钢结构桥梁检测及评估研究.pdf

工 程 技 术产业创新研究 2023.6 第12 期130基金项目：1.2022 年度云南省教育厅科学研究基金项目“土木工程检测技术专业互联网校企合作实践教学体系研究”（项目编号：2022J1373）；2.云南省教育卫生科研工会彭明兴劳模创新工作室。作者简介：1.崔译丹，女，辽宁辽阳人，硕士研究生，助教；研究方向：道路与桥梁、建设工程项目管理；2.左婷（通讯作者），女，云南大姚人，硕士研究生，讲师；研究方向：土木工程。钢结构桥梁检测及评估研究崔译丹 左 婷（云南国土资源职业学院，云南昆明 652501）摘要：受温度、雨雪及外载等复杂外部环境影响，钢结构桥梁会出现性能劣化，进而引发各种工程病害，这些病害大多不会自动修复，需要人为干预。钢结构桥梁的检测、评估是保障结构稳定可靠的关键手段，本文从钢结构常见的检测方法出发，分别探究了静、动载试验的要点，并以此为基础讨论了钢结构桥梁的评估流程、指标，以期能够为我国基础工程建设提供有力支持。关键词：钢结构桥梁；结构检测；结构评估近些年，受到互联网经济快速发展的刺激，物流等交通运输附属行业也随之得到了爆发式发展，路网车流量也与日俱增，且车流组成中大型载重卡车的占比越来越大。在这样的情况下，已有桥梁在数量、体量上都难以适应实际需求，部分桥梁甚至长期处于超载运营。研究表明1-4：部分建成年限较长的桥梁目前仍处于运营中，具有多重安全隐患。针对已建成桥梁展开检测、评估及加固工作，显得尤为紧迫。一、钢结构的主要检测技术（一）主要检测内容钢结构的基本检测内容在于构件外表面是否有材料锈蚀、漆片剥落的现象，此外还应对灰尘积聚、湿度大的位置做重点检测5。可观察判定铆钉焊缝等连接位置是否出现腐蚀、开裂等现象，以及构件外表面是否存在孔洞、裂纹，修饰位置还应当判定锈蚀风险并预测锈迹尺寸。（二）主要检测方法1.无损检测。无损检测综合应用了电子技术、材料学及计算机理论等多领域学科，常见检测方法有渗透检测技术、超声检测技术及射线检测技术等6。2.腐蚀检测。超声波技术能够较为准确地定位腐蚀位置及尺寸；涡流检测技术则主要用于确定腐蚀层厚度，并形成定量的评价；线性极化法在腐蚀速率的测定方面具有显著效果，这一方法不仅能够做到不损坏试件，同时还兼具检测速度快的特点；电阻探针检测法也可用于确定腐蚀速率，若腐蚀材料自身不导电可考虑采用这一方法7,8。二、钢结构桥梁的荷载试验在钢结构桥梁施工结束后，则应及时对桥梁工作状态做出监测评价，这一过程也被称为荷载试验，这也是桥梁检测的一种基本试验。根据所施加荷载类型的不同，桥梁荷载试验可大致分为静力荷载试验及动力荷载试验两类。这两类试验具有不同的试验方法、试验目的及试验内容，在过程参数控制上也有不同侧重点9。（一）荷载试验的意义对钢结构桥梁开展荷载试验的主要意义是评估桥梁结构在试验荷载下的力学状态，能够有效评价结构的安全性10。其常见的应用场合有：1.新建桥梁的检测评定。对新建桥梁开展荷载试验，应当重点关注试验荷载作用下结构的相应挠曲线及最大挠度，以此来评估结构不同位置处的物理、力学状态。试验检测获取的数据，不仅你能够直接评价结构设计、施工质量，同时还有助于完善结构设计理论、维护方案11。2.运营桥梁的检测评定。对部分已建造完成并投入使用的钢结构桥梁，检测其是否能够满足当前车流载荷需求，评估项目是否需要做出加固改建以及加固改建方案如何确定等，都要通过荷载试验综合检测来评估。但桥梁的实际使用中不可避免地会遇到冰冻、台风及地震等多种自然环境扰动，此外撞击、超载形式等不合理使用也会对桥梁结构产生不利影响12。因此，也就要求技术人员能够以检测的方式对钢结构桥梁的损坏情况做出明确，评估其是否能够继续正常工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究131使用以及加固处理的重点。此外，当桥梁的实际需求发生大幅提升时，也需要进一步加固桥梁，甚至采取重建的方式保障桥梁通行能力、安全性能，这一过程也需要通过承载力检测来给予可靠参考。3.验证结构设计正确性。伴随科学技术、建设理念的持续完善，许多高新技术、工艺及材料被提出并应用于钢结构桥梁施工，但这些创新性应用也需要相当体量的试验数据提供参考，为实践奠定理论支持。因此，这同样也需要荷载试验获取创新方案下的承载能力、可靠性数据。（二）钢结构桥梁静力荷载试验钢结构桥梁实际运营中所受的荷载类型主要为静力荷载，譬如随着车辆位置而不断变化的车辆荷载、结构自重等，所以静力荷载也被视为桥梁结构检测的一项基本试验。而将车辆位置而不断变化的车辆荷载纳入静力荷载分析的主要原因在于：一方面便于计算，另一方面车辆移动带来的动态增量影响对于整个桥梁结构而言较为微弱13。基于静力荷载试验能够获取钢结构桥梁的基本特性，为普遍化静力问题建立参数参考，此外静力荷载试验也能够为结构的动力特性研究获取基础参数14。静力荷载试验的主要流程如图 1 所示。图 1 静力荷载试验的流程图（三）钢结构桥梁动力荷载试验钢结构桥梁动力特性主要有自振频率、振型及阻尼比等，这也是桥梁抗震设计的关键参数，并能够较为全面地评定桥梁结构的承载能力。一般来说，钢结构桥梁动力载荷试验包括了两部分内容：一是测定桥梁结构的自振特性、动力响应，二是测定移动车辆作用下桥梁结构上各测点所产生动应变。检测需要综合理论分析、动载试验结果来判定特定荷载下桥梁结构是否处于合理运营状态，评估桥梁结构当前承载能力能否满足实际运营过程中的要求。此外，若桥梁结构中存在病害动力荷载试验也能够用于判断病害对桥梁结构参数产生的影响，并深入研究病害发展规律、病害成因等。综合静载、动载试验结果则可得到较为准确的桥梁质量评价报告，为后续运营期内桥梁的维护、加固提供参考。动力荷载试验的主要流程如图 2 所示。图 2 动力荷载试验的流程图三、钢结构桥梁的评估（一）钢结构桥梁评估流程钢结构桥梁的评估首先要全面收集、分析桥梁的基本特征信息，并制定相应的后续方案。在信息收集环节中需要重点关注的内容有：施工期间的试验资料、运营期间的维护加固资料、结构设计建造资料、各类检测资料等。随后即可针对以上采集得到的信息，以适当分析方法、评估机制做出系统化分析，得到合理评估结果。桥梁结构评估是一项逐步推进、层级明确的工作，具有较为明确的层次性。评估时需要充分利用已有信息，并选择适当分析方式，得到初期评价结果。若初步评价结果难以达到预期要求，那么就需要进一步结合分析需求拓宽信息收集范围，以期能够获得更具针对性评价结果。评估过程所具有的层次性集中反映在评估技术、经济属性上。（二）钢结构桥梁评估指标1.校验系数。试验中桥梁结构的应变、位移变化幅度主要是通过对应指标的校验系数体现：=SeSs（1）其中，Se为载荷作用下实测的应变值；Ss为载荷作用下理论计算的应变。经长时间使用后钢结构桥梁的位移、应变改变量也可用校验系数表征。我国现行规范对于校验系数也给出了限值范围。工 程 技 术产业创新研究 2023.6 第12 期1322.效率系数：=SstS（1+u）（2）其中，S 为标准载荷下测点位置理论计算的应力、变形；u 为试验的标准冲击系数；Sst为标准载荷下测点位置实测的应力、变形。定义桥梁最大载荷量级、最大载荷量级之比为效率系数。按照我国现行设计规范标准，应尽可能保证效率系数接近 1。考虑安全因素的影响，处于使用中的钢结构桥梁一般实测效率系数不为 1。3.自振频率。开展钢结构桥梁检测、评估工作时，结构竖向、横向自振频率往往作为评价体系中的重要指标，且直接反映着结构强弱程度。我国现行设计规范标准对于自振频率也给定了相应限值范围，应确保结构的自振频率处于合理范围内才能保障桥梁安全运营。（三）钢结构桥梁评估过程设计评估钢结构桥梁时，各项结构技术状况的评分应当遵照我国现行评定标准执行，按照给定的分层综合评价方法及五类单项控制指标共同完成评估。也即首先对钢结构桥梁中各构件单独做评分，然后以桥梁部件为对象完成评价，再按照上部结构、下部结构及桥面系的分类方式分别评价，最后形成桥梁整体的技术状况评价，进而得出全桥的技术状况评分 Dr。在上述各计算步骤下，各项计算系数可从现行规范中检索得到。在实际评分时可根据工程情况做出适当细化，针对不同规模体量、结构型式的桥梁工程，计算可选择不同的评价标准，并结合评价目的做出一定调整。钢结构桥梁总体评分中各个组成的权重占比可遵照表 1 选取。表 1 桥梁总体结构组成的权重分配桥梁部位上部结构下部结构桥面系权重0.40.40.2基于表 1，按照 Dr=SPCI0.40+SBCI0.40+DBCI0.20即可计算得到全桥的技术状况评分 Dr。基于多层次评估得到的 Dr 值，依据相应技术状况标准划分等级，并进一步指导后续工作。以梁式桥为例，其各部件的技术状况评分权重可按照表2 选取。参考文献：1 蔡正东，叶敏.某钢结构桥梁火灾后检测评估和安全鉴定 J.桥梁建设，2019，49（z1）：62-67.2 张博.结合有限元分析的钢结构桥梁检测与评估研究 D.重庆：重庆交通大学，2018.3 姚南，张天申，王元清，等.在役桥梁钢结构的损伤检测与安全评估 C/庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2008：1558-1565.4 李志亮.钢架拱桥的检测与评估 J.城市道桥与防洪，2021（05）：242-245.5 蔡正东.高速铁路大跨度钢桁梁桥典型病害及运营安全性分析 J.世界桥梁，2020，48（05）：80-84.6 潘永杰，谷牧，赵欣欣，等.在役公路钢桥可靠性评估方法研究 J.世界桥梁，2014（05）：73-77.7 刘红波，刘东宇，徐杰.天津新港船闸桥锈蚀检测与结构性能评估 J.天津大学学报，2015（z1）：147-150.8 姚南，张天申，王元清，等.北京某景观桥钢结构的检测鉴定与加固设计 J.工程抗震与加固改造，2009，31（01）：90+97-101.9 伍贤智，董晓兵.某预应力混凝土连续梁桥受损评估与加固 J.世界桥梁，2016（01）：83-86.10 刘华，高宗余，刘其伟，等.某预应力混凝土连续梁桥火损评估与加固 J.桥梁建设，2015（04）：81-87.11 周建龙，赵博，金栋，等.桥梁钢结构防腐维修模块化管理及应用 J.中国涂料，2021，36（07）：68-75.12 季云峰，倪迪.大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估J.城市道桥与防洪，2020（11）：107-109+142.13 杨瑞腾.基于图像处理的钢结构桥梁表面病害检测系统 D.武汉：华中师范大学，2021.14 何补春.无损检测新技术在某钢结构桥梁中的应用研究 J.智能城市，2020，6（04）：169-170.表 2 桥梁各部件的技术状况评分表桥梁部位类别评价部位权重部件得分部位得分桥面系1照明、标志0.05703.52排水系统0.1808.03栏杆、护栏0.1606.04人行道0.1606.05伸缩缝装置0.257017.56桥面铺装0.45020.0桥梁部位类别评价部位权重部件得分部位得分上部结构7支座0.12607.28上部一般构件0.18509.09上部承重构件0.75035.0下部结构10锥坡、护坡0.01200.211翼墙、耳墙0.02400.812调治构造物0.02200.413河床0.07402.814墩台基础0.28308.415桥墩0.35015.016桥台0.36018.0续表 2