子侵入和混凝土碳化，混凝土保護層厚度降低加速鋼筋銹蝕等問題，與鋼筋銹蝕程度也有一定關聯。

3.2 合理選用和安裝傳感器

不同傳感器適用條件不同，在選用傳感器時，應以《建筑工程容許振動標準》（GB 50868-2013）為依據，測試振動信號頻率不大于10 Hz時，可選用位移型或速度型傳感器；進行寬頻帶沖擊機器的振測試時，可同時選用位移型和速度型傳感器；進行機械設備振動測試時，可選用加速度傳感器。

為保障測試正常進行，應合理安裝傳感器。首先，振動測試技術通常采用三分量測試方式，安裝傳感器時應確保安裝工件自振頻率是公路橋梁的5到10倍以上，從而減少寄生振動；其次，安裝傳感器的公路橋梁結構表面要平整干凈，從而使傳感器與平面牢牢連接；最后，為避免測量幅值誤差，要保持待測方向和傳感器安裝方向同向。

3.3 靈活控制測試時機與時長

基于振動測試技術的不同，測試的時機與時長也要靈活控制。例如余振測試技術會受到其他振動干擾，宜選擇在夜間安靜的時段進行測試，減少人類活動對測試結果造成的影響，提升準確性。并且由于此技術數據分析對余振波形要求較高，在測試期間應多次記錄振動數據，加長數據采集時間。

4 結語

回望我國公路橋梁養護和耐久性評估的相關規范，能夠明確合理養護對于公路橋梁安全性和耐久性的重要作用。振動測試技術作為公路橋梁耐久性評估的重要手段，當前應用較為廣泛。技術人員應明確不同類型的振動測試技術優劣勢，通過構建公路橋梁耐久性評估體系、合理選用和安裝傳感器、靈活控制測試時機與時長，發揮振動測試技術在公路橋梁耐久性評估中的優勢，對公路橋梁當下狀況進行評估，有效地支持公路橋梁維護管理決策。

參考文獻：

[1]交通運輸部.2023年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL]（2024-6-18）[2024-11-24].https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202406/t20240614_4142419.html.

[2]文學.公路橋梁養護管理要點及技術狀況評定研究[J].交通科技與管理，2024，5（17）：180-182.

[3]王璐瑤，常興科，張海君.基于Random Forest和層次分析法的混凝土連續梁橋耐久性評估[J].沈陽大學學報（自然科學版），2024，36（03）：255-261.

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[7]岳增峰，劉近龍.振動測試技術研究與工程應用[J].福建建筑，2021（09）：159-162.

[8]Qi Xia，Jiang wei Zhou，Ya ru Yang，Lin qing Wang，Jian Zhang . Bearing condition assessment of a simply elastic supported beam based on impact vibration testing [J]. Advances in Structural Engineering， 2024， 5（27）： 819-834.