桥梁检测技术

公路桥梁试验检测技术 1 截止2003年底我国公路桥梁数量及状况共有公路桥梁310773座 12466143延米其中 特大桥2155座 1962614延米 占0 69 大桥17417座 3061688延米 占5 60 中桥63511座 3466413延米 占20 44 小桥227690座 3975428延米 占73 27 一 我国公路桥梁的基本情况和对试验检测技术的需求 桥梁现状 近三年危桥基本保持在1万余座 占永久性桥梁的3 4 2 对试验检测工作的需求 部分桥梁承载能力偏低 早期修建的桥梁有相当数量由于设计 施工或结构体系上的弱点 或因老化 衰退 带病 工作 八十年代以后修建的不少索结构桥梁 由于当时技术上的限制 普遍出现过早老化 腐蚀现象 近二十年修建了不少预应力混凝土连续梁和连续钢结构桥普遍出现跨中下挠 梁体开裂等问题 人工采砂 造田 上游修水库 桥位河床下切 基础深度不足 结构振动过大 沿海桥梁结构耐久性问题 桥梁加固效果的评价 这些问题要通过科学手段 方法加以诊断 评价 以确定对策 桥梁检查的分类 按照检查的范围 深度 方式和检查结果的用途等的不同 大致可归纳为下列三类 经常检查 巡视检查 日常检查 定期检查 特殊检查 3 目前桥梁养护管理制度 巡视检查是由专家对一条线路或一定区域内的桥梁进行的快速扫视检查 目的是 对所需检查的桥梁的技术状况和主要存在问题形成一个总体印象 以便能对它们进行初步的排序以及为进一步的检查作技术准备 1 巡视检查 日常检查也叫例行检查或叫经常检查 一般一月一次 由路段检查人员或桥工班或护桥人员进行扫视检查目的是 确保结构功能正常 使结构能得到及时的养护和小修保养或紧急处理 对需要检修和一些重大问题作出报告 2 日常检查 通常由具有一定检查经验并受过专门桥梁检查培训以及熟悉桥梁设计 施工等方面知识的检查工程师 按照规定周期 对桥梁主体结构及其附属构造物的技术状况进行定期跟踪的全面检查 一般1 5年一次 目的是 通过对结构物进行彻底的 视觉的和系统的检查 建立结构管理和养护档案 对结构的缺损状况作出评估 评定结构构件和整体结构的技术状况 确定改进工作和特别检查之需求 并确定结构维修 加固或更换的优先排序 3 定期检查 依据检查目的可划分为应急检查和专门检查两种依据检查工作的性质可划分为现场检查和实验室测试分析两大部分从检查方法上可划分为目力检查和简单物理测量方法以及无破损或半破损检查方法 4 特殊检查 桥梁特殊检查的一般程序 对定期检查中难以判明损坏原因和程度的桥梁 有必要使用特殊设备或专门技术对定期检查作补充时在进行复杂和昂贵的维修之前 需查出定期检查中未能发现的损坏情况时 或对要求提高载重等级的桥梁在发生特别事件之后 如洪水灾害 流冰 漂流物和船舶撞击事故 滑坡 地震 风灾及重车过桥等需要使用特殊仪器或需作特别详细记录的检查 拟评定结构实际状况时 如桥梁技术状况为四类者新建工程中出现质量问题时 下列情况下需进行特殊检查 二 桥梁结构状况的检测与评价 结构材料缺损状况诊断 包括材料损坏程度检测 材料物理 化学和力学性能测试及缺损原因的分析判断等 桥梁结构状况的检测与评价是对其结构及部件的材料质量和工作性能方面所存在的缺损状况进行详细检测 试验 判断和评价的过程 是对桥梁的专门检验 属于桥梁诊断的范畴 技术内容 选择表面测量 无损检测技术和半破损检测技术 如局部取试样等 有效可靠的方法 结构整体性能 功能状况鉴定 包括结构承载能力 强度 刚度和稳定性等 鉴定 抗震 抗洪等能力的鉴定等 按实际断面尺寸及缺损 材料的退化状况进行结构检算 采用承载力试验鉴定 1 混凝土强度测定 2 构件材料缺损的检验 3 钢筋锈蚀的评价 结构材料状况检测与评价 三 材料状况的检测与评价 无破损 半破损方法综合运用 回弹法 Windsor探针贯入法 超声 回弹综合法 拉拔 拉脱试验法 取芯法 1 混凝土强度测定 BRE内部断裂法 手持式回弹仪 HT225型手持式回弹仪 采用定值动能的弹簧与钢锤冲击混凝土表面 通过传能钢杆 弹击杆 根据回跳值与混凝土强度的相关关系 来确定混凝土的抗压强度 基本原理 混凝土数显式回弹仪 回弹时的冲击能量通过力传感器和外配电转换装置传入主机 通过内置曲线直接读取数据值 混凝土超声波测定仪 通过探头发射适合在混凝土中传播的频率的超声波测出声波在被测物中传播的时间 转换为声速 通过声速与强度之间的关系计算出强度推定值 工作原理 TICO超声波检测仪 PUNDIT超声波检测仪 智能混凝土超声波检测装置样机 混凝土试件浇注前 混凝土试件 测试结果示例 在混凝土实体结构上测定其抗压强度 评价质量 根据拔出力和抗压强度的相关关系 由拔出力换算出抗压强度 拉拔强度测试仪 机械贯入仪 通过贯入阻力贯入深度的测量得到构件材料的强度 通过混凝土芯样采集 进行试验分析 可得到混凝土强度 裂缝深度或测试碳化深度 取芯机 目视检查 超声波探伤 冲击回波声波检测法 声发射 AE 检测开裂活动 射线照相技术 射线测定技术 红外线 热检测技术 雷达检测技术 2 构件材料缺损的检验 用来测试混凝土和其它材料中的裂缝宽度 检测精度为0 01mm 显微镜连有一个在任何工作条件下都能提供清晰图象的可调光源 目视检查 裂缝宽度观测仪 桥梁裂缝观测系统 现场记录高解析度照片 通过专用计量软件处理 可计算得出桥梁裂缝的宽度 长度 检测精度 0 02mm 系统由配有专门光学镜头的数码相机和专用裂缝计量软件处理包组成 测量距离可达25m 冲击 回波测试仪 冲击回波冲击回波是根据应力波能够在材料中传播的原理设计的 基本的测试方法和超声波相似 应力波可以通过以下两种方法产生 使用转换器产生的应力波称为脉冲回声法 使用机械冲击器产生应力波称为冲击回波法 它同样可以通过应力波的强度和发生时间测定缺陷的程度和位置 射线检测 X射线 射线 可用于快速扫描桥梁结构开裂 缺陷 剥离 渗漏检查等 测温范围 20 800 温度分辨率 0 03 波长 8 12 m精度 0 5 F R S 红外热成像仪 每幅红外热图具有多于76000个独立的温度测量点 通过内置的高清晰度的取景器观察红外热图 可选各种红外光学镜头 包括望远 广角镜头 可根据不同的应用要求选择合适的镜头 超声波超声波探测技术的基本原理是 超声波能够以一定的速度在某种材料中传播 直至遇到不连续点或抵达测试物的边界时才反射回来 通过信号的强度可以获知损伤的程度 而将信号发生的时间和超声波在材料中的传播速度联系起来 则可获知损伤的位置 预应力钢筋混凝土构件 预应力筋 声发射技术 声发射技术基于这样一个基本的认识 大多数结构材料在受力后出现诸如塑性变形 裂纹开裂 裂纹开展等微结构损伤时 就以声波的形式释放能量 它的优点是可以对处于荷载作用状态下的桥梁结构材料和结构变化进行检测和监测 梁的声发射试验 实际桥梁的声发射检测 声发射用于索结构安全检测 处理中心 网络传输 Sensors 数据采集处理站 声发射系统的工作方式 混凝土雷达检测技术 雷达检测装置 涡流检测 主要应用于检测表面损伤 漏磁检测 缺点 不能检测拉索延伸在主梁内部分的损伤 其它测试方法 3 钢筋锈蚀的评价技术 美国钢产量的40 用于替换腐蚀而损坏的部件 构件 美国60万座桥梁的年平均修复费566亿美元 基础设施腐蚀损失 在总腐蚀损伤上占很大比较 特别是以桥梁为代表的钢筋混凝土基础设施的腐蚀破坏 钢筋混凝土腐蚀状况 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 预埋探测元件线性极化电流测量半电池电位测量局部破损重量 质量损失测量 钢筋锈蚀半电池电位测量法 工作原理 半电池电位试验方法半电池电位试验方法是利用混凝土中钢筋锈蚀的电化学反应引起的电位变化来测定钢筋锈蚀状态的一种方法 半电池结构示意图 半电池钢筋锈蚀测定仪 钢筋锈蚀率测定仪 预埋式耐久性无损监测传感系统侧面构造图 预埋式耐久性无损监测传感系统 新浇混凝土的脱钝前锋线处于混凝土表面 随着时间的推延 脱钝前锋线向钢筋方向推进 在结构混凝土保护层的范围内 按不同深度埋入多个脱钝传感器 均匀分布于混凝土表面到钢筋保护层 梯形阳极系统 耐久性检测原理 A 混凝土中钢筋锈蚀电位的检测A1 钢筋锈蚀状况检测范围应为主要承重构件或承重构件的主要受力部位 或根据一般检查结果有迹象表明钢筋可能存在锈蚀的部位 A2 混凝土中钢筋锈蚀电位可通过测量铜 硫酸铜参考电极与钢筋 混凝土电极之间电位差确定 钢筋锈蚀电位测量值的高低 可直接反映量测部位混凝土中钢筋发生锈蚀的概率或钢筋正在发生锈蚀的活动性 其评判标准见表A 钢筋锈蚀电位的半电池电位检测方法1 测量原理及仪器组成联接 图A测试系统简图 2 测区的选择与测点布置 1 钢筋锈蚀状况检测范围应为主要承重构件或承重构件的主要受力部位 或根据一般检查结果有迹象表明钢筋可能存在锈蚀的部位 2 在测区上布置测试网格 网格节点为测点 网格间距可选20 20cm 30 30cm 20 10cm等 根据构件尺寸而定 测点位置距构件边缘应大于5cm 一般不宜少于20个测点 3 当一个测区内存在相邻测点的读数超过150mv 通常应减小测点的间距 4 测区应统一编号 注明位置 并描述外观情况 3 注意的问题和数据的修正 1 混凝土含水量的影响 2 3 2 温度的影响 22 5 范围以外要纠正 3 混凝土保护层电阻率的影响 仪器输入阻抗要求高 大于1010 4 参考电极状 应是饱和硫酸铜溶液 钢棒应及时清洁 并无明显缺陷 溶液及时更换 钢筋锈蚀电位的评判标准表A 2 间接评定钢筋锈蚀技术 保护层测量混凝土电阻率测量氯离子含量测量碳化深度测量透气性测量 A 混凝土中氯离子含量的测定A1 混凝土中的氯离子可诱发并加速钢筋锈蚀 测量混凝土中氯离子含量可间接评判钢筋锈蚀活化的可能性 A2 氯离子含量测定应根据构件的工作环境条件及构件本身的质量状况确定测区 测区应能代表不同工作条件及不同混凝土质量的部位 测区宜参考钢筋锈蚀电位测量结果确定 混凝土中氯离子含量的检测方法 1 取样部位和原则 参照钢筋锈蚀电位 测区布置原则和测试结果 结构工作环境条件 质量状况有明显差异的部位 2 取样方法和数量 图A钻孔取混凝土粉末的方法 分层收集 间隔可取3mm 5mm 10mm 每个测区取粉钻孔数量不少于3个 同一测区 不同孔 相同深度的粉末可收集在一个塑料袋内 重量应不少于25g 不同测区 相同深度的粉末不应混合 要注意每一深度取粉后的清理 避免混杂 2 样品的分析 1 滴定条法 2 试验室化学分析法 氯离子含量对钢筋锈蚀影响程度的评定标准表A A3 混凝土中的氯离子含量 可采用现场按混凝土不同深度取样 通过对样品进行化学分析的方法加以测定 测定结果须能反映氯离子在混凝土中随深度的分布 根据钢筋处的混凝土氯离子含量 可按表B评判标准确定其对钢筋锈蚀的影响程度 B 混凝土电阻率的检测B1 混凝土的电阻率是控制混凝土中钢筋锈蚀速率的因素之一 混凝土电阻率小 钢筋锈蚀发展速度快 因此 测量混凝土电阻率可间接评判钢筋的可能锈蚀速率 B2 混凝土电阻率可采用四电极阻抗测量法测定 即在混凝土表面等间距接触四支电极 两外侧电极为电流电极 两内侧电极为电压电极 通过检测两电压电极间的混凝土阻抗获得混凝土电阻率 见图B 图B混凝土电阻率测试技术示意图 原理式中v 电压电极间所测电压I 电流电极间通过的电流d 电极间距 2 混凝土电阻率的测量 1 测区 参照钢筋锈蚀电位的要求 2 测区表面 要清洁处理 无油脂 3 电极间距 一般采用50mm 混凝土电阻率对钢筋锈蚀影响程度的评判标准表B B3 混凝土电阻率检测测区应根据钢筋锈蚀电位测量结果确定 对钢筋锈蚀电位测试结果表明钢筋可能锈蚀活化的区域 应进行混凝土电阻率测量 混凝土电阻率对钢筋锈蚀影响程度的评判标准见表B C 混凝土碳化状况的检测C1 钢筋在混凝土内处于碱性保护的钝化状态 混凝土碳化将造成钢筋失去保护 当外界条件成熟 钢筋就会发生锈蚀 因此 检测混凝土碳化深度可间接的评判钢筋的可能锈蚀状态 C2 混凝土结构碳化状况检测的测区可参照钢筋锈蚀电位测试结果布置 确定对钢筋锈蚀电位测试结果表明钢筋可能锈蚀活动的区域 应进行混凝土碳化深度测量 每一测区的测点数应尽可能少 以能说明问题为准 C3 混凝土碳化状况的检测可采用在混凝土新鲜断面观察酸碱指示剂反应厚度的方法 混凝土碳化深度对钢筋锈蚀及材料强度均有一定影响 评判时可取构件的碳化深度平均值与该类构件保护层厚度平均值之比 并考虑其离散情况 进行评价 评判标准见表C 混凝土碳化深度的测量1 检测范围和测区的确定参照钢筋锈蚀电位测试要求 在同一测区应按保护层 锈蚀电位 电阻率 氯离子含量 碳化深度的顺序进行检测 测区数不少于3个 每测区3个测孔 品 字排列 测孔距构件边角应大于2 5倍保护层厚度 2 结果分析酚酞指试剂 75 的酒精溶液与白色酚酞粉末配置成1 2 的溶剂 喷到新鲜孔壁表面 混凝土碳化深度对钢筋锈蚀影响的评判标准表C D 混凝土结构钢筋分布状况的调查D1 混凝土结构钢筋分布状况的调查包括钢筋位置和混凝土保护层厚度测量 对缺失资料的混凝土桥梁还应包括钢筋直径估测 D2 混凝土结构钢筋分布状况调查的范围 应为主要承重构件或承重构件的主要受力部位 或钢筋锈蚀电位测试结果表明钢筋可能锈蚀活化的部位 以及根据结构检算及其它检测需要确定的部位 D3 混凝土结构钢筋分布状况可采用电磁检测方法进行无损检测 D4 混凝土保护层为钢筋提供了良好的保护 必要的保护层厚度能够推迟环境中的水汽 有害离子等扩散到钢筋表面的时间以及因混凝土碳化使钢筋失去碱性保护的时间 因此 混凝土保护层厚度及其分布均匀性是影响结构钢筋耐久性的一个重要因素 对每一测量部位 可按下述方式来评判混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性的影响 1 首先根据某一测量部位各测点混凝土厚度实测值 按下式求出混凝土保护层厚度平均值 精确至0 1mm 式中Dni为结构或构件测量部位测点混凝土保护层厚度 精确至1mm n为测点数 2 按照下式计算确定测量部位混凝土保护层厚度特征值Dne 精确至0 1mm 式中 SD 测量部位测点保护层厚度的标准差 精确至0 1mm K 为合格判定系数值 按表D1取用 混凝土保护层厚度合格判定系数值表D1 混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性的影响评判标准表D2 3 然后 根据测量部位实测保护层厚度特征值Dne与其设计值Dnd的比值 混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性的影响按表D2来评判 利用电磁感应对混凝土内部钢筋进行检测 包括 钢筋位置 间距 保护层厚度 钢筋直径 智能钢筋保护层测试仪 氯离子含量测量 氯离子测定仪 混凝土中氯化物的浸入 引起钢筋的锈蚀 利用离子选择电极直接测试方法来测定氯离子的含量 测试原理是利用电化学电位分析原理 作为传感体的氯离子选择电极电位与溶液中氯离子的活度对数成线性的关系 来测定溶液中氯离子含量 电阻率探头 钢筋锈蚀综合测量仪 主要承重材构件料缺损影响承载力 桥梁运营荷载等级要提高 桥梁加固 改扩建 特殊荷载通过 实施承载能力评价的理由 四 结构性能状况检测与评价 1 根据诊断的材质状况 用计算分析方法评价结构承载能力 2 荷载试验方法鉴定结构承载能力 结构承载能力评价方法 桥梁承载能力评定新思路流程图 1 结构计算分析评价承载力 1 结构状况的详细检测 检测内容包括 桥梁几何形态参数测定桥梁结构恒载变异状况调查桥梁结构构件的材质强度检测与评定混凝土中钢筋锈蚀电位的检测混凝土中氯离子含量的测定混凝土电阻率的检测混凝土碳化状况的检测混凝土结构钢筋分布状况的调查桥梁结构固有模态参数的测定索结构索力的测量桥梁墩台与基础变位情况调查地基与基础的检验 结构动力特性参数测量 无线传感器进行振动测试 根据实测自振频率评定桥梁结构技术状态的评判标准 缆索 吊杆内力检测 2 计算原则 评价用的荷载 一般是设计荷载或是控制车辆的荷载 采用乘系数的永久荷载和乘系数的活载组合 检算分项系数根据检测结果确定 结构退化的影响 考虑材料缺损引起结构抗力的降低 2 荷载试验评价承载力 结构性能参数的各项实测值均应小于或等于规范的限值 结构具有可接受的弹性工作性能 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 静力试验荷载效率须考虑桥梁长期受随机交通荷载的影响 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 与已试验过的同类结构性能相比较 1 试验评价准则 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 桥梁现场荷载试验结构力学性能参数测试设备 全站仪 数字水准仪 桥梁挠度检测仪 检测距离 0 500m检测范围 垂直0 5000mm水平0 1000mm精度 0 5 F S 液位水准