桥梁结构状况检测

桥梁结构状况检测
桥梁结构状况检测
一、前言
桥梁结构状况诊断，是对已建成的结构或部件的材料质量和工作性能方面所存在的缺损状况进行检查、试验、判断和评价的过程。

这是实行非常规的特别调查或检验的过程。

常规的简单过程仅是检查和评定。

桥梁施工阶段，当出现质量问题或失败后要求的诊断，一般是实行临时的或紧急的特别调查。

桥梁运营期间，为了养护、修理或改建的需要，实行不同等级的检查或调查。

通常规定的日常检查仅要求对结构进行经常性巡视检查，一般检查(或称主要检查或定期检查)的方法，主要是依靠富有实践经验的桥梁检查工程师，以目视观察为主，辅以必要的工具，如测量仪器、相机和其它现场器材等，实地判断结构缺损的原因，作出评定，并估计需要维修的范围及方法，或提出限制交通的建议。

对于需要进一步查明陷蔽缺损的范围或原因的部件，提出特别调查的要求。

对于需要继续监视缺损发展的部件，确定下次检查的时间。

实施特别调查的理由大致有以下各条：
1. 需要用专门的技术及设备才能满足一般检查中提出补充调查的要求；
2. 结构缺损普遍严重，需要详细查明缺损情况，为制定修理或改建方案提供依据；
3. 结构承载能力评价的需要；
4. 在地震、洪水、流水、风灾、车辆或船舶撞击等特别事件发生之后；
5. 复杂结构特大桥梁的详细检查或长期监测的特殊需要。

桥梁结构状态的诊断技术主要涉及特别调查所采用的试验检测技术和评价指标和等级标准。

本文着重阐述在结构材料状况和结构性能状况诊断中，目前应用的试验检测技术。

二、结构材料状况检测
1. 混凝土强度测定
现场测定构件的混凝土强度是工程中经常要求测试的项目，目前测试方法主要有回弹法(即Schmidt锤法或表面硬度法)、超声波法、超声波――回弹综合法、贯入法、断裂法、拔拉法、拉脱法和取芯样试验法等。

(1) 回弹法、超声波法以及综合法是属于非破损测试法。

其发展较早，应用较广泛，不少国家已有自己指南或标准。

中国城乡建设部于1985年颁布了部标准《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》(JGJ23-85)。

一般认为，由专门的检测人员测试，三种方法的测试结果平均误差约9±7%，但综合法要好一些。

对于龄期在90天以上的混凝土，采用回弹法要考虑混凝土表面碳化深度的修正。

混凝土的湿度对回弹值和超声波脉冲速度都有一定影响。

(2) Windsor探针贯入法是1964年美国首创的。

射入的探针直径为6.3mm，长79.5mm。

对于抗压强度为5～70N/mm2的混凝土，贯入深度为15～50mm。

贯入深度随强度增加而减小，但不成比例。

此法测定新混凝土的28天强度为55～70N/mm2，龄期一年以上的老混凝土的强度较好。

对于强度为30～50N/mm2的老混凝土则用取芯试验法为好。

(3) BRE内部断裂法是先在混凝土上钻一个直径为6mm的孔，插入楔形锚栓，将锚栓与专门的反力架联接，再用旋紧螺帽拉出锚栓，通过测定混凝土破损时的扭矩来推定混凝土抗压强度。

(4) 拔拉试验法是一种直接拔拉内部断裂法。

它在BRE断裂试验的基础上，改善了拔拉装置，将锚栓直接与液压千斤顶联接，通过测定混凝土破损时的拔拉力来推定混凝土抗压强度。

拔拉试验分为以下两种方法：
① CAPO试验法是在混凝土上钻孔后，插入带有扩张套管的锚杆，安装拔拉装置进行拔拉试验。

此法中混凝土的破损是孔壁受压力造成的，所以拔拉力与抗压强度有直接关系。

② LOK试验法是将直径25mm的钢盘预先埋入混凝土25mm深处，待混凝土硬化达到龄期后进行拔拉试验。

此方法只能用于新浇筑的构件。

(5) STT法是日本学者发明的测定混凝土构件抗压强度的方法。

其原理是把一个钢圆柱体埋入混凝土，深度可按需而定，除直接与混凝土粘接的柱底及柱周两个表面外，外露的柱顶表面需要用胶带粘封好，待混凝土硬化后，用螺杆对圆柱体施加转矩，直至混凝土砂浆破坏。

由破坏转矩推定抗压强度。

此法仅用于新浇筑的构件。

(6) 拉脱试验法是在清除混凝土表面的灰浆后，用树脂粘贴一个直径为50mm的钢盘，待树脂胶充分固化后，用拔拉装置将钢盘连带表层混凝土一起被拉脱，以测定混凝土的抗拉强度。

上述各种现场测定混凝土强度的试验方法，必须有标准的试验装置和操作方法，并要事先建立测试的物理量与混凝土强度之间的经验关系曲线或公
式，才能使现场评定获得满意结果。

2. 构件材料缺损的检验
混凝土构件中常见的缺损有裂缝、碎裂、剥落、层离、蜂窝、空洞、环境侵蚀和钢筋锈蚀等。

钢构件的缺损主要是锈蚀、裂缝、机械损伤、局部变形、焊缝缺陷和防护层损坏等，其中包括由于应力集中和疲劳等引起的裂缝。

本文着重介绍钢筋混凝土构件可能应用的检测方法。

(1) 目视检查的辅助方法
众多构件普遍外露的缺损，通常可借助于适当的工具或量具等辅助设备进行目视检测。

①表面细小裂缝的观测
a. 用刻有各种宽度线条的标尺估测裂缝宽度，精确度可达到±0.05mm。

b. 用刻度显微镜观测裂缝宽度，精确度±0.01mm。

c. 监测裂缝的扩展可用百分表、引伸计、手持应变计和光纤维测裂计等。

d. 用渗透探伤法观察用放大镜不易看到的细微裂纹。

e. 用灌注染色液和取芯样的方法观测混凝土裂缝的深度。

②钻孔检查结构封闭部位
检查未留有出入孔的空心板梁或箱型结构内腔的缺损，需要钻孔，并用光学设备进行目视检查。

a. 钻一个直径25mm的小孔，用管状(硬管或软管的)内视镜检查。

光线通过一束光导纤维传入，成象由透镜系统传到观察者眼中，装上照相机就拍照记录缺损状况。

这种方法也用于检查后张法预应力管道中灌浆饱满程度及钢束锈蚀状况，缺点是视域很小。

b. 用岩心钻钻成较大的孔，可用电光源和潜望镜检查，并用摄像机或照相机记录缺损。

这种方法已用于检查梁端与桥台胸墙之间看不到的部位。

(2) 超声波探伤技术
用超声波脉冲速度法探查钢材、焊缝和混凝土中存在的裂缝、空洞、夹渣和火灾损伤等。

根据构件可接近表面的情况：有两个为相对的表面，用直接法(直射法或直接传递法)；有两个为相垂直表面，用半直接法；只有一个表面，用表面法(反射法或间接传递法)。

由于混凝土是非匀质材料，必须用方向性弱的低频脉冲(20～150KHZ)，传递距离不大于80cm。

平行于脉冲方向的钢筋将极大地影响探测结果。

配筋多的混凝土构件只宜用直接法探测。

窄
的裂缝由于能通过接触点或钢筋传递脉冲，因此超声波脉冲只能探测大的空洞和裂缝。

(3) 声波检测法
用锤或铁棒敲击构件听其声音的差异来判断构件有否损坏，这是最原始的简便的人工检查方法，也是一般检查中常用的手段。

用拖链法检查桥面混凝土的层离是一种简便而又快速的方法，但是记录和确定层离的范围大小都很费时。

目前研制了一种专用于桥面检测的电子设备Delamtect，它由敲击装置、声波接收器和信号判读系统等三部分组成。

(4) 声发射(AE)检测开裂活动
AE测试系统是接收结构在运营中发生的应力波或断裂波信号，通过高速计算机对信号的能级、速率及声波进行处理分析，找出裂纹位置和评价裂纹发展状况。

运用三角测定方法确定开裂位置，还能确定裂缝的端部微裂区、宽裂区和完全断裂区的三个不同损坏区，并能评价各种损害区的演变过程如能综合应用超声波和AE技术评价混凝土构件的恶化程度，其效果更好。

(5) 射线照相技术
用射线照相技术检查预应力混凝土结构管道中灌浆质量、钢筋位置、钢索的松动或断裂等内部缺陷，是最直观的方法，但费用昂贵。

法国于1979研制了 射线照相有电视系统，并用于检查混凝土箱型结构，透视厚度不超过45cm，照相厚度为60～65cm。

1984年又研制了采用线性加速器的X射线照相及电视系统，透视混凝土的厚度达100cm照相厚度达120cm。

(6) 放射测定技术
放射测量的原理与射线照相相似，用Geiger计数器即闪烁计数器测量射线的衰减能量，以替代照相底片。

此法是根据通过混凝土的射线衰减来确定混凝土的密实度，从而判断内部缺陷是否存在。

密实度越高，衰减越快。

直接透射或反射法均可采用。

(7) 线外线――热检测技术
此法可检测混凝土的层离、空洞、渗漏和裂缝等缺损。

混凝土受日照后，缺损部位与周围混凝土的表面温度差异，可用灵敏的红外线检测系统测定。

该系统由红外线扫描器(或热摄象机)、控制器、显示器、记录器和处理器等部件组成。

现有产品的灵敏度为0.1～0.5℃。

应用此法检测，要求天气晴朗无云，风速低于24km/h，被检测面必须干燥，且能受到日照，否则得不到满意的效果。

车载的红外线检测系统能以8km/h的速度检测桥面混凝土或沥青
混凝土的缺损状况。

(8) 雷达检测技术
使用脉冲雷达的电磁回波法能检测具有沥青覆盖层的混凝土桥面板。

而且不受桥面上的砂石、涂漆标线、油斑和潮湿的影响，但受表面水的影响。

车载雷达检测系统由天线发射机、接收器、示波器、记录器等部分组成。

当脉冲频率为5MHZ，扫描范围在地面以上20cm时，覆盖面积为900cm2，检测深度达75cm，速度19～25km/h；若脉冲频率改为10MHZ，扫描在地面以上15cm时，覆盖面积为426cm2，检测速度可达64km/h。

可查出桥面混凝土的层离、空洞和裂缝等缺陷。

雷达检测法受环境的影响小，属于非接触或无破损检测技术，检测速度高，比上述各种无损检测技术更为优越，具有很大的应用前景。

目前雷达检测的数据分析判断需要专门的研究人员。

3. 钢筋锈蚀的评价技术
混凝土的密实度、渗水性、含水量、含氯盐量、碳化深度、保护层厚度不足和开裂等缺损，是导致钢筋锈蚀诸多因素，反之，钢筋锈蚀又促使混凝土进一步破损。

对钢筋锈蚀的评定技术可分为直接评定和间接评定两种。

(1) 直接评定钢筋锈蚀技术
①电阻探测器技术是根据金属板锈蚀而变薄，其电阻增大的原理。

探测器作为交流电桥的两桥臂，一臂是防锈的基准试件，另一臂是埋于混凝土中的锈蚀试件。

测量两种臂的电阻比变化，并可测定试件的累计锈蚀率。

试件是用0.05～0.5mm的薄钢片，粘贴在塑料基板上，使其有适当的刚度。

②线性极化探测技术是根据电化动力学原理，测量试验电极间的微小电流。

电极用被测验的钢筋制作，埋在混凝土中，并在两极之间施加小量的常电位差。

极间通过的电流与锈蚀电流有关，可测定试件的瞬时锈蚀率。

此法仅能用在导电介质中(最大电阻率105Ω.cm)，通常混凝土的电阻率均小于此值，除非特别干燥、含水量很低时可能超过。

上述两种方法必须在新结构施工中实施，不能用于旧结构。

两种电测方法都可以实现远离原位的测量。

③半电池电位测量法是通过与一已知的、并保持常量的基准电极(半电池)的极电位相比较，能有效地测量混凝土中钢筋的极电位。

它只能说明钢筋是否可能锈蚀，不能提供锈蚀速率的数据，但却是唯一可用于现有结构直接检测混凝土锈蚀的非破损技术。

该设备简单，便于现场原位检测，在钢筋混
凝土结构耐久性评定中被广泛应用。

④重量损失法和截面损失法(或凹痕深度测量法)。

这两种方法都需要在构件上截取已锈蚀钢筋的试件进行检测，都是局部破损试验，而且仅表示局部的锈蚀率。

(2) 间接评定钢筋锈蚀技术
通过检验混凝土的质量状况来评定钢筋锈蚀的可能性，除了以上阐述的混凝土强度和缺损的有关检测技术外，还有以下几项技术：
①用保护层测定仪检测钢筋的混凝土保护层厚度是否足够。

当取芯样或钻孔时，也经常用来探测钢筋位置。

在评价缺乏资料的老结构时，用其估测钢筋直径。

目前产品的检测深度达220～250mm，精确度为±5%。

②测定混凝土电阻率。

通常取四电极法测量。

混凝土电阻率与含水量有关，是控制钢筋锈蚀的因素之一，电阻率越高，锈蚀电流就越弱。

当电阻率超过12000Ω·cm时，不大可能锈蚀；低于500Ω·cm肯定锈蚀。

半电池电位测量表明可能锈蚀，而电阻率测量预计发生显著锈蚀的可能性。

③混凝土中氯离子含量测试方法，评定氯盐对钢筋的锈蚀。

目前的现场测试方法有：
a. 美国在酸提取中用Quantab试条测定，仅需简单器具，在现场完成一次试验仅需30分钟；
b. 西德在检验混凝土表面是否受氯盐的侵蚀，用浓度为1%的硝酸银深液喷洒表面，待干燥后，再用5%的重铬酸钾冲洗表面。

若表面显示淡黄色，说明受氯盐侵害；显示褐红色，表示无害。

c. 日本开发的混凝土含盐量测定仪，根据离子电极法原理，只能用于未凝固的混凝土。

④混凝土碳化深度的现场测试方法，是用2%酚酞酒精溶液喷洒在混凝土的新鲜断口处。

PH≥10时显示紫红色，说明未碳化；PH<10时保持无色，说明已碳化。

如果碳化深度到达钢筋部位，混凝土失去保护作用，则钢筋可能被锈蚀。

⑤气透性检测，主要用于原位评定混凝土对碳化和有害离子侵蚀的抵抗力，从而间接评定钢筋锈蚀的可能性。

英国运输道路研究试验所(TRRL)已在十余座后张预应力混凝土桥梁中采用真空压力法进行气渗透性检测，以评定预应力管道灌浆中的空洞体积及钢索锈蚀的可能性。

诊断钢筋混凝土结构材料状况可能应用的各种方法的检测能力见表1。

诊断钢筋混凝土构件材料状况的各种方法表1
三、结构性能状况检测
桥梁整体性能状况的诊断，实质上是对上部和下部的主要承载能力(包括强度、刚度和稳定性等)进行检测与评价。

需要实施承载能力评价的理由如下：
a. 主要承重构件的材料缺损严重影响结构的承载能力；
b. 桥梁运营荷载等级要提高；
c. 一个控制的车辆要通过桥梁；
d. 桥梁加固改建以后。

结构承载能力评价方法主要有以下两类：
第一类，根据诊断的构件材料质量状况及其在结构中的实际功能，用计算分析方法评价结构承载能力。

第二类，当计算分析评价不满足或难以确定时，用静力荷载试验方法鉴定结构承载能力。

由于静力荷载试验较费事，且费用昂贵，所以探讨用动力实验数据来分析评价结构承载能力，试图以之代替静力荷载试验。

目前的研究表明，用小荷载动力试验测定桥梁结构整体的实际抗弯刚度(EI)和荷载横向分布形式可能实现，为结构分析提供两项重要的符合实际的计算参数。

但是对于混凝土结构，如何推断大荷载(极限荷载)作用下，大变形时的混凝土开裂程度和钢筋应力状况，这个问题还未解决。

用动力试验数据评价承载能力尚未达到实用阶段。

1. 结构计算分析评价承载力
(1) 结构状况的详细检测
为了使计算评价结构符合实际，必须详细检测结构现状。

除了检测构件材料状况外，还需要注意调查以下状况：
①校核或实测各部主要承重构件截面尺寸、支承跨径、永久变形等；
②支座的支承约束作用；
③多梁结构的横向联结状况及空间作用；
④防水混凝土桥面铺装层的联合作用。

(2) 计算原则
①评价用的荷载，一般是桥梁设计规范中的各等级荷载或是被控制车辆的荷载。

②评价采取极限状态计算分析。

各分项安全系数(恒载、活载、材料、工作条件等系数)宜根据详细检测的结构状况分别选定，使计算分析结果能真实地评价结构承载能力。

③荷载组合和荷载系数
评价采用乘系数的永久荷载和乘系数的活载组合。

如果在详细检测结构状况中收集了充分的数据，有理由减小恒载系数，因为，现有结构的尺寸是已固定的。

如果桥梁结构检测评价的周期在5年以内，活载系数可适当降低(由1.4减小至1.25)，被控制的车辆荷载系数可降低为1.15。

④结构退化的影响
由于构件材料缺损引起结构抗力的降低应予考虑。

当构件退化范围较大，影响了结构荷载分配时，要考虑退化构件荷载效应的减小和相邻构件荷载效应的增大问题，即考虑荷载重分布问题。

(3) 抗力校正系数法
按极限状态设计规范计算结构的抗力效应，然后根据调查的结构状况对结构的抗力值乘以一个校正系数(0.9～1.2)进行折减和提高。

校正的抗力效应大于或等于评价用的荷载效应。

这实质上是一种半经验的评价方法。

2. 荷载试验评价承载力
静力荷载试验是评价承载力的一种直观的方法。

按评价荷载效应对结构施加静力荷载，同时量测结构控制截面的位移、裂缝、应变(应力)和约束力等结构力学性能参数。

将实测数据与计算值或规范的限值进行比较，当各项实测值均小于或等于限值，一般可认为结构承载能力能满足评价荷载。

(1) 试验评价准则
①结构性能参数的各项实测值均应小于或等于规范的限值。

②结构具有可接受的弹性工作性能。

一次或重复加载试验，实测的永久变形与总变形之比值应小于或等于限值。

不同材料结构的限值不等。

如钢为0.15，预应力混凝土与组合结构为0.20，钢筋混凝土与圬工结构为0.25。

③混凝土结构受力活动的裂缝宽度不超过限值，且卸载后能闭合到小于限值的1/3。

④考虑桥梁长期受随机的交通荷载，静力试验荷载效率应达到包含冲击系数荷载的1.1倍。

⑤根据结构剩余使用寿命，适当考虑多梁(肋)式结构的荷载或内力重分布的潜在承载力。

⑥与已试验过的同类结构性能相比较。

总之，旧桥出现的问题是多样而复杂的。

一方面，有些现象是设计中未能预计到的，或者是设计方法不尽合理，造成结构有的部位性能不足或者过分富余，设计规范也不可能涉及旧桥的所有问题；另一方面，新桥设计是计算尚未形成的结构，预期的结构是尽可能达到理想，而建成的结构及其运营状况往往与设计存在差异。

现有结构的状况是已存在的，评价的条件和因素
大都是确定的，仅需考虑剩余使用寿命内的概率。

显然旧桥承载能力评价与新桥设计的前提条件不尽相同。

然而，目前还没有一种完善的旧桥承载力评定规范，所以旧桥承载能力评价一般仍以设计规范为依据。

但不应完全拘泥于设计规范，应考虑旧桥的实际状况及其问题的特殊性，依据检测数据来合理选定各分项安全系数和适用的验算方法。

(2) 结构力学性能参数量测
评价需要量测的参数主要是位移、应变(应力)、力(压力)、活动裂缝和温度等。

动力试验中除了量测有关的力学参数外，也量测振动速度或加速度等参数的振幅历程曲线。

对记录的动态数据进行时间域、幅值域和频率域的分析处理，以获得各阶振型、频率、阻尼和动力系数等动力性能特征值。

量测设备有机械的、光学的、电学的和综合的等，种类很多，可根据现场条件和测试要求来选择适用的手段。

量测各项参数可能应用的现场测试技术设备见表2。

一般电学的传感器配以动态接收器和记录器都能用于动态测量。

激光测量系统也能记录动态位移。

专用的振动测试设备有各种电学的位移、速度或加速度型的测振系统，机械式的测振仪。

混凝土结构性能的现场测试中要考虑温度、收缩和徐变等因素所产生的结构效应。

对于使用三年以上的混凝土结构，由于收缩和徐变基本上已终止，或者由其产生的结构效应已稳定，或已造成结构的永久变形和开裂等缺陷，因此在荷载试验检测中主要考虑温度校正的方法。

各种校正方法大致有：
①选择昼夜温差小的季节，或安排在阴天或夜间无日照时，温度梯度最小时进行试验。

②选择气象情况较稳定的日期进行试验。

在加载试验前，即在无荷载作用下至少记录24小时的气温变化，并用与试验程度相同的间隔时间对所有测点进行读数，以此修正加载试验时各测点的数据。

③在试验过程中连续观测读数，分段计算每次加、卸载前后读数增量的方法。

这是利用加、卸载瞬间温度变化不大的时机。

④布置适量的温度测点，量测结构温度场的变化。

通过结构温度位移和温度应变(应力)场的分析计算,将量测数据中温度效应分离出来。

⑤埋设与测点是同样传感器制作的无约束试件，在试验中与其它测点同时观测。

无约束试件可以是钢筋混凝土的，也可以是预应力混凝土的。

此方法可以同时校正温度、收缩和徐变产生的效应。

(3) 结构恒载应力的量测
结构应力包括永久荷载(恒载)和可变荷载引起的两部分应力。

小跨径桥梁结构的恒载应力约占40%以上，大跨径桥梁约占70%以上。

荷载试验主要是量测荷载引起的结构应力，就是实测后期活载应力。

评价结构强度及安全度时，仍需用计算方法获得恒载应力。

这是荷载试验评定方法欠缺之处。

结构的恒载应力还包括由于施工偏差引起的装配应力。

新建结构可以在预制构件时埋设应力量测元件，实行施工全过程的跟踪监测，可能获得结构的恒载应力。

但是，受当前的有线测量技术和长期观测的数据分析处理方法的限制，要实施和获得可靠的施工观测数据是不容易的。

这种方法在已建成结构上无法实现。

近期研究用表面应力释放的方法测定现有结构的恒载应力，大致有以下三种：
①取芯法。

先在取芯混凝土表面布置应变花，然后钻取直径和深度均为150mm的混凝土芯样，检测芯样中心的表面释放应变。

再用芯样试验得出的弹模值换算为应力值。