桥梁健康检测分析与安全评价

高 昕, 苏树林

(福建林业职业技术学院,福建 南平 353000)

0 引 言

回首世界各地不同国家的桥梁技术检查的状况[1],并通过实例说明了检测桥梁状况的内容和方法,得出检测桥梁的健康状况对评估桥梁尤为重要。

但由于交通压力的增加以及桥梁在交通网络中的重要作用,手动检测桥梁的起源无法满足桥梁的维护需求,并且难以预防。主要表现如下:

(1) 定期检查,停顿时间长,缺乏连续检测数据和检测数据不是动态检测信息;它们并不总是能在紧张或恶劣的环境中反映桥梁的运行状况,也不能起到预防或发信号的作用。

(2) 高度测量是手动完成的,由于读取误差、视角、天气条件和温度等因素,测量精度不高。

(3) 每次检查都需要充分准备。从组织车辆装载、调试测试设备到安装楼梯,安装和拆卸传感器以及组织人员阻止交通,不应该排除所有环节,这需要大量的人力和物力和财力。

1 概 述

1.1 桥梁健康检测与安全评价的重要性

随着桥梁施工技术和设计理论的不断发展,使桥梁结构形状变得越来越复杂。根据桥梁的复杂性和独特性,我们可以实施先进且全面的实时健康监控系统,对潜在的安全威胁做出快速响应,及时评估损坏,警告安全桥的危险和负载,整合隐藏的威胁,确保桥梁安全。

在桥梁的长期使用中,不可避免地会发生各种使用、交通事故和维护不当导致的结构损坏且某些道路上的交通量比预期的要高。这些因素会导致桥梁寿命和承载能力的降低,并直接影响桥梁的安全性。现阶段有维护、转换和加固等问题待解决。这些工作必须根据桥梁的健康检查和安全评估正确进行。这就突出了定期检查和桥梁安全评估的重要性。

1.2 桥梁健康检测的内容和依据

桥梁状态检测的内容涉及桥梁应变检测、桥梁动力特性、主梁动态应力检测和检测温度分布等。

桥梁应变检测:主梁在其自身载荷下的轴线位置是桥梁安全性的重要指标。在负载下,主梁的挠度不仅是甲板整体刚度的重要指标,而且还可以反映甲板上的载荷。桥梁变形检测可以包括整个桥梁的健康状况。

桥梁动力和振动水平的确定:桥梁的动力特性包括桥梁的频率、模式和振动阻尼之间的关系,这是桥梁安全的通用标准。

确定主梁的动态应力:斜拉桥的主梁是斜拉桥结构系统随时间推移的关键要素。它也是车辆运输者和公共货物。这直接受到负载的影响,很容易受到局部异常负载的影响。这会造成更大的损失,并且对梁的结构和性能具有最直接的影响。通过检查主梁表示中的动态应力,可以了解主梁的应力状态和电缆桥架的主应力。这是监视车辆负载和执行结构疲劳分析所必需的。

检测温度分布:通过测量诸如支柱和桥梁等代表性零件的温度,检查设计基准或计算结果对计算出的桥梁温度的影响,并对性能桥梁的安全性进行实际评估。

桥梁质量的下降会导致自然振动的性质发生变化。例如,当其他条件不变时,桥梁刚度的降低导致桥梁固有频率的降低。更改本地桥梁布置的形状可能表明存在对桥梁的局部损坏。监视此内容可用于了解整个桥梁的运行状况。[3]

2 桥梁健康检测的常用方法

2.1 混凝土结构无损检测

无损检测用于通过声、光、热、电、磁和放射性相互作用检测材料、零件和设备的各种内部和表面宏观缺陷,而不会对其造成损坏。确定位置、大小、形状和方法。

2.1.1 混凝土强度的无损检测

无损混凝土强度测试通常使用两种或多种方法来确定许多参数的总强度,称为混凝土强度恢复方法。[4]

2.1.2 混凝土内部缺陷的无损检测

超声波脉冲法是目前最常用的缺陷检测方法。近年来,要考虑两个领域:接收波形信号的分析和超声脉冲辐射的高速自动检测。为此,必须进行超声波测量,因为混凝土的内部缺陷很难用肉眼或其他工具进行测量。

2.1.3 混凝土其他性能的无损检测

通过不尽相同结构功能,混凝土的性能要求超过了传统的质量参数,例如抗压强度和缺陷。为了满足这一需求,无损检测技术领域已经扩展到性能的其他方面。近年来开发的渗透性方法就是其中之一,它通过防止液体或气体渗透到混凝土中来间接反映混凝土结构的强度。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测量混凝土中水泥的含量。其中两种也是此类实验的新方法。

混凝土结构的非破坏性测试相对容易使用,对混凝土构件的损害最小,但是测试数据和结果的可靠性相对较低,通常用于识别。

2.2 混凝土结构半破损检测

所谓的混凝土结构的半破坏性测试不会影响工件的承载能力,并且可以假定直接在部件上进行了局部断裂测试,或者为了测试目的直接钻了型芯。这样做的优点是,由于通过局部破坏性试验获得了混凝土的强度,因此更容易且更可靠。缺点也是显而易见的:结构局部损坏和需要维修,使其不适合大面积的全面检查。[5]

2.3 钢结构无损检测

内部焊接缺陷的无损检测:超声波检测焊接缺陷,根据接头类型将焊接接头分为四类:对接接头、角接头、T形接头和对接接头。对接接头主要用于检测钢结构中的焊接缺陷。角度探头用于检测单面和单面焊接缺陷,无须检查横向焊接缺陷。如果基材的厚度大于50mm,则不应使用此方法。原则上,角度探针用于检查焊缝两侧的整个焊缝。如果基材的厚度大于100mm,则必须检查焊缝的两侧。如果条件允许,有必要检测横向焊接缺陷。要检测焊缝一侧的双边缺陷,至少定位两个尖端和两个角,并检测正向和负向的横向焊缝缺陷。其他附加条件包括:缺陷长度测量作业中使用的测量方法包括相对灵敏度长度测量,终点相对灵敏度长度测量和绝对长度测量。如果故障只有一个波长,则使用相对灵敏度长度方法测量误差读数,并沿着焊缝的长度左右旋转探针,以便故障回波从最高点开始。断点的回波和dB值在故障的两端减小到指定值,因此,探头上两点之间的距离被假定为误差读数的长度。当误差具有多个波高点时,使用相对终点灵敏度测量方法来测量误差指示的长度。将样本移离断层两端的波的最后一点,并将波高降低到指定的dB值。在这种情况下,探头两点之间的距离对应于故障的指定长度。当故障回波很小并且认为故障检测器的长度是必需的时,通常使用绝对的方法来测量传感器的长度。角焊缝和T形焊缝缺陷通常是使用斜探头在条带上检测到的。对于探伤级别,应将其包括在A级探伤中;对于T形焊缝,可使用翼形桥上的直探头来检测损坏,以准确确定其未完全扎根的宽度。[6]对于小于20mm的机翼,可以使用直的双晶探头,尤其是当隔音板平行于焊缝边缘的长度时。

对于X射线焊接方法,必须考虑辐射源和用于透射X射线检查的胶片的几何布置。射线照相错误的几何定位可分为四种类型:单层透射,双层透射,多向透射和轨道全景透射。在放射线源和胶片之间旋转探伤区。辐射源与工作表面之间应保持一小段距离,薄膜固定在零件上。这种布置的主要条件是将辐射源放置在房间的前面,并且在辐射源和房间之间没有其他障碍。它适用于外径大于89mm且不打内壁的腔密封圆柱形零件。当检测到这种类型的缺陷时,必须在通过双壁的厚度将梁固定到梁的一侧上检测薄膜。此布置适用于直径小于89mm的管道以及类似条件。辐射穿过双壁,同时对上下壁进行拍摄以检测错误。本发明涉及通过将膜放置在圆形部分的外表面上并将辐射源放置在内孔的中心来平移膜的方法。

焊缝表面缺陷的无损检测。磁粉探伤广泛用于检测铁磁材料(如钢焊接)。表面和表面缺陷(裂纹、中间层、插入物、褶皱、孔等)。磁场测试的基本原理是,当铁磁性材料被磁场强力磁化时,如果材料表面或垂直于磁场方向的附近存在任何缺陷,则磁场线会溢出并造成磁场的损失。如果将磁性粉末或磁性悬浮液施加到可渗透磁场上,逸出的磁场将吸引磁性粉尘并显示出缺陷的痕迹。磁粉故障检测在感应材料的表面上具有最高的灵敏度,并且随着缺陷聚集深度的增加,其灵敏度会迅速降低。此外,磁粉测试仅适用于检测铁磁材料中的表面和近端缺陷,不适用于检测奥氏体不锈钢和不锈钢零件铝镁合金中的表面和近端缺陷。这些材料的表面缺陷只能用于其他测试方法(如液体渗透)。

液体渗透率缺陷技术解决了检测通过检测磁性颗粒缺陷不能满足的误差的问题。它使用荧光绿色或渗透性红色,并具有良好的渗透性基本原理以减少间隙(如裂缝)。处理后会出现裂纹扩大的迹象,例如渗透和清洁。通过目视检查并正确评估错误的程度和性质。[7]

2.4 预应力混凝土结构检测

与常规的钢筋混凝土相比,预应力混凝土具有独特的特性。它使用牵引杆来构造具有内部应力的混凝土结构。预应力电缆是关键的结构元素,其冲击或跌落与张力直接相关。钢筋混凝土结构的安全性、使用性、耐久性和工程实践表明:钢筋电缆严重损坏所引起的钢筋混凝土结构损坏是无法弥补的。由于其他因素(例如混凝土爬坡器)而引起的应力变化会发生变化,并且随着电缆内部应力的变化,相同的滑动速度也会发生变化。故很难在应力、环境、负载等不同条件下进行划分。当前,在服务设施中评估混凝土的方法,检测技术正在迅速发展。我们从通常的静态和动态测试阶段转移到评估结构的整体操作性能,转向本地损坏数据和合并本地数据的新阶段。

3 桥梁安全评价

3.1 桥梁安全的耐震评价

据统计,世界上每年有数百万次地震,但其中大多数是人类无法感受到的小地震。只有大于5级(请参阅地震强度)的强烈地震才可能导致灾难,每年平均发生10次以上。近年来,在许多受地震影响的国家(例如日本和美国),对大桥进行了地震勘测。中国在研究在地震灾区天津郊区修建的细长混凝土索桥的抗震性能中得出桥梁地震破坏的直接原因是:①在强烈地震期间,地理和地貌发生了巨大变化(裂纹、裂缝等),河床将在两侧滑动。定向到河流中心,桥梁结构损坏。②地震当河床中的沙子液化时,基础可能会损坏,桥柱基础会明显松动或不均匀。③在地震惯性作用下,桥梁结构某些部位的内力或位移超过了结构强度,且材料的强度能够承受极限,造成各种程度的破坏。

影响桥梁工程抗震能力的因素是结构的地震风险和易损性。以前的地震破坏预测方法可估算地震影响下建筑物的破坏和损失,但无法评估该属性以及物体的抗震能力;通常只考虑某些地震活动的影响,而没有充分考虑其他潜在的地震风险;无法比较不同结构的建筑物之间的地震差异。[5]

对桥梁结构抗震性能的评估是对桥梁易受地震引起的破坏的评估。例如,雷俊清提出了地震破坏脆弱性的概率评估方法,并讨论了影响变形和强度两类的25个关键因素。任宝双提出了一种评估简单钢筋混凝土桥梁结构的综合方法,开发了其分类等级指标体系,测量了混凝土的裂缝宽度(弹性开裂和电缆开裂)以及混凝土的腐蚀速率面积和钢的腐蚀、级别(如果保护层脱落)、强度、安全性(即承载能力)和可用性。[8]

3.2 桥梁安全的荷载评价

对于桥梁的静载荷测试,常规货车通常使用装载设备,例如大型卡车、拖车、自卸车、油轮和建筑机械;也有单轴或多轴货物拖车和自行式车辆。测量桥梁自然振动特性的实验方法有三种类型[9]:第一类是通常用来激发桥梁的突然加载和卸载方法,例如跳跃、掉落、撞击和小型火箭。第二类的工作使用特殊的轴向电液惯性振动,以可调节的频率点火或进行共振测试。第三类使用脉冲信号测试和分析,使用记录器在空载电桥上记录随机脉冲信息,然后使用信号,最终由处理器执行频谱分析,获得多种模式的唯一值。

3.3 桥梁安全的河川耐洪能力评价

洪水期间对梁结构的主要破坏体现在以下几个方面:桥柱的磨损、滑溜、沉陷和严重的基础坍塌。由于河流的突然流动,圆锥形的斜坡、墙壁、堤防和其他辅助结构坍塌并失去了功能。当桥梁开口不提供洪水流量时,山顶的快速流动会导致桥梁甲板的洪水泛滥,强大的水力作用会破坏上部结构如栏杆、甲板、盖板、支柱甚至主梁等结构。由于漂浮物体和安装在河中的船只的碰撞,导致桥梁结构的稳定性丧失。如果结构强度大于或等于有害作用,则该结构是安全可靠的。否则会导致结构故障。为了减少对洪水桥的影响,有必要使洪水破坏的强度、桥梁的抵抗机制的特性、洪水的最小强度和集中度最小化,并提高抗洪能力。双方之间的密切协调是应对洪灾的可行方法。

3.4 土石流桥梁安全评价

由于强烈的水流脉冲,与河床接触的表面上的土壤以及岩石的不规则性,可能在河床中发生侵蚀。冲积岩通过后,河流的表面将被严重侵蚀,这可能在山谷的两侧形成斜坡。当空心地面塌陷到淹没的岩石中时,地下的空心地面和岩石随着石头的通过而加深并加宽。但是,流入山谷的冲积岩会流动,当脱水后,它会在山谷中冻结并停滞。这些暂时积聚的冲积岩石会随着雨水的回收而再次下沉。[10]

在一个平坦的流域中,河流的上游经常发生大规模的滑坡,形成了岩石土壤和沙质物质的来源,并且没有防止岩石出现的保护措施。 因此,泥石流从山谷口流出多次,积聚在扇形区域,并覆盖了地球山谷中的岩石,河流的流动可通过其范围来评估和规划。通常,适合土壤流和岩石堆积的土地的坡度应约为3°或更小。但是,在土壤形成和岩石堆积之后,蓄能器叶轮的坡度可能会超过5°。因此,当发生土壤和岩石流动时,随后的斜坡会继续流过初始积聚风扇。叶轮边缘的斜度可以为15°或更大。根据上述土石流产生的原因和相关特性,可以计算桥梁的土石流阻力。

4 工程实例分析

4.1 桥梁概况

AB涌A桥位于桥中北路38号。它的总长度为1 760m,宽度为23m,两车道设计。桥的两侧均为非机动车道。桥梁线长920m。桥梁主干具有3 650m的全新美观创新型覆盖范围。桥上有88个交通信号灯和702个交通信号灯。桥的两端由清澈的滨河大道两侧相连,北部和南部由铁路桥和九库河上的桥相连,形成了美丽的景观。桥梁的结构和基础设施将由石柱和在现场浇筑的钢筋混凝土制成。桥的所有六根支柱都组合在一起。有锚柱桥梁的一根柱子被摧毁,只有六根受到影响的桥柱被破坏,而另一根柱子没有受到破坏。[11]上层建筑必须具有双曲拱的形状。钢筋混凝土拱的肋骨是桥面板的骨架。纯混凝土的拱形波浪将安装在拱形的肋骨上,以形成桥梁。挡板和支架的上端有中空孔。桥的基本结构如图1所示。

图1 桥梁结构图

为了根据桥梁的实际情况和业主的要求确保桥梁的安全,应定期检查桥梁,全面评估桥梁的一般技术条件,并确定造成桥梁的原因。对相关的维护、修理、加固和扩展工作进行分析并提供建议。测试内容如下:

(1) 检查桥面结构:地板层的纵向和横向坡度是否光滑,是否有裸露的薄膜、骨头、疏松的骨料、油浸、裂缝(网状裂缝、纵横裂缝)、孔洞、洞穴、波浪和不渗透层的渗透。它是平坦的、笔直的、柔性的,还是异常变形的、破裂的、塌陷的、漏水的,防撞壁和防撞柱是否完整、可靠、完好无损、无裂纹,还是折断、松动,零件损失、腐蚀、剥落等。人行道完好无损还是存在严重的裂缝(整齐的裂缝、垂直和水平裂缝)、破裂、不完整、塌陷。

(2) 检查钢筋混凝土梁主体:梁的末端和底面是否损坏。如果混凝土有裂缝,则是水渗入、蜂窝、空心、剥落、铁锈,还是由于碱性骨料的反应而导致全部裂缝。混凝土是否破裂、损坏或腐蚀。[12]

(3) 检查沉积物和地基:墙壁和地基是否滑、尖或浸没。如果混凝土风化、破裂、剥落或暴露。喷头表面清洁,水已渗入延伸部分。圆锥体的坡度完好无损,接头掉落,切割的零件松动或缺失,形成裂纹。

(4) 支撑测试:支撑是否受到腐蚀、老化、位移等的影响。

(5) 现场数据的收集、分类和核对;

(6) 必须根据测试结果评估桥梁的技术状况。评估标准分为五个级别:A(好),B(好),C(好),D(不合格)和E(危险)。

4.2 桥梁常规定期检测

4.2.1 桥面系检测

检查桥面系统的各个组成部分并发现以下主要病害:栏杆断裂、泄漏和腐蚀;桥面板后部的扩展连接已关闭。地板损坏;垃圾堆在桥的甲板上。具体病害见表1和图2、图3。

表1 桥面系病害表

图2 桥面破损

图3 北侧伸缩缝堵塞

4.2.2 上部结构检测

通过对桥梁上部结构的各构件检测,发现主要病害,如图4所示。

图4 底板蜂窝麻面

4.2.3 下部结构检测

通过对桥梁下部结构各构件检测,发现如下主要病害:桥台存在开裂下沉;桥台基础存在掏空。具体病害见表2和图5、图6。

表2 下部结构病害表

图5 桥台开裂下沉

图6 桥台基础掏空

4.3 BCI评定

从结构病害严重程度分析,如按BCI进行评定,本桥得分为85.50,为B类桥。

4.3.1 全桥评分

见表3。

表3 AB涌5#支涌分涌桥BCI评定表

4.3.2 线路评分

见表4。

表4 线路BCI评定表

4.3.3 构件扣分

见表5～表7。

表5 桥面系BCI扣分

表6 上部结构BCI扣分

表7 下部结构BCI扣分

4.4 分析及建议

进行外部检查后,桥梁的主要病害有:两侧防护栏杆出现裂缝,柱子损坏,桥面甲板上的横向裂缝,桥墩右侧的穿透性裂缝,桥面甲板的损坏,损坏主甲板下板。

4.4.1 分析病害的原因

防撞墙的渗透和腐蚀是由于施工不当引起的。施工期间防撞墙层的厚度不足5 cm,不符合设计和规格要求,并且在日常使用中防撞墙碰撞很容易破裂。外部环境的腐蚀和损坏会导致钢筋损失,裸露的钢筋会腐蚀外部空气并腐蚀钢。

屋顶的承重能力不足和构造不足会导致支柱断裂和下沉。在桥梁设计过程中,由于桥梁荷载计算不完全,导致施工过程中地板支座调整不均匀,进而导致桥梁的部分承载力失稳,同时,由于后续操作中的不及时维护,桥柱坍塌沉没。[13]

放置在梁下部的蜂窝所形成的表面是由于结构不当引起的。蜂窝混凝土表面是桥梁施工中的常见现象。蜂窝孔表面的外观取决于混凝土在施工过程中的不适当振动以及混凝土颗粒的水平,因此,不良的对齐方式可能会导致浇筑过程中发生绝缘,并在梁的底部塌陷时形成孔。

桥面由于人为因素和混凝土老化而损坏;桥面甲板的损坏是由于在操作过程中负载过大所致。由于桥梁的浮雕,该桥是该地区最重要的运输桥之一。会有超载的车辆,这会损坏桥梁。

4.4.2 建议

提供以下建议,以总结测试结果、病害分析、结论和可用信息。

(1) 建议对桥梁进行专项检查,以确保加固设计科学合理。

(2) 及时清洁甲板表面并保持清洁和通行。

(3) 及时填充桥面的损坏部位和护栏的生锈部位。

(4) 及时填充柱底穿孔部位。

(5) 加强桥梁维修前的日常检查,在紧急情况下,必须立即关闭交通。

5 结 论

本文从世界各国桥梁安全检查技术的现状入手,分析了桥梁健康检查的内容、常用方法和桥梁安全评估,揭示了桥梁安全检查的内容和方法,并结合工程实例进行了应用分析。从上述分析中可以得出以下结论:

(1) 桥梁检查可以准确地测量桥面结构、上层建筑和桥梁的破坏程度。

(2) 通过检查桥梁,我们可以确定桥梁的性能和安全系数,并对二者进行分析以确定桥梁是否需要加固。

(3) 维修期间应定期检查桥面以及桥底。

桥梁是我们日常运输系统中的重要设施,但是,许多预期寿命更长的桥梁在正常运行期间会遇到几次危机。定期检测使用中桥梁的健康状况是防止事故发生并确保人员生命和国家财产安全的重要保证。为了能够较早地识别以及定位桥梁存在的潜在损伤,需要对桥梁进行长期的健康检测以及定期评估。