動(dòng)測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用綜述

□文/王甫友

動(dòng)測(cè)技術(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)中很有發(fā)展前途的一個(gè)應(yīng)用分支，也是近年來發(fā)展較快的一門新技術(shù)，其基本原理是利用橋梁本身或激振后發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行判定。動(dòng)測(cè)技術(shù)是通過研究振動(dòng)信號(hào)反映出來的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)及變化，來對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)視。無論是新建橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)收，還是既有橋梁的檢測(cè)評(píng)定，甚至是自然災(zāi)害后的快速響應(yīng)，動(dòng)測(cè)技術(shù)在橋梁檢測(cè)中都是一個(gè)好的方法。

1 樁基檢測(cè)

樁基動(dòng)測(cè)是相對(duì)于靜力而言的，即通過給樁作用動(dòng)態(tài)力(動(dòng)荷載)，使樁產(chǎn)生顯著的加速度和土的阻尼效應(yīng)。采用不同功能的傳感器可以在樁頭量測(cè)到不同的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，如速度或加速度響應(yīng)信號(hào)，以此來確定樁基的各種技術(shù)參量。根據(jù)作用在樁頂上動(dòng)荷載的能量，可以把動(dòng)測(cè)分為高應(yīng)變和低應(yīng)變兩種方法。低應(yīng)變測(cè)試方法也有多種應(yīng)用方法，但由于反射波法適用范圍較廣，可檢測(cè)樁身完整性、推定缺陷類型及其位置、核定樁長并可推斷樁身混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，因此應(yīng)用較廣泛。該方法的原理是在樁頂施加一個(gè)初始擾動(dòng)力，由此激發(fā)出的彈性波從樁身往樁底傳播。當(dāng)彈性波在傳播過程中遇到介質(zhì)突然變化的界面時(shí)，如樁身夾泥、斷裂、嚴(yán)重縮頸和擴(kuò)頸等，將會(huì)產(chǎn)生反射和透射，通過分析樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性來判別樁身質(zhì)量以及樁長等參量。高應(yīng)變法包括各種應(yīng)用方法，但其中的Case法、實(shí)測(cè)曲線擬合法做為樁基動(dòng)測(cè)的主要手段被列入國家《基樁高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》。另外動(dòng)測(cè)檢測(cè)項(xiàng)目多，動(dòng)測(cè)中低應(yīng)變法可檢測(cè)樁身完整性、樁長、樁身缺陷類型及位置、推斷混凝土強(qiáng)度；高應(yīng)變法除可提供承載力和上述技術(shù)指標(biāo)外，尚可提供樁身內(nèi)部應(yīng)力、樁周土阻力及樁端阻力等參數(shù)。靜載雖可結(jié)合預(yù)埋應(yīng)變計(jì)檢測(cè)應(yīng)力及土阻力，但其費(fèi)用是一般工程不易接受的。動(dòng)測(cè)試驗(yàn)費(fèi)用低，測(cè)試周期短，效率高，不影響工期，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要求低，影響小，試驗(yàn)簡潔方便，抽樣率高，全面檢測(cè)樁基質(zhì)量。

2 既有橋梁墩臺(tái)檢測(cè)

既有橋梁墩臺(tái)檢測(cè)是橋梁檢測(cè)中重要的一項(xiàng)內(nèi)容，墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的好壞至關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。但是由于各種原因，比如說江河中墩柱、填土埋置墩柱等無法從表觀上對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，而檢測(cè)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性又是必不可少的，過去多采用挖驗(yàn)和鉆探的的方法來探明墩臺(tái)是否存在病害，耗費(fèi)人力、物力，故動(dòng)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于墩臺(tái)的檢測(cè)中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)測(cè)技術(shù)主要測(cè)試的內(nèi)容包括橫向水平振動(dòng)能比較明顯地反映出墩臺(tái)自身的動(dòng)態(tài)特性，其穩(wěn)定與否主要反映在振幅的大小、頻率的變化、波形變異3方面。墩頂橫向水平振幅值是檢測(cè)時(shí)所得到的最直接、最直觀的，反映結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要?jiǎng)討B(tài)定量指標(biāo)。橋墩橫向振動(dòng)的頻率可以分為2種：一種為車輛在橋上運(yùn)行中左右擺動(dòng)產(chǎn)生的迫振頻率；另一種為車輛駛離橋梁后，由振動(dòng)自由衰減波形段的頻譜分析得到的結(jié)構(gòu)自振頻率。當(dāng)墩臺(tái)產(chǎn)生病害后，其振動(dòng)波形也會(huì)出現(xiàn)各種變異。故從水平振幅、頻率和波形變異3方面能夠綜合評(píng)定墩臺(tái)的好壞。動(dòng)測(cè)技術(shù)檢測(cè)墩柱不用封鎖交通，不對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)作任何變動(dòng)，充分顯示其優(yōu)越性。

3 上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)

車輛荷載或其他動(dòng)力荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有沖擊和振動(dòng)影響，當(dāng)車在橋上時(shí)為車橋聯(lián)合振動(dòng)，當(dāng)車跨出橋后，為橋梁結(jié)構(gòu)的自由衰減振動(dòng)。這已成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工、運(yùn)營、維修養(yǎng)護(hù)過程中的重要問題之一。動(dòng)測(cè)技術(shù)在上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)中一般包括以下項(xiàng)目：測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下強(qiáng)迫振動(dòng)特性，如沖擊系數(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)變（應(yīng)力）等；測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率和阻尼特性等。利用動(dòng)測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁承載力評(píng)估方法目前主要有：基于固有頻率變化的結(jié)構(gòu)性能評(píng)估；基于振型變化的結(jié)構(gòu)性能評(píng)估；剛度和柔度矩陣法；其他動(dòng)態(tài)評(píng)估方法。動(dòng)測(cè)技術(shù)檢測(cè)流程見圖1。

圖1 動(dòng)測(cè)技術(shù)檢測(cè)流程

4 橋梁索力檢測(cè)

斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中，斜拉索不僅起連接主梁、索塔、傳遞內(nèi)力和變形的作用，更主要是通過新的索力分布，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗變形能力進(jìn)行調(diào)整，保持結(jié)構(gòu)始終處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。各拉索中實(shí)際索力的大小就成為評(píng)價(jià)橋梁安全性和承載能力的主要參數(shù)。索由于腐蝕、疲勞等原因發(fā)生損傷，產(chǎn)生松弛，作為結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，索的破壞將可能給整體結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性的后果，因此索結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中也必須準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地測(cè)量索力。索的測(cè)量在結(jié)構(gòu)施工期和使用期內(nèi)都具有重要意義。在施工階段，調(diào)整索力用千斤頂張拉、用壓力表、壓力傳感器、三點(diǎn)彎矩法等靜力檢測(cè)方法，成橋后靜力檢測(cè)難以實(shí)行。所以動(dòng)測(cè)技術(shù)在成橋后索力檢測(cè)中有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。目前最常用的測(cè)量索力的動(dòng)測(cè)方法為頻譜法。頻譜法是依據(jù)索力與索的振動(dòng)頻率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，在已知索長度、兩端約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)時(shí)，將高靈敏度的拾振器綁在斜拉索上，拾取拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過濾波、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換和頻譜分析即可測(cè)出斜拉索的自振頻率，進(jìn)而由索力與拉索自振頻率之間的關(guān)系獲得索力，這是一種間接方法，現(xiàn)有儀器及分析手段，測(cè)定頻率精度可達(dá)到0.005 Hz。動(dòng)測(cè)技術(shù)在索力測(cè)量中的應(yīng)用對(duì)于成橋的驗(yàn)收和質(zhì)量評(píng)定提供了便利。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有促進(jìn)作用，而橋梁作為道路的咽喉，其安全性關(guān)系到道路的暢通。目前需要橋梁檢測(cè)人員對(duì)橋梁快速的進(jìn)行評(píng)估，而且大型橋梁需要時(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。目前我國橋梁質(zhì)量快速評(píng)估和健康監(jiān)測(cè)面臨著許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，大量舊橋需要科學(xué)評(píng)估，有效維修和加固，大跨度橋梁屢見不鮮。各國的評(píng)估方法大部分為靜力評(píng)估，靜力評(píng)估方法耗資巨大，費(fèi)時(shí)，各國開始探索動(dòng)力評(píng)估方法。該方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

1）在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)是橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容之一，對(duì)營運(yùn)中的橋梁進(jìn)行動(dòng)力特性參數(shù)監(jiān)測(cè)，掌握其隨時(shí)間和各種環(huán)境因素影響下的變化規(guī)律具有特別重要的意義。為評(píng)價(jià)橋梁的安全性提供了科學(xué)依據(jù)。環(huán)境振動(dòng)法建立不妨礙交通、適于遠(yuǎn)程遙控檢測(cè)以及獲取完整結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的橋梁自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外對(duì)既有橋梁快速、準(zhǔn)確地評(píng)定其工作狀態(tài)和安全性能，就可以為橋梁管理部門提供科學(xué)的決策信息，使得橋梁養(yǎng)護(hù)、加固措施和投資方案合理有效。

2）在承載能力評(píng)估領(lǐng)域，目前橋梁損傷識(shí)別是一個(gè)前沿的課題，而動(dòng)測(cè)技術(shù)是損傷識(shí)別系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外在常規(guī)承載力評(píng)估方面，也急需動(dòng)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，例如：人行天橋承載力評(píng)定所采用的大部分方法還是靜載試驗(yàn)堆積重物(砂袋等)法，耗費(fèi)人力、物力，生產(chǎn)效率低，動(dòng)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用在人行天橋的承載力評(píng)定上有較大的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)測(cè)技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是它對(duì)儀器的靈敏度要求較高，結(jié)果受設(shè)備的性能限制較大。動(dòng)測(cè)技術(shù)完全替代靜力評(píng)估方法還需要一定的時(shí)間，但是通過技術(shù)創(chuàng)新，其發(fā)展前景是遠(yuǎn)大的。

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