公路桥梁承载能力试验检测评估技术综述

道桥桥试试验验研研究究所所吴涤涤（（博博士士、、高高级级工工程程师师））二零零一一四四年年六六月月公路路桥桥梁梁承承载载能能力力试试验验检检测测评评估估技技术术综综述述四川川省省交交通通运运输输厅厅公公路路规规划划勘勘察察设设计计研研究究院院技技术术讲讲座座讲座提纲纲二、特殊殊检测技技术三、荷载载试验四、释疑疑与探讨讨一、概念念与方法法一、概念念与方法法公路桥梁梁承载能能力试验验检测评评估技术术综述承载能力力——衡量桥梁梁结构所所能承受受的最大大使用负荷荷的关键安安全指标标，是结结构或构构件在材材料强度度、结构构刚度、、稳定性性和抗裂性等方面性性能的综综合反映映。1、概念使用负荷荷——桥梁恒载载、交通通荷载、、温度、、收缩徐徐变抗裂性——现行桥规规对桥梁梁正常使使用极限限状态的的要求承载能力力V.S.桥梁技术术状况承载能力力V.S.设计荷载载标准（（公路I级、汽超超20）承载能力力V.S.桥梁技术术状况1、概念依据规范范不同桥梁技术术状况——《公路桥梁梁技术状状况评定定标准》(JTG/TJ21-2011)《公路桥涵涵养护规规范》(JTG/TH11-2004)桥梁承载载能力——《公路桥梁梁承载能能力检测测评定规规程》(JTG/TH21-2011)考察指标标不同桥梁技术术状况——承载能力力、使用用性能、、耐久性性、抗灾灾能力、、…考察范围围不同桥梁技术术状况——承重构件件、桥面面系、附附属物、、调治构构造、…评定方法法不同桥梁技术术状况——偏主观、、定性评评定桥梁承载载能力——偏客观、、定量评评定2、理论基基础材料力学学——材料强度度、抗裂裂性结构力学学——力传递路路径、稳稳定性分分析结构动力力学——结构振动动、模态态分析桥梁工程程学——以上领域域在工程程技术上上的结晶晶物探和测测试技术术——无损检测测、试验验测量结构可靠靠性理论论——现行桥规规的核心心理论基基础不确定性性——桥梁的材材料性质质、结构构尺寸、、荷载、、环境条条件、施施工缺陷陷、劣化化规律、、计算分分析理论论都是按按一定概概率分布布的随机机变量3、结构可可靠性理理论结构的极极限状态态——结构功能能失效的的临界状状态（弯弯曲破坏坏、剪切切破坏、、失稳））其中表表示示结构抗抗力和荷荷载的随随机变量量，表示结构构失效。。安全余度度：3、结构可可靠性理理论R,QpRQ结构抗力(R)荷载效应(Q)Q≥R破坏σQσQσRσR失效概率率其中是是前述述随机变变量的联联合概率率密度函函数。3、结构可可靠性理理论可靠性设设计的核核心——使失效概概率控控制在可可接受的的范围内内。可靠度指指数：，，针对通常常工程结结构，设设计计目标介介于2～4.5之间。新桥设计计：我国国桥规和和美国AASHTO规范对应应的目标标可靠度度指标为为3.5既有桥梁梁：AASHTO规范为2.5；我国为为新桥的的85%，即2.9753、结构可可靠性理理论βPf1.01.59x10-12.02.3x10-22.56.2x10-33.01.3x10-33.52.33x10-44.03.17x10-5正态分布布R-QpR-Qpf0βσR-Q破坏安全•σR-QσR-Qβ=R-Q/σR-Q=可靠度指指数pf=P[(R-Q)<0]=破坏概率率4、现行规规范公路桥涵涵设计通通用规范范(JTGD60-2004)公路钢筋筋混凝土土及预应应力混凝凝土桥涵涵设计规规范(JTGD62-2004)公路圬工工桥涵设设计规范范（JTGD61-2005）…公路桥梁梁承载能能力检测测评定规规程(JTG/TH21-2011)大跨径混混凝土桥桥梁的试试验方法法（YC4-41982）公路旧桥桥承载能能力鉴定定方法（（试行1988，交通部第第二公路路勘察设设计院编编写）——已废止4、现行规规范承载能力力极限状状态评定定：以配配筋混凝凝土桥梁梁为例5、评定方方法其中—结构重要要性系数数—荷载效应应函数—抗力效应应函数—材料强度度设计值值—构件砼/钢筋的几几何参数数—承载能力力恶化系系数—构件砼/钢筋的截截面折减减系数—承载能力力检算系系数5、评定方方法5、评定方方法承载能力力检算系系数——承重构件件的技术术状况5、评定方方法承载能力力检算系系数——承重构件件的技术术状况5、评定方方法承载能力力恶化系系数——材料性能能及其劣劣化情况况5、评定方方法承载能力力恶化系系数——材料性能能劣化情情况对钢筋锈锈蚀电位位评定标标度值为为3、4、5的构件才才需对以以上三项项进行检检测评定定。5、评定方方法钢筋截面面折减系系数——构件钢筋筋有效面面积损失失5、评定方方法混凝土截截面折减减系数——混凝土构构件有效效面积损损失R——材料风化化、碳化化、物理理与化学学损伤三三项检测测指标的的加权综综合评定定值。5、评定方方法正常试验验极限状状态评定定：以配配筋混凝凝土桥梁梁为例评估预应应力混凝凝土构件件的抗裂裂性5、评定方方法正常试验验极限状状态评定定：以配配筋混凝凝土桥梁梁为例评估结构构刚度5、评定方方法正常试验验极限状状态评定定：以配配筋混凝凝土桥梁梁为例评估钢筋筋混凝土土构件的的抗裂性性二、特殊殊检测技技术公路桥梁梁承载能能力试验验检测评评估技术术综述1、特殊检检测项目目1、特殊检检测项目目桥梁几何何形态参参数测定定桥梁结构构恒载变变异状况况调查桥梁结构构构件的的材质强强度检测测与评定定混凝土中中钢筋锈锈蚀电位位的检测测混凝土中中氯离子子含量的的测定混凝土电电阻率的的检测混凝土碳碳化状况况的检测测混凝土结结构钢筋筋分布状状况的调调查桥梁结构构固有模模态参数数的测定定索结构索索力的测测量桥梁墩台台与基础础变位情情况调查查地基与基基础的检检验2、混凝凝土强强度2、混凝凝土强强度回弹法法——砼表面面硬度度是一一个与与砼强强度正正相关关的量量，表表面硬硬度值值是随随强度度的增增大而而提高高。采用定定值动动能的的弹簧簧与钢钢锤冲冲击混混凝土土表面面，根根据回回跳值值与混混凝土土强度度的相相关关关系，，来确确定混混凝土土的抗抗压强强度。。对长期期服役役的旧旧桥构构件哟哟，由由于构构件表表面碳碳化导导致硬硬度增增加，，测定定值偏偏高。。2、混凝凝土强强度超声回回弹综综合法法——通过探探头发发射频频率适适合在在混凝凝土中中传播播的超超声波波，测测出声声波在在被测测物中中传播播的速速度，，通过过声速速与混混凝土土强度度之间间的关关系并并综合合回弹弹测定定值，，计算算出混混凝土土强度度推定定值。。由于声速与与混凝土含含水量相关关，旧桥构构件的含水水量显著降降低，可一一定程度抵抵消虽表面面硬度提高高的回弹推推定值。2、混凝土强强度测强曲线的的选择专用曲线地区曲线全国统一曲曲线当构件混凝凝土强度标标号大于60MPa时，可采用用标准能量量大于2.207J的回弹仪，，并应另行行制订检测测方法及专专用测强曲曲线。2、混凝土强强度3、构件缺损损状况3、构件缺陷陷状况目视检查——借助一定放放大成像或或远程图像像采集设备备，对构件件表面开裂裂、破损等等缺陷进行行检查。3、构件缺陷陷状况超声波探伤伤——超声波能够够以一定的的速度在混混凝土中传传播,直至遇到不不连续点或或抵达测试试物的边界界时才反射射回来。通通过信号的的强度可以以获知损伤伤的程度,而将信号发发生的时间间和超声波波在材料中中的传播速速度联系起起来,则可获知损损伤的位置置。①混凝土不密密实区和空空洞的检测测方法：对测测法、斜测测法换能器布置置：利用相相互平行的的对侧面、、钻孔布置置换能器②混凝土结结合面的检检测方法：对测测法、斜测测法③混凝土表表面损伤层层的检测方法：单面面平测法，，打孔逐层层穿透法④裂缝深度度的检测：单面平测测法⑤混凝土均均质性检验验3、构件缺陷陷状况红外热成像像技术——快速扫描桥桥梁结构开开裂、缺陷陷、剥离、、渗漏检查查等。测温范围：：-20℃~800℃℃温度分辨率率：0.03℃℃波长：8~12μμm精度：±0.5%（F.R.S)3、构件缺陷陷状况雷达（电磁磁波）技术术——利用高频电电磁波的反反射来探测测有电性差差异的界面面或目标体体的一种物物探技术，，在作业现场场快速取得得数据﹐获得混凝土结构构图像。具体应用：：混凝土构造厚度测量钢筋定位混凝土预应应力管道探测混凝土缺陷及不均匀性性探测钢筋保护层层厚度探测测3、构件缺陷陷状况雷达（电磁磁波）技术术——利用高频电电磁波的反反射来探测测有电性差差异的界面面或目标体体的一种物物探技术，，在作业现场场快速取得得数据﹐获得混凝土结构构图像。具体应用：：混凝土构造厚度测量钢筋定位混凝土预应应力管道探测混凝土缺陷及不均匀性性探测钢筋保护层层厚度探测测3、构件缺陷陷状况冲击回波法法——利用应力波波能够在材材料中传播播的原理,基本的测试试方法和超超声波相似似。通过应应力波的强强度和发生生时间测定定缺陷的程程度和位置置。具体应用：：混凝土构造厚度测量预应力管道压浆质质量探测混凝土缺陷及不均匀性性探测3、构件缺陷陷状况声发射技术术——大多数结构构材料在受受力后出现现诸如塑性性变形、裂裂纹开裂、、裂纹开展展等微结构构损伤时,就以声波的的形式释放放能量。可可以对处于于荷载作用用状态下的的桥梁结构构材料和结结构变化进进行检测和和监测。预应力钢筋筋混凝土构构件预应力筋声发射传感器γ射线

3、构件缺损损状况X射线射线技术γ射线4、材料性能能劣化钢筋锈蚀电电位（半电电池电位法法）——利用混凝土土中钢筋锈锈蚀的电化化学反应引引起的电位位变化来测测定钢筋锈锈蚀状态，，可通过测测量铜－硫硫酸铜参考考电极与钢钢筋－混凝凝土电极之之间电位差差确定。4、材料性能能劣化钢筋锈蚀电电位（半电电池电位法法）——利用混凝土土中钢筋锈锈蚀的电化化学反应引引起的电位位变化来测测定钢筋锈锈蚀状态，，可通过测测量铜－硫硫酸铜参考考电极与钢钢筋－混凝凝土电极之之间电位差差确定。4、材料性能能劣化氯离子含量量——混凝土中的氯氯离子可诱诱发并加速速钢筋锈蚀蚀，测量氯氯离子含量量可间接评评判钢筋锈锈蚀活化的的可能性。。采用现场场按混凝土土不同深度度取样，通通过对样品品进行化学学分析的方方法加以测测定。4、材料性能能劣化混凝土电阻阻率——混凝土电阻阻率是控制制混凝土中中钢筋锈蚀蚀速率的因因素之一，，混凝土电电阻率小，，钢筋锈蚀蚀发展速度度快。因此此，测量混混凝土电阻阻率可间接接评判钢筋筋的可能锈锈蚀速率。。4、材料性能能劣化混凝土电阻阻率——混凝土电阻阻率是控制制混凝土中中钢筋锈蚀蚀速率的因因素之一，，混凝土电电阻率小，，钢筋锈蚀蚀发展速度度快。因此此，测量混混凝土电阻阻率可间接接评判钢筋筋的可能锈锈蚀速率。。4、材料性能能劣化混凝土碳化化深度——混凝土碳化化将造成钢钢筋失去碱碱性保护，，从而易发发生锈蚀。。因此，检检测混凝土土碳化深度度可间接的的评判钢筋筋的可能锈锈蚀状态。。测量方法：：采用75％的酒精与与白色酚酞酞末制成浓浓度为1％～2％的酚酞指指示剂；在在测区表面面形成直径径约15mm的孔洞，吹吹净洞中的的碎屑与粉粉末，不得得水洗；将将酚酞指示示剂喷到测测孔壁上，，待混凝土土新茬变色色用混凝土土碳化深度度仪测量已已碳化界面面到混凝土土表面的垂垂直距离；；4、材料性能能劣化钢筋保护层层厚度——利用电磁脉脉冲穿入钢钢筋混凝土土结构中，，雷达波遇遇到金属物物体会反射射，并由天天线接收。。当钢钢筋筋直直径径、、材材质质、、布布筋筋状状况况、、混混凝凝土土性性质质都都确确知知时时，，才才能能准准确确测测量量保保护护层层厚厚度度。。4、材材料料性性能能劣劣化化钢筋筋保保护护层层厚厚度度———利用用电电磁磁脉脉冲冲穿穿入入钢钢筋筋混混凝凝土土结结构构中中，，雷雷达达波波遇遇到到金金属属物物体体会会反反射射，，并并由由天天线线接接收收。。三、、荷荷载载试试验验公路路桥桥梁梁承承载载能能力力试试验验检检测测评评估估技技术术综综述述荷载载试试验验———通过过有有计计划划地地对对桥梁梁结构构加加载载以以模拟拟桥梁梁实实际际工工作作状状态态，并并对对其其响响应应(如如位位移移、、应应力力、、频频率率、振振型型…等等)进进行行观观测测和和分分析析，，从而而评评估估桥桥梁梁结构构的的工工作作性性能能、承载载能能力力和和使使用用条条件件的一项项科科学学试试验验工工作作。。1、概概述述试验验目目的的———研究究性性试试验验和和鉴定定性性试试验验试验验荷载载———静载载试试验验和动载载试试验验试验验后后果果———破坏坏性性试试验验和和非破破坏坏性性试试验验试验验对对象象———原型型(现场场)试验验和模模型型试试验验1、概概述述试验验方方案案和和计计划划：：收集集图图纸纸等等基基础础资资料料；；现场场踏踏勘勘和和外外观观检检查查，，确确定定试试验验孔孔跨跨；；建立立有有限限元元模模型型，，计计算算设设计计荷荷载载内内力力并并选选取取控控制制截截面面；；设计计试试验验加加载载工工况况和和方方案案；；拟定定测测试试截截面面和和测测点点布布置置，，并并计计算算对对应应的的结结构构响响应应理理论论值值。。2、荷荷载载试试验验步步骤骤试验验准准备备：：布置置测测点点、、连连接接和和调调试试仪仪器器、、准准备备加加载载车车辆辆加载和观测：：加载：分级控控制与过程安安全控制；观测：应变、、位移、温度度、动载响应应、固有模态态特性数据分析与评评价丽攀高速倮果果金沙江特大大桥：主桥上部结构构为三跨预应应力混凝土连连续刚构，跨跨径布置为(120+230+120)m，采用单箱单单室箱形截面面，分幅设计计。设计荷载载标准：公路路I级。3、静载试验：：实例有限元模型分分析：采用专用空间间分析程序MIDAS/Civil2010建立主桥空间间有限元模型型，在设计荷荷载作用下计计算结构内力力包络图。3、静载试验：：实例确定试验控制制截面：根据计算所得得设计荷载作作用下的内力力包络图，选选取控制截面面。3、静载试验：：实例根据控制截面面设计试验工工况：3、静载试验：：实例丽江岸边跨跨跨中附近梁截截面(A-A截面)最大正弯矩加加载工况(正载)。6#主墩墩顶附近近梁截面(B-B截面)最大负弯矩加加载工况(正载)。中跨L/4处梁截面(C-C截面)负弯矩加载工工况(正载)。中跨跨中截面面(D-D截面)最大正弯矩加加载工况(正载+偏载)。金江岸边跨跨跨中附近梁截截面(E-E截面)最大正弯矩加加载工况(正载)。金江岸7#主墩墩顶截面面最大纵向位位移加载工况况(正载)确定试验荷载载效率：等效效荷载原则式中，η—静力试验荷载载效率；Sstate—试验荷载作用用下，控制截截面的变位或或内力计算值值；S—设计标准活载载作用下，控控制截面的变变位或内力计计算值(不计冲击)；δ—设计取用的冲冲击系数。加载车辆：3、静载试验：：实例确定试验荷载载效率：等效效荷载原则汽车和人群(标准设计荷载载)；挂车或履带车车(验算荷载)需通行的特殊殊重型车辆3、静载试验：：实例加载方案设计计3、静载试验：：实例

工况二影响线一级加载图工况二影响线二级加载图工况二影响线三级加载图分级加载加载弯矩(kN.m)效率系数效率增量第一级-59014.630.690.69第二级-69236.900.810.12第三级-84050.940.990.17绘制加载车辆布置置图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：：测试截面和测测点布置3、静载试验：：实例主跨跨中截面面主跨1/4截面墩顶负弯矩截截面全桥挠度测试试截面荷载试验常用用测量仪表3、静载试验：：实例应变测量：利用惠斯通电电桥平衡测量量电阻改变，，从而进一步步得到应变。。4、应变测量：：电阻应变仪仪电桥平衡(UBD=0)：若R1~R4为四个阻值相相同应变片，，受力后，BD间电压改变为为：应变片在电桥桥中的接法常常有的三种形形式：半桥单臂接法法半桥双臂接法法全桥接法4、应变测量：：电阻应变仪仪应变测量：布拉格光纤光栅传感感光纤光栅传感感器是利用反反射(或透射)谱的波长变化化来实现测试试量的确定，，其反射(透射)谱的波长与光光栅的周期及及纤芯的有效效折射率有关关。应变和温度是最能直接显显著改变布拉拉格光栅波长长的物理量。。4、应变测量：：布拉格光纤纤光栅预埋式安装光光纤光栅应力力传感器表面式安装光光纤光栅应力力传感器4、应变测量：：布拉格光纤纤光栅4、应变测量：：布拉格光纤纤光栅光纤光栅解码码分析仪高速扫描式光光纤光栅传感感系统原理结结构图5、位移测量：：接触式测量量5、位移测量：：联通管静力力水准测量传感器固定在在被测物表面面，当被测点点发生垂直位位移时，悬浮浮在水中的圆圆球体上下移移动，带动角角位移传感器器测出浮体上上下移动角度度变化而感知知测点垂直位位移的变化。。利用连通器器的原理，可可以使用多只只（≤255只）静力水准准仪，组成一一个测量系统统。适用于纵坡不不大、相对高高程差较小的的梁式桥。5、位移测量：：微波干涉测测量技术采用步进频率率连续波（SF-CW）技术，以不不同的步进频频率在一段时时间内连续向向被测物发射射一组（n个）电磁波。。雷达接收器测测量所有反射射回来的信号号，通过砼一一点反射信号号的相位差确确定精确的位位移变化。5、位移测量：：微波干涉测测量技术遥感测量：最最远可接近1公里实时直接测量量建筑物位移移，精确度可可达0.01毫米全天候24小时连续监测测可以准确测量量和追踪频率率为[0-50]Hz的振动静载试验：中中跨跨中位移移变化曲线跑车试验：中中跨跨中位移移时程曲线5、位移测量：：微波干涉测测量技术遥感测量：最最远可接近1公里实时直接测量量建筑物位移移，精确度可可达0.01毫米全天候24小时连续监测测可以准确测量量和追踪频率率为[0-50]Hz的振动振动频率分析析试验数据分析析5、静载试验：：实例（续））1、试验数据：：1）测值修正；；2）温度影响修修正；3）支点沉降影影响修正2、变位的计算算：总变位：=加载达到稳定定时测值-加载前初始值值弹性变位：=加载达到稳定定时测值–卸载后测值残余变位：=总变位–弹性变位试验数据分析析5、静载试验：：实例（续））3、荷载-变形曲线试验数据分析析5、静载试验：：实例（续））4、位置-变形曲线（挠挠度沿桥梁纵纵轴线及横向向的分布曲线线）试验数据分析析5、静载试验：：实例（续））5、应变沿截面面高度的分布布曲线——考察平截面假假定试验数据分析析5、静载试验：：实例（续））6、校验系数——实测值与理论论值对比7、残余比结构类型βαα1η≤1.0η=1.1η=1.2η=1.3η≥1.4预应力混凝土与组合结构0.71.051.071.101.121.150.20钢筋混凝土与圬工结构0.61.101.121.151.171.200.25说明：当静力荷载试验效率η为中间数值时，值可直线内插。试验结果评定定5、静载试验：：实例（续））1、概述桥梁结构固有有的动态特性性参数：自振频率、振振型、阻尼比比系数。6、模态试验：：实例模态阶数频率(CYCLE/SEC)10.590620.718630.831340.922850.989261.291371.705781.7560有限元模型特特征值分析结结果6、模态试验：：实例结构模态测试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：：实例结构模态测试试分析结果实测竖向2阶振型编号计算值(Hz)实测值(Hz)阻尼比（%）振型10.5910.7560.790横向1阶20.7191.0740.254纵向1阶30.9891.0780.417竖向1阶41.2911.6941.754横向2阶51.7561.9500.665竖向2阶6、模态试验：：实例模态试验结果果评定四、释释疑与与探讨讨公路桥桥梁承承载能能力试试验检检测评评估技技术综综述疑问1：荷载载试验验能“称”出桥梁梁承载载能力力吗？？误解1:荷载试试验是是测量量桥梁梁承载载能力力最直直接、、最可可靠的的“终终极解解决方方案””。误解2:只要荷荷载试试验现现场过过程顺顺利通通过（（无开开裂、、无异异响…），桥桥梁承承载能能力就就满足足要求求。误解3:桥梁安安全余余度=1-静载试试验校校验系系数疑问1：荷载载试验验能“称”出桥梁梁承载载能力力吗？？释疑1:常规荷荷载试试验的的加载载历程程只是是结构构线弹弹性范范围的的一部部分疑问1：荷载载试验验能“称”出桥梁梁承载载能力力吗？？释疑1:常规荷荷载试试验的的加载载历程程只是是结构构线弹弹性范范围的的一部部分P-δ曲线疑问1：荷载载试验验能“称”出桥梁梁承载载能力力吗？？释疑1:常规荷荷载试试验的的加载载历程程只是是结构构线弹弹性范范围的的一部部分P-ε曲线疑问1：荷载载试验验能“称”出桥梁梁承载载能力力吗？？释疑2:常规荷荷载试试验的的控制制荷载载只是是“额额定荷荷载””设计规规范中中承载载能力力极限限基本本组合合:1.2*恒载+1.4*汽车荷荷载+0.6*1.4*(系统温温差+温度梯梯度+徐变））试验控控制荷荷载：：1.0*恒载+1.0*汽车荷荷载+1.0*徐变常规荷荷载试试验只能解解决判判断题题：桥桥梁是是否满满足设设计““额定定荷载载”。。只只有破坏性性试验验才能””称””出承承载能能力。。荷载试试验评评定结结果为为“是是”，，还需需根据据试验验结