公路桥梁承载能力试验检测评估技术

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.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/TJ21-2011)《公路桥涵养护规范》(JTG/TH11-2004)桥梁承载能力——《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TH21-2011)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。0),,()(21mXXXGXG),,(21mXXXX0)(XG安全余度：3、结构可靠性理论)()()(XQXRXGR,QpRQ结构抗力(R)荷载效应(Q)Q≥R破坏σQσQσRσR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。mXXXmXGXfdddXXXfP21),,(210)(),,(21mXXXXffP可靠度指数：，针对通常工程结构，设计目标介于2～4.5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2.5；我国为新桥的85%，即2.975fP3、结构可靠性理论βPf1.01.59x10-12.02.3x10-22.56.2x10-33.01.3x10-33.52.33x10-44.03.17x10-5正态分布R-QpR-Qpf0βσR-Q破坏安全•σR-QσR-Qβ=R-Q/σR-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(JTGD60-2004)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)公路圬工桥涵设计规范（JTGD61-2005）…公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/TH21-2011)大跨径混凝土桥梁的试验方法（YC4-41982）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：以配筋混凝土桥梁为例5、评定方法)1(),,,(10edssdccdZaafRS其中—结构重要性系数0—荷载效应函数—抗力效应函数SR—材料强度设计值—构件砼/钢筋的几何参数dfdsdcaa/—承载能力恶化系数—构件砼/钢筋的截面折减系数esc/1Z—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1Z5、评定方法承载能力检算系数——承重构件的技术状况1Z5、评定方法承载能力恶化系数——材料性能及其劣化情况e5、评定方法承载能力恶化系数——材料性能劣化情况e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s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cR——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c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c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c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。①混凝土不密实区和空洞的检测方法：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②混凝土结合面的检测方法：对测法、斜测法③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④裂缝深度的检测：单面平测法⑤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：-20℃~800℃温度分辨率：0.03℃波长：8~12μm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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声发射传感器γ射线3、构件缺损状况X射线射线技术γ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。CANINObject199.8s71.8s53.0s39.3s31.3s21.6s13.8s6.4s3.0s(%)28.1r18.8r13.7r8.0r9.7r7.8r7.4r3.5r3.0r(%)-100-150-200-250-300-350-400-450=-450(mV)m0.000.150.300.450.600.750.901.051.201.351.501.651.801.952.102.252.402.552.702.853.003.153.303.453.603.753.904.054.204.354.504.654.804.955.105.255.405.555.705.850.000.150.300.45x0.60x0.75x0.90x1.05x1.20x1.35x1.50x1.651.801.952.102.252.402.552.702.853.003.153.303.453.603.753.904.054.204、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，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。测量方法：采用75％的酒精与白色酚酞末制成浓度为1％～2％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制；观测：应变、位移、温度、动载响应、固有模态特性数据