桥梁评估及加固技术研究
2015-04-21
随着国民经济持续快速的发展，我国交通运输事业也迎来一个辉煌的时代。据不完全统计，截至到2009年，我国公路桥梁达60万座。桥梁的设计及施工技术已经处于世界先进水平。但众多桥梁中出现问题的也为数可观，垮塌事件屡屡发生。垮塌原因覆盖从设计、施工到运营、管理各个环节。如何评价现有桥梁的实际承载力与安全度问题、如何及早检查发现桥梁产生的损伤及异常现象，正确地鉴定结构物地损伤程度，从而采用合理的维修加固方法已成为世界范围的研究热点课题。
混凝土结构病害常见的表现型式有裂缝、破损、钢筋锈蚀等，目前常用的检测手段可以检测混凝土强度、混凝土缺陷、钢筋位置、裂缝宽度、深度等，通过对这种对局部缺陷的检测，达到对结构做整体性的技术状况评级。这种方法已被很多国家采用，并积累了大量的经验。但这种用局部检测来评价结构整体状况毕竟带有一定的主观因素。因此世界上掀起了结构损伤识别和剩余承载力研究的热潮。
损伤识别的基本思想是认为结构某些特性（比如刚度）的改变会导致结构的某些响应（如固有频率、模态、挠度和应变等）发生变化，这种特性的改变（相对于完好结构——成桥时的状态或设计状态）就是损伤。而损伤识别需要回答的问题是：结构内是否存在损伤？损伤的位置在哪里？损伤的严重程度怎样？围绕这三个问题，人们提出了各种损伤识别方法（大都源于航空航天工程）。
损伤研究的方法总的来讲可分为有模型法和无模型法。无模型的损伤识别方法通过把测量得到的响应和完整结构的响应相比较（结构指纹）就能确定结构内部是否发生了损伤。这种方法不需要结构的计算模型如有限元模型，也不需要明确地计算出损伤，所以可以也可以称为隐式的损伤识别方法；有模型的损伤识别方法利用测量得到的响应来反演结构的某些特性，再和完整结构的特性（结构指纹）相比较，就可以识别损伤。这种方法要求使用结构的计算模型，并且明确地计算出了损伤，所以也可以称为显式的损伤识别方法。其实无论哪种方法也可根据其所采用的指标是动态还是静态的来将其划分为动态识别法、静态识别法。动态法主要是利用结构的频率、模态等参数，通过构造损伤指标或其他方法，来求解结构的刚度；静态法是利用结构反应确定结构的刚度矩阵的变化，是一种参数估值问题，只能通过人为定义的误差函数最小进行求解。这些方法各有利弊，动态法利用的是结构自身的振动特性，可随时测量并做计算分析，对实时采集数据的结构健康检测系统十分适用，但遗憾的是目前的这些方法理论不能很好的完成桥梁结构的损伤定位、损伤量化的任务。静态法测量的是结构的静态响应和静态荷载，相对来讲数据较为精确，对一些型式简单的桥梁也可分析损伤的状况，有一定的应用价值。但由于只能在静态下完成，应用受到较大限制。至于神经网络法、小波法等还在理论研究阶段。总之，目前的损伤识别理论还不够成熟，许多问题有待于进一步的解决。
剩余承载能力的研究在某种程度上讲比损伤识别还要困难，目前除了对分项系数研究开展的有些深入外，由于涉及的因素较多，其他方面的研究进展缓慢。
桥梁的健康监测系统是进几十年发展起来的新生事物。一个完整的系统可以对桥梁结构的各种响应和环境、荷载等进行实时的数据采集，进而通过与设计值的比较来判断结构整体的性能处于何种状态，而安装的视频系统则可起到辅助交通管理的作用。用结构健康监测系统的监测结果补充人工检查的结果，以调整构件状态等级评分、各类人工检查的间隔时间和维修决策。这实际上是用现代监测技术对传统的桥梁维护技术做本质上的改进。我国自20 世纪90 年代起也在一些大型重要桥梁上安装了不同规模的健康监测系统。如在香港的青马桥上安装的保证桥梁运营阶段安全的“风和结构健康监测系统(WASHMS) ”, 监测作用在桥梁上的外部荷载(包括环境荷载、车辆荷载等)与桥梁的响应；上海徐浦大桥、南京长江大桥等桥上也都安装了类似的结构状态监测系统；而在沪蓉西高速公路上，一个大型的监测系统同时监控四渡河、支井河等四座特大型桥梁以及两座高边坡，以此工程为背景的交通部西部课题《高速公路结构健康监测系统关键技术研究》的重点研究部分就包含了损伤识别和剩余承载力评估等内容。
由于桥梁检测和评估中的众多不确定因素，旧桥的加固、设计就显得与新桥设计完全不同。后者可根据图纸数据，做一些理论假定来分析，而前者是既有结构物，对其进行评价要根据实际情况，必须利用各种检测手段和实测数据予以分析。因此旧桥加固设计应遵循在安全度做加法不作减法的原则，结构计算应对所有可能出现的状况做包络式的分析。
目前常用的方法基本可分为被动加固法和主动加固法。前者主要是粘贴碳纤维、钢板、补强普通钢筋等，其特点是不改变结构的恒载内力状况，方法灵活，可根据裂缝的位置方向随意设置，可以起到控制裂缝进一步开展、提高桥梁承载能力的作用。这种方法多适用于在恒载作用下承载力满足要求但活载作用下承载力不满足的情况，在中小桥和大桥的次要受力方向进行加固时常采用。主动加固法是通过施加预应力、改变结构体系等，改变结构原有的受力行为。其特点是可以改善桥梁恒载的内力分配，增加全桥刚度，闭合裂缝，并调整变形。这种方法涉及的因素有：结构原有内力的状况、原桥的施工工艺、混凝土的强度、预应力的损失、支座型式 、加固的工艺等，因此，方法得当可有效的改变结构损伤状况；方法失误可加重损伤，甚至垮塌。
