第三章 桥梁检测方法研究
3.1桥梁结构状态检测方法
桥梁结构状态检测一般分为两种：局部检测和整体检测。局部检测是对桥梁薄弱部位进行细查，搞清局部结构的物理、力学特性或实际状态；整体检测则是从总体上把握结构的实际受力状态。无论哪种检测方法上都可以分为表观检测和仪器检测两种，仪器检测又包括了局部检测方法、静态检测方法和动态检测方法。
3.1.1表观检测方法
表观检测方法是桥梁结构状态检测的一个十分传统也十分重要的手段，它主要通过有经验的桥梁技术人员用目视的方法对旧桥进行的全面检测，在检测过程中可通过手绘图或照片形式记录结构的劣化或损害部位，并以量化方式评估各构件的损伤情况，最后依据各构件的加权值计算该座桥梁现状的综合评估分数。此评估法是一种比较直观的评定方法，也最容易实施，适宜较大范围桥梁普查分级，便于全面了解在役桥梁运营状态的总体情况，因此也是桥梁检测的一种常用方法。然而，此方法也存在着一定的局限性：
(1)对承载能力的判断只是一个定性判断和初步判断，它只能评定桥梁等级，较难保证评定精度；
(2)涉及内容多为结构表面现象，但某些至关重要的损害可能出现在结构内部而无法察觉；
(3)评估方法的效能往往与检测人员的专业知识和经验阅历密切相关，使得其主观性较强，评判标准难于统一；
(4)从结构局部构件得出的检测结果并不能反映结构的全部整体性能；
(5)为获取全部结构的性能往往需设置较多的检测点。因此，当问题比较
复杂或需要得到比较准确的承载力数据时应考虑用其它检测方法加以评定．。
3.1.2局部检测方法
局部检测主要是通过对某个损坏比较严重的局部构件进行非破坏性检测，检测其损伤程度如何，进而判断损伤对结构整体工作性能的影响。检测可采用各种技术仪器，如显微镜、超声波、脉冲雷达、涡流、流体渗透、电、r或X射线照相和散射、磁漏、核磁共振、光干涉和共振超声光谱仪等进行有效检测。但此类仪器设备价格一般较为昂贵，数据的解释也需要专业知识才能得出。
3.1.3静态检测方法
静态检测方法即对桥梁进行静荷载试验，是检测桥梁结构性能最直观、最可靠的方法。桥梁结构静载试验是根据桥梁的设计荷载等级，按照荷载等效原则，在荷载最不利的位置布置静载(通常是载重汽车)，或者根据桥梁结构的控制内力确定荷载及其位置，对桥梁结构进行加载，测试桥梁上部结构的静态响应，包括静应变、静位移及裂缝情况等，然后根据测试结果与理论计算值对比，得到该项响应的校验系数，从而推断桥梁结构在静力荷载作用下的工作状态和承载能力。它所采用的物理、力学概念，计算方法、标准和规范都与常规设计相同，易于被工程师所接受和掌握。荷载试验法多用于桥梁实际工作状态不明确情况下的评价和研究，可弥补根据表观调查评价和以分析计算为主的评价方法的不足。由于利用现场测试技术，可获得一部分桥梁结构的确定信息，故可降低桥梁评价中的不确定性，但该方法工作面大，加载时间长，通常还需要中断交通，成本也较高。
3.1.4动态检测方法
桥梁结构除了要承受各种恒载以外，还要承受车辆荷载、风荷载等多种复杂因素的影响，故对桥梁进行动态检测也是很有必要的。动态检测方法即对桥梁进行动荷载试验，它采用动力荷载，如行驶的汽车荷载或其他动力荷载作用于桥梁结构上，以测出结构的动力特性，如频率、振型和阻尼比等，从而判断出桥梁结构在动力荷载下受冲击和振动的影响。动载试验的目的在于研究桥梁结构的动力性能，该性能是判断桥梁承载能力的重要标志之一。比如，冲击系数是确定车辆荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，直接影响到桥梁设计的安全与经济性能；桥梁的过大振动可引起行人及车辆的不适感；当桥梁自振频率处于某范围时，外荷载可能引起桥梁结构的共振。然而，静载试验与动载试验是密不可分的，静力荷载试验是动力荷载试验的基础，在进行结构动力荷载试验前，一般先做静力荷载试验，以测定有关结构特性参数。
3.2荷载试验方法
3.2.1桥梁荷载试验概述
桥梁结构荷载试验就是直接在桥梁结构上进行加载的一项科学试验工作，以了解桥梁结构的实际工作性能，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评定桥梁的营运质量。按照荷载形式，荷载试验可分为静载试验和动载试验。桥梁荷载试验可以是生产鉴定性试验或科学研究性试验；可以是全桥整体试验或部分主要构件试验；可以是实桥试验或者是桥梁结构模型的室内试验。为了能够较为客观地反映桥梁结构的工作性能，桥梁荷载试验多采用实桥现场加载试验。荷载试验的主要目的如下：
(1)检验新建桥梁结构的质量，为竣工验收提供必要依据。对于大、中跨度等重要桥梁结构，除在设计阶段即进行必要的试验研究外，一般在竣工之后，均要求通过荷载试验来鉴定桥梁结构的施工质量和营运条件，分析判断桥梁的实际承载能力，为桥梁的竣工验收及使用提供必要的依据。
(2)评定既有桥梁的实际承载能力，为桥梁的使用及维修加固提供必要依据。桥梁由于运营使用多年，对于遭受过如洪水、地震、撞击等特大灾害的桥梁结构，或者在桥梁建造或使用期间发现有严重缺陷，就需要通过桥梁荷载试验进行综合分析研究，提出合理的整治方案和养护措施。
(3)建立和积累必要的桥梁技术资料，建立桥梁数据库。对于现有资料不全或缺乏资料的桥梁，需通过荷载试验，重新建立和积累技术资料，旨在更好地管理桥梁，并指导今后的养护及维修加固工作。
(4)验证及发展新结构的设计计算理论。对于采用新结构、新材料、新工艺的新型桥梁结构及运用新材料、新工艺的复杂桥梁结构，在设计、施工中必然会遇到一些新问题，其设计计算理论或设计参数需要通过桥梁试验予以验证或确定，进而逐步建立或完善这类桥梁结构的设计理论与计算方法。
3.2.2静载试验

3.2.2.1静载试验的一般步骤

桥梁结构的静载试验大体可分为三个部分：结构考察和试验方案设计、加载与观测、测试结果分析与总结。
1、桥梁结构的考察和试验方案设计
这一阶段的工作是顺利进行桥梁荷载试验的先决条件，工作也是大量而细致的。实践证明，整个试验的成败在很大程度上取决于试验前的准备工作。在此阶段，应当根据试验的目的和要求，收集、研究试验桥梁的技术资料，如施工图及其他相关说明材料，考察试验桥梁的现状和试验的环境条件，进行必要的理论分析和计算，拟定周密合理的试验方案。同时，要全面开始试验前的各项准备工作，包括试验孔的选择，搭设脚手架和测试支架，静载试验加载位置的放样和卸载位置的安排，确定试验人员组织及分工，测试系统的构成，仪器的组配及标定，必要的器材准备等。
2、加载与观测
在准备工作完成后，按照预定的试验方案对结构进行加载，并对各测试仪器进行观测。此阶段是桥梁静载试验的核心，直接关系到整个试验的成败。因此在试验过程中，应严格按照试验方案进行，相关测试人员应当互相配合，统一调度，保证试验能够有条不紊地进行。测试记录人员在试验过程中应一丝不苟，认真测读，按提前准备好的数据表格进行记录，有效保证试验数据正确无误，并及时报告试验过程中的异常情况，保证试验能够正常进行。
3、测试结果分析与总结
通过加载测试后得到的原始数据、文字和图像描述材料是荷载试验最重要的一手资料，虽然从整体上看是最可靠的，但也难免繁琐、庞杂，缺乏必要的条理性，不能直接用于桥梁承载力状态评定，因此必须对它们加以分析、处理，最后得出科学的结论。

3.2.2.2试验方案设计

试验方案设计是桥梁静载试验的重要环节，是对整个试验的全过程进行全面的规划和系统的安排。试验方案设计包括试验对象的选择、工况设计、测点布设、理论分析计算、加载方案设计及测试仪器选择等方面。
1、试验对象的选择
桥梁静载试验既要能够客观地评定结构的承载能力状态，又要兼顾试验费用与时间的制约，因此需要进行必要的简化，科学合理地选择试验对象。一般情况下，对于结构型式与跨度相同的多孔桥跨结构，可选择一至三孔具有代表性的桥孔进行试验；对于结构形式不同的桥跨结构，应按不同的结构形式分别选取具有代表性的一孔或几孔进行试验；对于结构形式相同但跨度不同的桥跨结构，应选取跨度最大的一孔或几孔进行试验。除此之外，试验对象的选择还应考虑以下条件：计算受力状态最不利的试验孔；破损或缺陷比较严重的试验孔；搭设脚手支架、布置测点及荷载方便的试验孔。
2、试验荷载工况设计
为满足鉴定桥梁实际承载力状况的要求，试验荷载工况的选择应能够反映桥梁结构的最不利受力状态。目前主要采用影响线加载的方法，形成结构的内力包络图，以获得结构中内力变化幅度大的截面位置信息，再根据车道数、冲击系数及车道折减系数计算出该截面的最不利活载内力形式，以此来设计试验荷载工况。加载试验项目的设计应抓住重点，不宜过多。一般应根据桥型和规模及桥梁状况选择2～3个主要内力或位移控制截面来设计荷载工况，若桥梁结构复杂规模较大或破损严重则应再设若干个附加荷载工况，但主要荷载工况必须保证。
3、测点布设
测试截面内力和应力分布，一般均通过应变来反映，而测试截面的挠度则通过位移计或精密水准仪来量测。因此，如何正确地布置测点，对于结构受力状态的准确分析是至关重要的。
（1）主要测点的布设
测点布置应遵循必要、适量、方便观测的基本原则，并使观测数据尽可能地准确、可靠。一般情况下，应在结构的最大应力(应变)和最大挠度(或位移)处布设主要测点。对于组合体系的桥梁结构，可据其所呈现的主要力学特征，结合上述各类桥梁确定其主要测点布设位置。
（2）附加测点的布设
根据桥梁调查和检算工作的深度要求，综合考虑结构特点和桥梁目前状况等因素可适当增设以下测点：挠度沿纵桥向或沿控制截面桥宽方向分布；应变沿控制截面桥宽方向分布；应变沿截面高度分布；组合构件的结合面上、下缘应变；墩台的沉降、水平位移与转角，连拱桥多个墩台的水平位移：剪切应变；其他结构薄弱部位的应变。
4、加载分级
为保证加载过程的安全，了解结构应变和挠度(变位)随荷载增加的变化关系，在对桥梁各主要工况加载时应分级进行。对于附加工况一般只设置最大内力加载程序。
（1）分级原则
当加载分级较为方便时，可按最大控制截面内力荷载工况均分为4至5级：当使用载重车加载，车辆称重有困难时也可分为3级加载；当桥梁调查和验算工作不充分，或桥况较差时，应尽量增多加载分级。
（2）加卸载的时间选择与控制
为了减少温度变化对试验结果的影响，试验加载时间应安排在晚上十点至早晨六点为佳，尤其是采用重物直接加载的方式，加卸载周期比较长，只能安排在夜间进行试验。对于采用车辆等加卸载迅速的方式，若夜间试验照明等有困难时亦可安排在白天进行试验，但在晴天或多云的天气下进行加载试验时每一加卸载周期所花费的时间不宜超过20分钟。

3.2.2.3静载试验结果分析与评价

从试验现场得到的数据是最直接的，但也是庞杂的，为了便于对桥梁结构做出相应的技术评价，需要对试验数据进行整理分析，进一步深化，从理论上探求其内在规律，最后得出承载能力状态评定的科学结论。
1、校验系数
校验系数h是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标。在静载试验中，通过实测值与理论计算值比较，得到结构的校验系数h。
h=Se/S s
式中：Se——试验荷载作用下实测值(挠度、位移或应变)；
S s——试验荷载作用下理论计算值(挠度、位移或应变)。
(1)当h=l时，说明理论值与实测值完全相符，但没有安全储备；
(2)当h<1时，说明结构工作性能较好，承载能力有一定富余，有安全储备；
(3)当h>1时，说明结构的工作性能较差、刚度较低，不够安全。
不同形式的桥梁结构h值常不相同，常见桥梁结构的校验系数可参考表3.1。
表3.1桥梁结构校验系数h常值表

桥梁类型	应变(应力)校验系数	挠度校验系数
钢筋混凝土板桥	O．2～O．4	0．2～O．5
钢筋混凝土梁桥	0．4～0．8	0．5～0．9
预应力混凝土桥	0．6～0．9	O．7～1．O
圬工拱桥	O．7～1．O	O．8～1．O

2、相对残余变形(或应变)
试验荷载卸载后，结构的弹性变形会立即恢复，而未恢复的变形称为残余变形。其表达式为Sp1=Sp/St*100%
式中：Sp1——相对残余变形；
Sp——试验荷载作用下残余变形值(挠度或应变)；
St ——试验荷载作用下理论计算值(挠度或应变)。
相对残余变形Sp1越小，表明结构越接近弹性工作状态。一般要求讳Sp1值小于0％；当Sp1值大于20％时，应查明原因。如果确系桥梁强度不足，应在评定时酌情降低桥梁的承载能力。
3、荷载横向分布系数
对于由多片主梁组成的桥梁结构，荷载横向分布的量测与计算往往是桥梁检测的内容之一。通过对桥梁结构跨中截面各主梁挠度的测定，可以绘制出跨中截面的横向挠度曲线，然后按照荷载横向分布的概念，运用变位互等原理，即可计算出任一主梁的荷载横向分布系数。如各梁挠度值为fi，则第j梁的横向分布系数hj为：hj=fi/∑fi，并有∑hj =1来校核测试结果。
3.2.3动载试验

3.2.3.1动载试验概述

桥梁结构的动力特性，包括固有频率、阻尼比和振型等，它们只与结构本身的固有性质有关，如结构的材料组成、结构形式、刚度和质量分布情况等，而与外荷载等条件无关。结构的动力特性是结构动力系统的基本特征，是桥梁承载能力状态评定的重要参数，同时也是识别桥梁结构工作性能和桥梁抗震分析的重要参数。桥梁结构在实际的动荷载作用下，结构各部位的动力响应，如振幅、动应力、加速度以及冲击系数等，不仅反映了桥梁结构在动荷载作用下的受力状态，也反映动力作用对驾驶员、乘客及行人舒适性的影响。桥梁结构的动载试验，就是要从大量的实测数据信号中，揭示桥梁结构振动的内在规律，综合评价桥梁结构的动力性能。

3.2.3.2动载试验测试项目

1、测定桥梁结构的动力反应，即结构在动荷载作用下强迫振动的特性，包括动位移、动应力、动力系数等。
2、测定桥梁结构的自振特性，即桥梁结构或构件的自振频率、阻尼比、振型等。
3、测定桥梁荷载本身的动力特性，即引起桥梁结构振动的作用力或振源特性，包括动力荷载(如车辆制动力、振动力、撞击力等)的大小、方向、频率等。

3.2.3.3动力特性试验结果分析与评价

1、固有频率测定
通过让汽车驶离桥后使桥梁结构产生自由衰减振动，经动力测试系统记录结构的衰减振动波形，在记录的振动波形曲线上，根据时标符号可直接计算出结构的固有频率f0：
f0=Ln/tS
式中：L——两个时标符号间的距离(mm)；
n——波形数；
S——n个波长的距离(mm)；
t——时标的间隔(常用ls、0.1s、0.01s三种标定值)。
在计算频率时，为消除冲击荷载的影响，开始的两个波形应舍弃，从第三个波形开始计算分析。
2、阻尼比的测算
桥梁结构的阻尼特性，一般用对数衰减率或阻尼比来表示。由振动理论可求得数衰减率。对于一般桥梁结构，其阻尼比很小，阻尼比»衰减率/2p。
阻尼比是反映桥梁结构耗散能量能力大小的量度，阻尼比越大，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力越强，振动衰减得越快，抗震性能越好；反之，则说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力越差，振动衰减得越慢，抗震性能越差。但是，过大的阻尼比则说明结构可能存在开裂等现象。
3、冲击系数的测定
动力荷载作用于结构上产生的动挠度，一般较同样大小的静荷载所产生的静挠度要大。动挠度与相应的静挠度的比值称为活荷载的冲击系数(1+m)。由于挠度反映了桥跨结构的整体变形，是衡量结构刚度的主要指标，因此活载冲击系数综合反映了荷载对桥梁的动力作用。
为了测定桥梁结构的冲击系数，应使车辆以不同的速度驶过桥梁，逐次记录跨中截面的挠度时程曲线。按照冲击系数的定义：
1+m=Sdmax/Sdmean
式中：Sdmax——动载作用下该测点最大应变(或挠度)值，即最大波峰值
Sdmean——相应的静载作用下该点最大应变(或挠度)值（可取本次波形的振幅中心轨迹线的顶点值)。
实测冲击系数大则说明桥梁结构的行车性能差，桥面的平整程度不良，反之亦然。