公路桥梁承载能力试验检测评估技术.ppt

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1、道桥试验研究所吴涤（博士、高级工程师）二零一四年六月,公路桥梁承载能力试验检测评估技术综述,四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院技术讲座,讲座提纲,二、特殊检测技术,三、荷载试验,四、释疑与探讨,一、概念与方法,一、概念与方法,公路桥梁承载能力试验检测评估技术综述,承载能力衡量桥梁结构所能承受的最大使用负荷的关键安全指标，是结构或构件在材料强度、结构刚度、稳定性和抗裂性等方面性能的综合反映。,1、概念,使用负荷桥梁恒载、交通荷载、温度、收缩徐变 抗裂性现行桥规对桥梁正常使用极限状态的要求,承载能力 V.S.桥梁技术状况 承载能力 V.S.设计荷载标准（公路I级、汽超20）,承载能力 V.S.

2、桥梁技术状况,1、概念,依据规范不同 桥梁技术状况公路桥梁技术状况评定标准(JTG/T J21-2011)公路桥涵养护规范(JTG/T H11-2004)桥梁承载能力公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/T H21-2011),考察指标不同 桥梁技术状况承载能力、使用性能、耐久性、抗灾能力、,考察范围不同 桥梁技术状况承重构件、桥面系、附属物、调治构造、,评定方法不同 桥梁技术状况偏主观、定性评定 桥梁承载能力偏客观、定量评定,2、理论基础,材料力学材料强度、抗裂性 结构力学力传递路径、稳定性分析 结构动力学结构振动、模态分析 桥梁工程学以上领域在工程技术上的结晶 物探和测试技术无损检测、试验

3、测量 结构可靠性理论现行桥规的核心理论基础,不确定性桥梁的材料性质、结构尺寸、荷载、环境条件、施工缺陷、劣化规律、计算分析理论都是按一定概率分布的随机变量,3、结构可靠性理论,结构的极限状态结构功能失效的临界状态（弯曲破坏、剪切破坏、失稳）其中 表示结构抗力和荷载的随机变量，表示结构失效。,安全余度：,3、结构可靠性理论,失效概率其中 是前述随机变量的联合概率密度函数。,3、结构可靠性理论,可靠性设计的核心使失效概率 控制在可接受的范围内。,可靠度指数：，针对通常工程结构，设计目标介于24.5之间。新桥设计：我国桥规和美国AASHTO规范对应的目标可靠度指标为3.5既有桥梁：AASHTO规范为

4、2.5；我国为新桥的85%，即2.975,3、结构可靠性理论,正态分布,R-Q,p,R-Q,pf,0,R-Q,破坏,安全,R-Q,R-Q,=R-Q/R-Q=可靠度指数pf=P(R-Q)0=破坏概率,4、现行规范,公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/T H21-2011)大跨径混凝土桥梁的试验方法（YC4-4 1982）公路旧桥承载能力鉴定方法（试行 1988，交通部第二公路勘察设计院编写）已废止,4、现行规范,承载能力极限状态评定

5、：以配筋混凝土桥梁为例,5、评定方法,其中 结构重要性系数,荷载效应函数 抗力效应函数,材料强度设计值 构件砼/钢筋的几何参数,承载能力恶化系数 构件砼/钢筋的截面折减系数,承载能力检算系数,5、评定方法,5、评定方法,承载能力检算系数 承重构件的技术状况,5、评定方法,承载能力检算系数 承重构件的技术状况,5、评定方法,承载能力恶化系数 材料性能及其劣化情况,5、评定方法,承载能力恶化系数 材料性能劣化情况,对钢筋锈蚀电位评定标度值为3、4、5的构件才需对以上三项进行检测评定。,5、评定方法,钢筋截面折减系数 构件钢筋有效面积损失,5、评定方法,混凝土截面折减系数 混凝土构件有效面积损失,R

6、材料风化、碳化、物理与化学损伤三项检测指标的加权综合评定值。,5、评定方法,正常试验极限状态评定：以配筋混凝土桥梁为例,评估预应力混凝土构件的抗裂性,5、评定方法,正常试验极限状态评定：以配筋混凝土桥梁为例,评估结构刚度,5、评定方法,正常试验极限状态评定：以配筋混凝土桥梁为例,评估钢筋混凝土构件的抗裂性,二、特殊检测技术,公路桥梁承载能力试验检测评估技术综述,1、特殊检测项目,1、特殊检测项目,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

7、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,2、混凝土强度,2、混凝土强度,回弹法砼表面硬度是一个与砼强度正相关的量，表面硬度值是随强度的增大而提高。采用定值动能的弹簧与钢锤冲击混凝土表面，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。,对长期服役的旧桥构件哟，由于构件表面碳化导致硬度增加，测定值偏高。,2、混凝土强度,超声回弹综合法通过探头发射频率适合在混凝土中传播的超声波，测出声波在被测物中传播的速度，通过声速与混凝土强度之间的关系并综合回弹测定值，计算出混凝土强度推定值。,由于声速与混凝土含水量相关，旧桥构件的含水量显著

8、降低，可一定程度抵消虽表面硬度提高的回弹推定值。,2、混凝土强度,测强曲线的选择专用曲线地区曲线全国统一曲线 当构件混凝土强度标号大于60MPa时，可采用标准能量大于2.207J的回弹仪，并应另行制订检测方法及专用测强曲线。,2、混凝土强度,3、构件缺损状况,3、构件缺陷状况,目视检查借助一定放大成像或远程图像采集设备，对构件表面开裂、破损等缺陷进行检查。,3、构件缺陷状况,超声波探伤超声波能够以一定的速度在混凝土中传播,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。,混凝土不密实区和

9、空洞的检测 方法：对测法、斜测法 换能器布置：利用相互平行的对侧面、钻孔布置换能器混凝土结合面的检测 方法：对测法、斜测法混凝土表面损伤层的检测 方法：单面平测法，打孔逐层穿透法裂缝深度的检测：单面平测法混凝土均质性检验,3、构件缺陷状况,红外热成像技术快速扫描桥梁结构开裂、缺陷、剥离、渗漏检查等。,测温范围：-20800 温度分辨率：0.03 波长：812m 精度：0.5%（F.R.S),3、构件缺陷状况,雷达（电磁波）技术利用高频电磁波的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术，在作业现场快速取得数据获得混凝土结构图像。,具体应用：混凝土构造厚度测量 钢筋定位 混凝土预应力管道探测

10、 混凝土缺陷及不均匀性探测钢筋保护层厚度探测,3、构件缺陷状况,雷达（电磁波）技术利用高频电磁波的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术，在作业现场快速取得数据获得混凝土结构图像。,具体应用：混凝土构造厚度测量 钢筋定位 混凝土预应力管道探测 混凝土缺陷及不均匀性探测钢筋保护层厚度探测,3、构件缺陷状况,冲击回波法利用应力波能够在材料中传播的原理,基本的测试方法和超声波相似。通过应力波的强度和发生时间测定缺陷的程度和位置。,具体应用：混凝土构造厚度测量 预应力管道压浆质量探测 混凝土缺陷及不均匀性探测,3、构件缺陷状况,声发射技术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

11、开展等微结构损伤时,就以声波的形式释放能量。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。,预应力钢筋混凝土构件,预应力筋,射线,3、构件缺损状况,X射线,射线技术,射线,4、材料性能劣化,钢筋锈蚀电位（半电池电位法）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，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。,4、材料性能劣化,钢筋锈蚀电位（半电池电位法）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，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。,4、材料性能劣化,氯离子含量混凝土中的氯离子可诱发并加速钢筋锈蚀，

12、测量氯离子含量可间接评判钢筋锈蚀活化的可能性。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。,4、材料性能劣化,混凝土电阻率混凝土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。,4、材料性能劣化,混凝土电阻率混凝土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。,4、材料性能劣化,混凝土碳化深度混凝土碳化将造成钢筋失去碱性保护，从而易发生锈蚀。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。测量方

13、法：采用75的酒精与白色酚酞末制成浓度为12的酚酞指示剂；在测区表面形成直径约15mm的孔洞，吹净洞中的碎屑与粉末，不得水洗；将酚酞指示剂喷到测孔壁上，待混凝土新茬变色用混凝土碳化深度仪测量已碳化界面到混凝土表面的垂直距离；,4、材料性能劣化,钢筋保护层厚度利用电磁脉冲穿入钢筋混凝土结构中，雷达波遇到金属物体会反射，并由天线接收。当钢筋直径、材质、布筋状况、混凝土性质都确知时，才能准确测量保护层厚度。,4、材料性能劣化,钢筋保护层厚度利用电磁脉冲穿入钢筋混凝土结构中，雷达波遇到金属物体会反射，并由天线接收。,三、荷载试验,公路桥梁承载能力试验检测评估技术综述,荷载试验通过有计划地对桥梁结构加载

14、以模拟桥梁实际工作状态，并对其响应(如位移、应力、频率、振型等)进行观测和分析，从而评估桥梁结构的工作性能、承载能力和使用条件的一项科学试验工作。,1、概述,试验目的研究性试验和鉴定性试验 试验荷载静载试验和动载试验 试验后果破坏性试验和非破坏性试验 试验对象原型(现场)试验和模型试验,1、概述,试验方案和计划：收集图纸等基础资料；现场踏勘和外观检查，确定试验孔跨；建立有限元模型，计算设计荷载内力并选取控制截面；设计试验加载工况和方案；拟定测试截面和测点布置，并计算对应的结构响应理论值。,2、荷载试验步骤,试验准备：布置测点、连接和调试仪器、准备加载车辆,加载和观测：加载：分级控制与过程安全控

15、制；观测：应变、位移、温度、动载响应、固有模态特性,数据分析与评价,丽攀高速倮果金沙江特大桥：主桥上部结构为三跨预应力混凝土连续刚构，跨径布置为(120+230+120)m，采用单箱单室箱形截面，分幅设计。设计荷载标准：公路I级。,3、静载试验：实例,有限元模型分析：采用专用空间分析程序MIDAS/Civil 2010建立主桥空间有限元模型，在设计荷载作用下计算结构内力包络图。,3、静载试验：实例,确定试验控制截面：根据计算所得设计荷载作用下的内力包络图，选取控制截面。,3、静载试验：实例,根据控制截面设计试验工况：,3、静载试验：实例,丽江岸边跨跨中附近梁截面(A-A截面)最大正弯矩加载工况

16、(正载)。6#主墩墩顶附近梁截面(B-B截面)最大负弯矩加载工况(正载)。中跨L/4处梁截面(C-C截面)负弯矩加载工况(正载)。中跨跨中截面(D-D截面)最大正弯矩加载工况(正载+偏载)。金江岸边跨跨中附近梁截面(E-E截面)最大正弯矩加载工况(正载)。金江岸7#主墩墩顶截面最大纵向位移加载工况(正载),确定试验荷载效率：等效荷载原则式中，静力试验荷载效率；Sstate 试验荷载作用下，控制截面的变位或内力计算值；S 设计标准活载作用下，控制截面的变位或内力计算值(不计冲击)；设计取用的冲击系数。,加载车辆：,3、静载试验：实例,确定试验荷载效率：等效荷载原则 汽车和人群(标准设计荷载)；挂

17、车或履带车(验算荷载)需通行的特殊重型车辆,3、静载试验：实例,加载方案设计,3、静载试验：实例,绘制加载车辆布置图,3、静载试验：实例,工况2第1级加载布置：,工况2第2级加载布置：,工况2第3级加载布置：,测试截面和测点布置,3、静载试验：实例,主跨跨中截面,主跨1/4截面,墩顶负弯矩截面,全桥挠度测试截面,荷载试验常用测量仪表,3、静载试验：实例,应变测量：利用惠斯通电桥平衡测量电阻改变，从而进一步得到应变。,4、应变测量：电阻应变仪,电桥平衡(UBD=0)：,若R1R4为四个阻值相同应变片，受力后，BD间电压改变为：,应变片在电桥中的接法常有的三种形式：,半桥单臂接法,半桥双臂接法,全

18、桥接法,4、应变测量：电阻应变仪,应变测量：布拉格光纤光栅传感,光纤光栅传感器是利用反射(或透射)谱的波长变化来实现测试量的确定，其反射(透射)谱的波长与光栅的周期及纤芯的有效折射率有关。应变和温度是最能直接显著改变布拉格光栅波长的物理量。,4、应变测量：布拉格光纤光栅,预埋式安装光纤光栅应力传感器,表面式安装光纤光栅应力传感器,4、应变测量：布拉格光纤光栅,4、应变测量：布拉格光纤光栅,光纤光栅解码分析仪,高速扫描式光纤光栅传感系统原理结构图,5、位移测量：接触式测量,5、位移测量：联通管静力水准测量,传感器固定在被测物表面，当被测点发生垂直位移时，悬浮在水中的圆球体上下移动，带动角位移传感

19、器测出浮体上下移动角度变化而感知测点垂直位移的变化。利用连通器的原理，可以使用多只（255只）静力水准仪，组成一个测量系统。适用于纵坡不大、相对高程差较小的梁式桥。,5、位移测量：微波干涉测量技术,采用步进频率连续波（SF-CW）技术，以不同的步进频率在一段时间内连续向被测物发射一组（n个）电磁波。雷达接收器测量所有反射回来的信号，通过砼一点反射信号的相位差确定精确的位移变化。,5、位移测量：微波干涉测量技术,遥感测量：最远可接近1公里 实时直接测量建筑物位移，精确度可达0.01毫米 全天候24小时连续监测 可以准确测量和追踪频率为0-50Hz的振动,静载试验：中跨跨中位移变化曲线,跑车试验：

20、中跨跨中位移时程曲线,5、位移测量：微波干涉测量技术,遥感测量：最远可接近1公里 实时直接测量建筑物位移，精确度可达0.01毫米 全天候24小时连续监测 可以准确测量和追踪频率为0-50Hz的振动,振动频率分析,试验数据分析,5、静载试验：实例（续）,1、试验数据：1）测值修正；2）温度影响修正；3）支点沉降影响修正,2、变位的计算：总变位：=加载达到稳定时测值-加载前初始值 弹性变位：=加载达到稳定时测值卸载后测值 残余变位：=总变位弹性变位,试验数据分析,5、静载试验：实例（续）,3、荷载-变形曲线,试验数据分析,5、静载试验：实例（续）,4、位置-变形曲线（挠度沿桥梁纵轴线及横向的分布曲

21、线）,试验数据分析,5、静载试验：实例（续）,5、应变沿截面高度的分布曲线考察平截面假定,试验数据分析,5、静载试验：实例（续）,6、校验系数实测值与理论值对比,7、残余比,试验结果评定,5、静载试验：实例（续）,1、概述,桥梁结构固有的动态特性参数：自振频率、振型、阻尼比系数。,6、模态试验：实例,有限元模型特征值分析结果,6、模态试验：实例,结构模态测试分析结果,实测横向1阶振型,实测纵向1阶振型,实测竖向1阶振型,实测横向2阶振型,6、模态试验：实例,结构模态测试分析结果,实测竖向2阶振型,6、模态试验：实例,模态试验结果评定,四、释疑与探讨,公路桥梁承载能力试验检测评估技术综述,疑问1

22、：荷载试验能“称”出桥梁承载能力吗？,误解1:荷载试验是测量桥梁承载能力最直接、最可靠的“终极解决方案”。,误解2:只要荷载试验现场过程顺利通过（无开裂、无异响），桥梁承载能力就满足要求。,误解3:桥梁安全余度=1-静载试验校验系数,疑问1：荷载试验能“称”出桥梁承载能力吗？,释疑1:常规荷载试验的加载历程只是结构线弹性范围的一部分,疑问1：荷载试验能“称”出桥梁承载能力吗？,释疑1:常规荷载试验的加载历程只是结构线弹性范围的一部分,P-曲线,疑问1：荷载试验能“称”出桥梁承载能力吗？,释疑1:常规荷载试验的加载历程只是结构线弹性范围的一部分,P-曲线,疑问1：荷载试验能“称”出桥梁承载能力吗

23、？,释疑2:常规荷载试验的控制荷载只是“额定荷载”,设计规范中承载能力极限基本组合:1.2*恒载+1.4*汽车荷载+0.6*1.4*(系统温差+温度梯度+徐变）,试验控制荷载：1.0*恒载+1.0*汽车荷载+1.0*徐变,常规荷载试验只能解决判断题：桥梁是否满足设计“额定荷载”。只有破坏性试验才能”称”出承载能力。,荷载试验评定结果为“是”，还需根据试验结果重新评定检算系数Z2后，带入检算评估流程。,探讨：美国AASHTO规范的不同和启示,探讨：美国AASHTO规范的不同和启示,探讨：美国AASHTO规范的不同和启示,设计 随时间的变化性通常不予考虑评定 荷载与结构强度都随时间变化,探讨：美国AASHTO规范的不同和启示,设计 不确定性较高评定 指定的时间和地点,不确定性较低,探讨：美国AASHTO规范的不同和启示,提高结构评定可靠性的途径:利用动态秤重(WIM)建立车辆荷载谱，减少活载分布的不确性。利用荷载试验和模型修正技术，减少理论模型的不确定性。提高无损检测技术的可靠性和精度，减少承重构件和材料技术状况的不确定性。,“瘦身法”,谢 谢！,电话：电邮：,