桥梁检测技术的探讨

2 0 0 6年 9月

辽宁省交通高等专科学校学报

JOURNAL　OF　L IAON IN G　PROV INC IAL　COLLEGE　OF　COMMUN ICATIONS

Vol. 8 No. 3

Sep . 2 0 0 6

文章编号 : 1008 - 3812 ( 2006 ) 03 - 016 - 03

桥梁检测技术的探讨

李海军

(辽宁省交通高等专科学校 ,辽宁沈阳　110122)

　　摘　要　桥梁在一个国家的交通运输和经济发展中占有重要位置。桥梁的检测是保证桥梁安全运营的重要

手段。本文对我国目前桥梁结构检测情况进行阐述和分析 ,并列举了桥梁结构检测的方法。

关键词　结构检测　桥梁　承载力　健康检测

中图分类号 : U446. 2　　　　　　　　　　文献标识码 : C

　　随着我国交通建设的迅速发展 ,交通运输量大幅度提

高 ,行车密度及车辆载重也越来越大 ,跨河桥梁和高架桥梁

在交通工程中的重要性与日俱增。然而 ,现有桥梁中有相当

一部分已不能满足使用上的要求 ,这是各国所面临的严峻问

题 ,特别是建造年代久远、害严重的在役桥梁 ,受人为损坏

和自然灾害的频繁影响 ,桥梁劣化情况严重 ,很多已不能维

持正常使用 ,而采取限重、速等通行措施 ,有时甚至不得不

关闭旧危桥梁。

解决在役桥梁质量和安全隐患问题 ,首先要对在役桥梁

的劣化与受损情况进行全面检测 ,进行安全性评估 ,确定结

构物实际承载能力 ,判断损伤是否对桥梁承载力和耐久性构

成威胁。通过早期桥梁病害的发现 ,能够大大节约桥梁的维

修费用 ,可以避免频繁大修关闭交通所引起的重大损失 ,最

大程度减小桥梁事故造成的损失。研究桥梁检测与安全性

评估方法 ,建立健康有效的桥梁检测与预警系统 ,是目前交

通工程中的重要课题。

1　基于表观的检查分析与评价

表观检查包括桥梁整体与局部构造几何尺寸的量测、

构病害 (结构裂缝、构附属设施病害 )的检查与量测等 ,表

观检查的项目和要求对不同的桥型有不同的侧重点。表观

双频带红外线自动温度成像系统 ;用于桥面板检测的探地雷

达成像系统 ,整桥测量的激光雷达 ;整桥测量的无线电脉冲

转发器 ;测量桥梁超载情况的装置 ;用于裂缝检测的新型超

声波与磁分析仪 ;测量钢桥中疲劳裂缝的温度成像系统等

等。

我国目前还应用一些常规的、动化程度较低的测试仪

器和设备。表观检查、构资料调查以及材料检测仅满足了

桥梁检测与损伤评价的前 3个目标层次 ,需要利用这些成果

进行桥梁结构的分析 ,完成对桥梁当前结构状况 (主要是承

载力 )的评价。利用有限元技术 ,根据检测成果 ,可以完成对

桥梁结构的分析与评价 ,而且也有成熟的和成套的通用有限

元分析软件 ,如 Ansys、SAP可供直接使用 ,也可以编制一些

专用的软件。交通部公路科学研究所针对桥梁检测试验研

究开发了桥梁结构检测分析系统 QLJC,此系统以现有公路

桥梁设计系统 GQJS和桥梁结构空间非线性动、静力有限元

程序 JFDJ为基础 ;能够建立桥梁结构空间有限元模型 ,运用

实体单元法和空间梁格法进行静动力试验分析、验荷载效

率计算 ,查取测点位置理论计算值等。该系统是桥梁检测工

作的辅助工具 ,也可用于分析宽、、桥梁结构空间受力状

态。

检查要达到可以定量反映桥梁当前结构状况、据相关规范

评定桥梁技术等级的要求。结构资料的调查包括了解桥梁

2

2. 1

现有桥梁承载力检测方法

分析计算法

的原结构设计、工工艺及过程以及桥梁的结构维修养护历

史等。

材料检测主要是指桥梁结构材料的无损或微损检测。

对于钢筋混凝土桥梁来讲 ,主要是混凝土与钢筋的相关检

测 ,包括混凝土的强度等级、化深度、耐久性有关的含碱

量和氯离子含量 ,以及钢筋的锈蚀状况、护层厚度测试等。

表观检查、构资料调查以及材料检测等都应满足当前桥梁

结构分析的需要。

表观检查和材料检测技术及相关测试仪器设备发展很

快 ,是桥梁无损检测的重点研究领域。测试仪器设备及相关

技术研究在国外桥梁无损检测研究方面占有很大的比重 ,相

继研制成功或正在研制融合电、、达、字信号处理等相

关学科的高技术成套测试仪器和设备 ,如用于桥面板检测的

收稿日期 : 2006 - 04 - 20

・16・

首先对被检定的桥梁结构进行检查 (搜集资料、现状检

查、质与地基的检验等 ) ,然后将检查所得的有关资料和检

验测量结果 ,运用桥梁结构计算理论及有关的经验系数进行

分析计算 ,从而评定出桥梁的安全承载能力。分析计算法又

分为经验系数折算和理论计算两种做法。经验系数折算法

是以桥梁原有设计荷载等级为基础 ,同时考虑桥梁损坏程

度、料老化程度、桥面行驶条件、实际交通情况、桥梁建造

使用期限等因素 ,经过广泛的调查研究确定出各项对应的系

数 ,从而折算出桥梁安全承载力。理论计算法是当原桥荷载

等级不清楚或上述的各种系数较难确定时 ,应用结构计算理

论 ,估算出桥梁结构可能承受的最大外力 (如弯距 ) ;然后 ,再

与实际检定的荷载相比较 ,从而判定出桥梁安全承载力的方

法。此法应注意的问题是 :荷载计算应根据实际荷载 ,即采

用需通过的荷载等级进行验算 ;材料强度以实测结果为准 ;

应正确地把结构的缺陷估计到计算中去。

病

限

结

结

自

结

试

弯斜

依

施

碳与

保

结

磁雷数

材

材

　第 3期

李海军 :桥梁检测技术的探讨

2. 2

荷载试验法

在以下问题有待解决。 1 )动力特性测试信号采集的噪声干

桥梁结构荷载试验是对桥梁结构物工作状态进行直接

测试的一种检定手段 ,是对桥梁结构性能最直观、最可靠的

检测方法 ,按施加荷载的类型可分为静载试验和动载试验 ,

我国在这方面有成熟的方法或标准。桥梁结构静载试验是

按照桥梁的设计荷载等级 ,根据荷载的最不利位置 ,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 ,静载试验的加载量一般

为设计荷载的 0. 8～1. 0倍 ,试验前应先进行估算。如果原

桥的病害较大 ,初步判定承载能力将降低 ,则加载量可先低

一点 ,逐步加载 ;若需要进行超载试验 ,可逐步提高加载量 ,

但要谨慎 ,加强检查 ,加载方法采用时间短的方式 ,测试所关

扰及信号处理中的失真 ,造成损伤评价结果的误判。 2 )动力

体系及其非线性问题的复杂性 ,使得桥梁结构动力很难得到

符合实际状态的结果。 3)桥梁结构动刚度的复杂性 ,尤其是

当结构裂缝出现后 ,结构的动刚度表现更为复杂 ,同振动的

历程与应力环境密切相关 ,使得无法进行结构动刚度的比较

分析。因此基于结构动态荷载响应桥梁结构的损伤识别与

评价 ,进行理论分析的成果较多 ,应用于工程实践并得到损

伤评价结果的较少 ,仍有大量的工作要做。在桥梁结构试验

中 ,基于静载响应的桥梁结构分析方法是主要和基本的方

法 ,动载响应测试分析处于辅助的地位 ,其测试的桥梁结构

动力特性成果可用于桥梁的振动控制与抗震分析。

心截面的静位移、应变、转角等桥梁结构荷载响应 ,进而

2. 3

实物调查比较法

根据测试结果推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使

用能力。静载试验可以直接了解桥梁结构承载情况 ,验证桥

梁结构设计理论和计算方法 ,确定和判断桥梁结构实际的承

载能力。可以通过某项结构响应 (位移、变或应力等 )实测

值与理论计算值的对比 ,得到该项响应的校验系数 ,从而对

桥梁的结构性能进行评价。

桥梁结构动载试验采用车辆通过、击或环境激振等加

荷方式 ,通过采集设备获得桥梁结构的振动响应信号 ,对这

些信号进行处理得到桥梁结构的频率、模态等动力特性 ,进

而对桥梁结构性。对桥梁结构施加荷载 (静载或动载 ) ,通过

相应的仪器设备获得桥梁结构的响应 ,可以根据这些响应进

行分析 ,得到桥梁结构的性能参数 ,通过这些参数的变化 ,对

桥梁结构进行损伤识别与性能评价。

基于结构静态响应 ,进行损伤识别主要有系统识别、神

经网络等方法 ,其中系统识别方法更为实用。系统识别方法

的概念来源于自动化领域 ,现逐步在土木工程领域中得到应

用。系统识别方法首先建立反映桥梁结构体系的力学模型 ,

由施加的荷载 ,分析得到理论计算的结构响应值 ;比较结构

响应计算值与实测值 ,采用某种算法 ,通过反复修改原建立

模型的参数 ,使响应计算值与实测值达到可以接受的程度

(目标函数 ) ,获得模型的参数 ,从而实现对桥梁结构的识别。

选取适当的识别参数是系统识别方法的首要工作 ,对于钢筋

此法是由实际交通情况来检定桥梁承载力的动态求法。

它是对被检定桥梁进行相当长期的观测 ,根据桥梁通过的车

辆荷载 ,测定车辆通过时桥梁各主要部位的挠度 (跨中或产

生挠度最大处 )、变、力、缝开展情况等数据 ,然后对这

些数据进行统计分析 ,从而得出桥梁可以承受的荷载等级。

对不同的桥梁构件 ,承载能力的表达方式是不同的。例

如对于受轴向力为主的单元可采用轴力的标准 ;而对受弯构

件则需采用弯矩 (或弯矩和剪力的联合 )作为判据。就目前

来说 , Taly提出的承载能力评估方法还是比较合理的。其分

析步骤如下 :①分析各桥梁构件在设计活载 (如汽 20或汽超

20)下的最大弯矩、力、力、形等 ;②计算各桥梁构件的

恒载内力 (包括弯矩、力、轴力、形等 ) ;③基于各桥梁构

件的真实截面特性以及设计规范所给定的指标计算各单元

的承载能力 ;④计算各桥梁构件的活载承载能力 (由步骤 3

和步骤 2的计算值相减即可 ) ;⑤步骤 4和步骤 1的计算值

之比即可作为各单元的承载能力评价指标。

这种方法以普通的结构分析和现行的设计规范为基础 ,

结合实桥检测的结果进行评估 ,易为评估者接受和理解 ,但

在对结构失效模式的判断以及对结构非线性的处理上仍存

在很大的困难。另外 ,还有必要对设计准则的调整、安全系

数的取值、构损伤的确定以及分析方法的选择等作进一步

的研究。

混凝土梁桥可选取梁的截面刚度作为待识别结构模型参数 ;

3

桥梁健康检测

对其他桥型可以转化为杆件系统 ,选取杆件的刚度做为识别

参数。可以分析出完好结构的相应参数 ,与识别的参数进行

比较分析 ,从而实现损伤识别与桥梁结构的评价。桥梁结构

静载试验一般条件较多 ,对测试仪器的量测精度要求高

等因素 ,阻碍了基于结构静态荷载响应桥梁结构的损伤识别

与评价技术的发展与应用。随着当前高新技术传感器的出

现 ,可以实现桥梁结构响应的高精度量测 ,该技术也逐步开

始应用或者和动载试验结合起来应用。

桥梁结构动力响应损伤识别在理论上被大家认可的是

融合振动理论、动测试技术、信号采集与分析等跨学科技

术的试验模态分析法 ,其识别方法有系统识别、神经网络、

传算法等 ,系统识别方法的分析概念和分析过程同静力响应

损伤识别 ,其中主要是神经网络方法。桥梁动力特性测试简

便易行 ,对测试条件要求少 ,因而被认为是在桥梁结构损伤

桥梁健康检测是指运用现代的传感与通信技术 ,适时地

(定期地或突发事件后特别地 )采集桥梁的工作参数 ,由计算

机采用健康检测智能系统对工作参数进行识别、工和分析 ,

给出桥梁的健康状况或损伤状况 ,为桥梁维护、修与管理决

策提供依据和指导 ,并为桥梁设计理论的发展提供足尺寸真

实构件、实环境的长期设计验证。 80年代中后期开始建立

各种规模的桥梁健康检测系统。例如 ,英国在总长 522m的三

跨变高度连续钢箱梁桥 Foyle桥上布设传感器 ,监测大桥运营

阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、度和应变等响应 ,同

时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整

的监测系统之一 ,它实现了实时监测、时分析和数据共享。

我国自 90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模

的结构监测系统 ,如的青马大桥、汲水门大桥和汀九大

桥 ,内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。

识别领域最有前途的桥梁无损检测技术。但是该方法仍存

3. 1

桥梁健康检测与桥梁结构动力性能评价

・17・

静静

应

冲

应应裂

剪轴变

剪变

结

振

遗

加

维

真

挠

实

辽宁省交通高等专科学校学报

2006年

桥梁结构动力性能的各参数 ,如固有频率、尼比、型

动力冲动系数等 ,即动力响应的大小 ,是宏观评价桥梁结构的

整体刚度、营性能的重要指标 ;也是一些规范评价桥梁安全

运营性能的主要尺度。经过多年桥梁健康检测经验的总结 ,

通常通过以下几个方面来评价桥梁结构的动力性能。

(1)比较桥梁结构频率的理论值与实测值 ,如果实测值

大于理论计算值 ,说明桥梁结构的实际刚度较大 ,反之则说

明桥梁结构的刚度偏小 ,可能存在开裂或其他不正常的现

象。

( 2 )根据动力冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行

车性能 ,实测冲击系数较大则说明桥梁结构的行车性能差 ,

桥梁平整度不良 ,反之亦然。

(3)实测阻尼比的大小反映了桥梁结构耗散外部能量

输入的能力 ,阻尼比大 ,说明桥梁耗散外部能量输入的能力

大 ,振动衰减得快 :阻尼比小 ,说明桥梁耗散外部能量输入的

能力差 ,振动衰减得慢。但是 ,过大的阻尼比可能是由于桥

梁结构存在开裂或支座工作不正常等现象引起的。

料和理论研究依据。

3. 3　健康检测的基本内容

桥梁健康检测是一种客观见之于主观、观再见之于客

观的过程 .检测人员对于桥梁这样一种客体 ,通过数据采集

的客观实践活动将其纳入主观世界 ,分析、判断后再见于客

观 ,体现在评定后的维修、加固以及今后设计建设的客观活

动 .所以 ,桥梁健康检测的基本内容包括参数采集、参数处

理、康评定三部分 .现在是计算机和信息技术突飞猛进的

时代 ,桥梁健康检测及其智能系统对桥梁工程有着特殊的必

要性和深远意义 .它已经作为一门学科活跃在桥梁工程界的

历史舞台上 ,可以相信 ,随着它在大量工程实践中的不断应

用 ,桥梁健康检测及其智能系统会得到不断的完善和提高 ,

并为桥梁乃至土木工程的发展做出应有的贡献。的青

马大桥就成功的应用了健康监测与检测技术 ,除了及时的对

桥梁的健康状况有明确的了解 ,另一个方面对随时出现的损

伤与破坏进行及时的补强与加固来延长桥梁的寿命。

综上所述 ,桥梁健康检测不只是传统的桥梁检测加结构

3. 2

桥梁健康检测与传统意义上的检测有很大的区别

在目的方面 ,传统桥梁检测往往仅是为了确定桥梁的损

评估新技术 ,而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研

究与发展三方面的意义。

伤状况 ,最多是在一定程度上对桥梁的继续工作能力提出评

4

结束语

价 .然而桥梁健康检测不仅获得桥梁的损伤状况或健康状

况 ,而且利用其智能系统中开放的数据库的数字化参数积

累 ,对已用的桥梁设计理论提供长期的、及时的由足尺寸真

实构件在真实环境下结构响应为基础的设计验证 ,继而为研

究发展桥梁理论提供低成本高效率的“试验”持 .以桥梁健

康检测作为设计的验证具有前所未有的优越性 ,它比较模型

试验而言 ,成本低 ;模型就是已有的桥梁 ,省去了模型制作费

用 ;效果真实 ,完全的足尺寸 ,真实的环境 ,真实的载荷 ;数据

的采集具有长期性 ,只要桥梁“健在”,数据就可以长期地收

集下去。

在实现的手段方面 ,传统桥梁检测的手段虽然有很大发

展并且日趋成熟 ,但对这些手段的应用往往是孤立的、被动

的 .桥梁健康检测通过现代的传感与通信技术的运用使得桥

梁健康检测智能系统像人的神经系统将人体各部分协调起

来一样 ,将各种检测手段通过计算机系统有机地组合在一

起 ,利用内部数据库和信号软件接口实现参数的采集和存

放 ,并借助于现代通信宽带的不断拓宽和高速高容量的计算

机系统可以实现异地数据采集 ,便捷、确、全。

在发展趋势方面 ,桥梁健康检测取代传统的桥梁检测已

是大势所趋 .桥梁健康检测可以为业主提供更加准确和全面

随着交通运输的快速发展和保障公路桥梁安全运营的

实际需求 ,桥梁养护已经成为交通部门的重点工作 ,特别是

桥梁的检测技术要求新工艺、新设备、新技术的不断出现。

科技的发展 ,科研工作的深入 ,以及广大科研、设计等人员的

共同努力 ,研究桥梁检测与安全性评估方法 ,建立健康有效

的桥梁检测与预警系统 ,探索桥梁维护加固补强的施工工艺

与技术 ,这些重要的课题必将得到长足的促进 ,成为我国科

技发展的前沿。

参考文献 :

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业学院学报 (自然科学版 ) , 2005, ( 2)

的检测评定 ,而且可为设计人员提供前所未有的设计验证资

The Explora tion of the Technology of Br idge In spection

L i Haijun

〔Abstracts〕B ridge is important for transportation and enocomy development. B ridge detection is an important way to ensure the bridge

safety. The paper is to illustrate and analyse the condition of the brige construction inspection in our country recently, and lay out some

ways of the bridge construction inspection.

〔Keywords〕Construction inspection; B ridge; resistan cepower, health inspection

・18・

阻振

运

主

健

支

准安

检