中小跨径桥梁病害调查与损伤状态的快速识别方法研究

余佳欣,万卫红,相斌辉,闻骥骏,詹钦鹏,吴 多

(1.南昌工程学院,江西 南昌 330099;2.石家庄铁道大学,河北 石家庄 050043)

根据2020年发布的交通运输行业发展统计公报可知[1],目前我国公路桥梁总数已达91.28万座,中、小跨桥梁占比已经超过了86%,且呈现逐年递增趋势。因此,基于中、小跨径桥梁开展现状的调查与分析具有深刻的现实意义[2-3]。

赣北九江地区地处长江水道附近,地势平坦且河道众多,自20世纪90年代以来修建了一大批中小跨径的板梁桥、小箱梁和刚构桥等[4-5]。近十年来,由于城市化进程的加剧与运输行业的急速发展,各类路面、桥梁出现破损的情况层出不穷,这影响了人民群众的生命与财产安全,也对交通运输行业的发展极为不利[6-8]。

近年来,随着“四好农村公路”的修整与交通强国战略的实施,国家对路网扩宽、桥梁改扩建与维修加固的建设经费大力投入,桥梁现状得到了进一步的提升[9]。

为研究当下中小跨径桥梁广泛存在的开裂损伤问题,通过对赣北地区28座桥梁进行损伤病害的调研与分析。采用曲率模态理论,提出一种一阶曲率模态损伤因子比(DFR)的桥梁快速损伤识别方法,采用这一方法对典型中小跨径桥梁进行损伤识别,同时对桥梁监测技术进行了预测和分析。

1 桥梁信息与调查范围

1.1 桥梁基本信息

针对江西九江地区28座常规桥梁现状进行详细调查,各市区县桥梁基本信息如表1所示。

表1 桥梁数量与类别

由表1可知,本次调研桥型主要为空心板桥、箱梁桥和混凝土刚构桥。跨径分布以中小跨径为主,也有部分大跨径桥梁。其中,大跨桥梁主要分布在修水县,以箱梁桥为主,跨度范围在100～450 m之间。中小跨径桥梁为空心板桥,跨径范围均在100 m以内,主要分布在柴桑区和庐山市。从数量分布上看,庐山市调研数量最多,为14座;修水县调研数量次之,为10座;柴桑区调研数量最少,为4座。

1.2 桥梁缺损状况调查

本次桥梁现状的调查主要包括桥面系、上部结构和下部结构的调查等方面[10]。

(1)桥面系

桥面系是桥梁直接承受人车荷载的结构层与附属设施,主要包括桥面铺装、伸缩缝、栏杆、排水设施、照明与铭牌等,对行车的舒适度与安全性均具有一定影响。

(2)上部结构

桥梁的上部结构主要包括上部的梁、板结构与中间传力、耗能的支座等。对于上部梁板,主要关心其开裂下挠、表面露筋、混凝土强度与碳化是否符合要求等。

(3)下部结构

桥梁的下部结构主要包括桥墩、桥台、下部基础与锥坡、耳墙等设施。

2 桥梁现状统计分析

2.1 桥面病害现状

通过对28座桥梁的桥面系、上部结构和下部结构进行细致地检查与观测,可以发现桥面铺装、伸缩缝、排水设施均有不同程度的破损、开裂;支座也有部分外鼓与变形;下部结构中桥台、锥坡等构件也有一定程度的渗水与破损,典型破坏情况如图1～图2所示。

图1 桥面系损伤现状

图2 支座与下部结构损伤现状

2.2 桥面病害现状统计

表2～表4列出了九江地区柴桑区、修水县和庐山市28座桥梁典型的裂缝、磨光露骨、破损和网裂等病害现状,为便于统计分析,桥名以1～28号桥代替。

表2 柴桑区1～4号桥桥面破损数量与类别

其中,柴桑区1～4号桥桥面病害情况如表2所示。

修水县1～10号桥桥面病害情况如表3所示。

表3 修水县1～10号桥桥面破损数量与类别

庐山市1～14号桥桥面病害情况如表4所示。

表4 庐山市1～14号桥桥面破损现状

由表2可知,柴桑区的4座空心板桥病害以开裂为主,均出现了磨光露骨,也有部分桥梁有破损和网裂。由表3可知,修水县的10座箱梁桥与空心板桥病害以竖向裂缝与网裂为主,部分桥面出现磨光和露骨。由表4可知,庐山市的空心板桥主要也以开裂为主。上述病害形式表明,以货运车辆为主要荷载的国、省道公路,在重载车辆长期作用下,桥面易出现竖向开裂与网裂,后期维修加固中应重点关注。

2.3 桥梁支座病害分析

通过深入调查发现,除桥面外,支座部位的损坏也较为严重,图3～图5展示了各支座的病害类别。

图3 柴桑区桥梁支座病害情况

其中,柴桑区4座桥梁的支座病害情况如图3所示。修水县10座桥梁的支座病害情况如图4所示。

图4 修水县桥梁支座病害情况

庐山市14座桥梁的支座病害情况如图5所示。

图5 庐山市桥梁支座病害情况

分析图3～图5可知,桥梁支座病害主要集中在开裂、外鼓、剪切变形和钢板锈蚀等几种,部分支座还有老化、脱空和位移病害。这一现象说明长期荷载是引起支座目前现状的主要原因。

3 桥梁损伤状态的快速识别

3.1 概述

近年来,各类桥梁在其寿命的不同阶段出现了不同程度的损伤,这不仅影响了其施工、使用的安全,还对其长期耐久性和后期的运营寿命造成较大影响。通过对比桥梁结构损伤前后相应的模态振型曲线变化和随运营时间变化的振型曲线变化规律,可对桥梁出现损伤的位置及其损伤程度进行进一步研究分析。

3.2 损伤状态的识别方法

根据曲率模态参数的特点,结合对比传统的曲率模态方法的优缺点与适用性,在曲率模态振型比法[11]的基础上提出一种一阶曲率模态损伤因子比(DFR)的新方法。

依据相关学者提出的曲率模态方法[12],结构各测点对应的曲率ρ可由公式(1)求得。

(1)

式中:r为节点编号;ρ(r)为r节点对应的曲率值;dr-1,r为第r-1节点到r节点的距离;φ(r)为第r节点的位移挠度。

结构各测点损伤前后的损伤因子可由测点对应曲率的二阶导求得,如公式(2)所示。

(2)

式中:dfr为r节点在不同状态下的曲率模态损伤因子。

结构各测点曲率模态损伤因子的比值为Δξ如公式(3)所示。

(3)

式中:Δξ(r)为r节点曲率模态损伤因子的比值;udfr为r节点在结构损伤前的曲率模态损伤因子;adfr为r节点在结构损伤后的曲率模态损伤因子。

结构整体对应的曲率模态损伤因子比值振型ΔT可由公式(4)求得。

ΔT=[Δξ(1)Δξ(1) …Δξ(r) …Δξ(n)]

(4)

3.3 损伤状态的识别验证

采用文献[13]中的相关桥梁数据,对该简支梁预设5%～80%的单损伤工况和20%～90%的多损伤工况,采用DFR方法进行该简支梁的损伤状态识别,其结果如图6所示。

图6 工程算例的损伤状态识别情况

由图6可知,采用一阶曲率模态损伤因子比(DFR)的方法可较好地反映出损伤程度随曲线的变化关系。这一方法不仅剔除了测点疏密对曲率方法识别的影响,而且还强化了损伤识别的效果,得到梁体较明显的曲率模态损伤因子比曲线,对桥梁状态的初步评定具有较好的参考意义。

4 桥梁性能提升现状及预测

4.1 表观耐久性的提升

根据上述研究分析可知,中小跨径桥梁在汽车重载交通、环境侵蚀下桥面系、支座和下部墩台均会发生不同程度的破损、开裂与老化损伤破坏。目前,依托桥梁检测评定结果,常采用材料补强和材料加固两类方式。

(1)材料补强

高强混凝土和钢纤维、聚丙烯纤维等材料具有较高的强度和较好的抗性,常被用于构件的补强施工中。目前,桥面系、伸缩缝等部位的补强常用到高强纤维混凝土材料,这类材料可承担较大的荷载部位与较为恶劣的环境下对桥梁结构进行补强,是目前较为常用的补强方式之一[13]。此外,采用水泥基、聚合物和沥青材料进行注浆补强也是未来材料补强的重要发展方向[14]。

(2)材料加固

通常桥梁的加固都是基于补强原理开展的,即通过提升构件的抗压弯与抗剪能力,从而提高结构的安全与耐久性能。目前,主流的加固方法仍是以粘贴纤维布、外粘钢板为主要手段,但纤维布种类的差异、钢板的粘贴部位与厚度也是目前提升加固效果的研究热点与方向。如高翔[15]通过采用碳纤维布加固和植筋补强的方式,对一座烂尾楼进行续建施工。其结果表明纤维布等纤维材料在不增加截面的同时能有效提升受力性能,且植筋等材料补强方式也能弥补因钢筋锈蚀带来的配筋率不足问题,具有较好的工程效应。

4.2 内部性能的监测

依据结构养护规范的相关规定可知,定期的病害排查与长期的性能监测都是桥梁等结构安全运营的基础与保障。因此,为保障桥梁的长期安全使用与运营,对桥梁进行定期病害排查和长期性能监测是十分有必要的。

(1)定期病害排查

超声波等技术的发展,让桥梁无损检测变为现实。如郝士华等[16]对一座PC连续梁的0号块采用弹性波层析扫描(CT)法进行无损检测,并与取芯结果对比校验,验证了无损检测结果的准确性。姚伟等[17]的试验结果也验证了这一方法的有效性。李永青[18]采用地质雷达检测一座空心板桥,通过混凝土中电磁波走势和速度获得内部钢筋分布和锚索位置等情况,可准确获得混凝土的内部情况。

上述研究可知,目前声波CT、地质雷达等技术的采用大大提升了桥梁内部病害损伤排查的有效性。桥梁定期状态检查与加固效果评定中的有效手段,也是目前桥梁检测的研究方向与热点。

(2)长期性能监测

基于大、中型桥梁的长期健康监测系统已在国内外众多桥梁中被广泛应用。但中小跨径桥梁中,由于费用、成本等因素,大规模采用长期健康监测系统不是特别现实,因此基于中小跨径桥梁开展快速状态与长期性能识别也是目前亟待研究的。

5 结 论

通过对赣北九江地区的28座桥梁进行病害调查,以此为基础进行状态评估,得到如下结论。

(1)基于桥梁现状分析可以得到,以货运车辆为主要荷载的国、省道公路,在重载车辆长期作用下,桥面与支座病破坏较为严重,这一现象说明长期荷载是引起支座目前现状的主要原因,后期维修加固中应重点关注。

(2)基于曲率模态理论提出的一阶曲率模态损伤因子比(DFR)方法,能够使桥梁损伤部位的模态曲线产生较大突变,满足初始损伤定位的需求。

(3)通过对桥梁性能提升进行分析可以发现,目前对于中小跨径桥梁而言,开展快速状态与性能识别是亟待研究的。