一种基于弹性模量的混凝土桥梁承载力的无损测试方法

摘要

一种基于弹性模量的混凝土桥梁承载力的无损测试方法,属于工程检测技术领域，该方法为：根据混凝土桥梁的类型，将受力区域分为受压、受拉、受剪及不受力的中性区；对各区域进行冲击弹性波波速测试,敲击激振块和改变激振方向，得激振弹性波的首波分别为压缩波和拉伸波,按二者波速的差异,推断测试区域中裂缝有无;计算出混凝土的切线弹性模量Ed；测得的混凝土弹性模量Ec，推算混凝土的抗压强度；根据各区域的混凝土的切线弹性模量以及混凝土抗压强度，推算相应区域的应力水平及应力状态；根据各区域的应力水平和应力状态，推算桥梁的承载力。通过实施可以为桥梁的健康评价提供安全保障资料。

说明书

技术领域

本发明属于工程检测技术领域，特别涉及一种基于弹性模量的混凝土桥梁 承载力的无损测试方法。

背景技术

桥梁通行的安全与否，是关系国计民生的大问题。桥梁的损坏甚至垮塌， 不仅给交通运输带来极大损失，而且会给人民的生命财产造成巨大的灾难。上 述发明不仅适用于普通钢筋混凝土桥梁的检测，也可以适用于预应力混凝土桥 梁的检测。不仅可测试既有桥梁，还可以测试修建中的混凝土桥梁。

迄今为止，桥梁的损坏甚至垮塌，究其原因主要有以下几种：

a)施工质量的低劣，是造成施工中桥梁的跨塌或竣工后安全隐患严重的主 要原因之一；

b)在交通荷载、环境荷载等的反复作用下，造成混凝土及桥梁结构老化,承 载力下降。

c)桥梁的长期过载负荷，也是造成桥梁损坏的重要原因。少数运输部门在 经济利益驱动下，汽车超载严重，甚至超载2倍以上。这可能导致对桥 梁的严重危害。

为了保证桥梁的安全，除了提高施工质量、改善维护保养以外，实施定期 检测是非常必要和有益的。现有的桥梁检测方法一般有两大类，即基于载荷（静 力或动力）～变形的载荷试验和基于目视的外观检测方法：

a)载荷试验；

载荷试验就是给桥梁施加一定的荷载，通常是用载重汽车排列在桥梁上（单 向、双向等各个工况），通过测量在荷载下桥梁的挠度、频率等指标，并与设计 值进行对比进而判定桥梁的承载力。对于预制梁场的预制梁，也常常采用荷载+ 挠度测试的方法检测预制梁的质量。

b)外观检测；

当混凝土桥梁出现老化时，一般会出现裂缝等损伤现象。因此，通过观测 裂缝的有无、裂缝几何尺寸（宽度、长度、间距）以及分布位置等，进而对桥 梁的健全性进行判定。

这两种方法各有优劣：

对于载荷试验，其测试精度高，可以较为综合地反映桥梁的承载力，适用 于桥梁的精密检测。但该方法测试需要对桥梁施加较大的荷载，并需要安装沉 降、振动等各类传感器。不仅费时费力，而且常常需要限行，对交通影响大， 难以适用于铁路桥梁。此外，当桥梁承载力较低时，试验本身施加的荷载还会 造成一定的塑性变形，从而对桥梁产生一定的损伤。

外观检查作为一种简便、快速的检测手段，应用最为广泛。然而，该方法 一般缺乏定量手段，加上桥梁裂缝往往非常微细，远处无法识别，因而漏检现 象十分普遍。

因此，在载荷试验与外观检查之间，缺乏一种折中的手段，即缺乏一种既 简便快捷，又能够定量测试、评价混凝土桥梁承载力的手段。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是为了解决在混凝土桥梁安全保障方面提供一 种折中的手段，即给出一种快速简便的承载力测试评价方法。

本发明的目的，是提供一种基于弹性模量的混凝土桥梁承载力的无损测试 方法，在表述所采用的技术方案之前，先扼要地阐述以下方案的理论背景。

1.理论基础

当混凝土桥梁建成、并开始使用后，要承受各种各样的荷载（如交通荷载、 风荷载、自重荷载等）以及物理、化学作用。其中，在荷载的作用下，混凝土 梁会产生疲劳、老化。在物理、化学的作用下，混凝土材料会产生变质。对于 预应力混凝土桥梁，还会产生预应力损失等现象。上述的作用综合起来，会使 混凝土桥梁的刚性和强度（亦即承载力）降低，进而危害桥梁的安全。

桥梁承载力的降低表现在多个方面，例如下挠增大、振动加大、出现裂缝 等。其中，下挠、振动即为桥梁静、动载试验的基本测试参数，裂缝则是外观 检查的主要内容。

下挠增大、振动加大、出现裂缝等现象归根结底，反映了桥梁刚度的降低。 而刚度的降低又产生于两个方面：

1）混凝土弹性模量的降低；

2）由于裂缝面的产生使得桥梁有效截面面积的减少。

因此，如果能够测试出混凝土材料的弹性模量，以及裂缝面的变化状况， 即可对桥梁刚度以及承载力的变化进行推算。

冲击弹性波测试方法的发展则为上述的测试提供了理论和技术基础。根据 弹性波的理论，弹性波速v_p与材料的动切线弹性模量E_d之间有明确的联系，同 时，由于受到裂缝面的遮断，弹性波波速与裂缝之间也有密切的相关关系。因 此，通过测试冲击弹性波的波速v_p，从理论上讲，可以推算出混凝土的弹性模 量E_c和结构裂缝状态。

另一方面，在实际的测试、评价中会遇到诸多问题。例如钢筋、应力水平 的影响，评价基准、环境噪声对测试精度的影响等问题。而这些问题正是本发 明力图解决的。

2.本测试方法分为如下部分：

2-1测试区域及工况的选定

对于混凝土桥梁，根据混凝土的应力状况一般可以分为：

1）压缩区：主要承担压应力；

2）中性区：承担的应力较少；

3）拉伸区：与钢筋共同承担拉应力（该区域常常出现裂缝）

对于普通混凝土桥梁，上述3个区域均存在。其中，中性区位于梁高的中 间（中性轴附近）。对于预应力混凝土桥梁，在正常工况下且预应力体系正常作 用时，整个梁的混凝土处于压缩状态。当预应力损失较大或超载时，则受拉区 的混凝土可能出现拉应力，同时在梁中出现中性区。

因此，针对混凝土桥梁，应当测试梁的上、中、下部位。

此外，利用不同荷载进行测试，可以进一步提高测试精度。可取

1）仅桥梁自重荷载

2）自重+正常交通荷载（如列车通过，或典型交通状况） 下进行测试。

2-2冲击弹性波波速的测试

基于测试混凝土弹性模量的混凝土桥梁承载力的无损测试方法系统构成如 图1.

冲击弹性波由激振锤敲击激振块（图2、4：适用于混凝土梁的侧面激振、 受信）或者直接敲击混凝土表面（图3：适用于混凝土梁的端面激振、受信）产 生。对于建设中的桥梁，可以采用各个方式，而对于在役中的桥梁，由于端面 被封闭，往往只能采用图2、4的方式。

激振信号和受信信号均利用信号采集仪收集到计算机中。

在产生的冲击弹性波中，有多种成分，而在本发明中采用其中的P波（也 称纵波）成分。

P波弹性波波速V_P用下式计算：

$V_P=\frac{L}{T_R-T_S+\mathrm{\Delta T}}$  【式--1】

其中，T_S、T_R、△T分别定义为T_s--激振时刻（激振传感器或冲击锤上传感 器的时刻），T_R--受信传感器初动时刻、△T--传感器的反应时间滞后修正。

此外，当测试距离较短时，为了提高测试精度，可以采用多频道或移动传 感器位置多次测试并采用回归的方法来提高波速的测试精度。

在利用激振块激振时，通过改变激振方向，可以使激振的P波的首波为压 缩波（图2，即弹性波波首的粒子运动方向与弹性波的传播方向一致）或拉伸波 (图4，即弹性波波首的粒子运动方向与弹性波的传播方向相反）。这两种首波 对混凝土裂缝的敏感性不同：压缩波相对较为钝感，而拉伸波对裂缝的存在更 为敏感。

2-3混凝土弹性模量的推算

利用冲击弹性波P波的波速，可以测试出在各点或者各区域的混凝土在该 应力条件下的动切线弹性模量E_d。

对于在混凝土桥梁顶板或者腹板测试的P波，其波速V_p2可以认为是2维弹 性波，其与结构的动弹性模量间的关系如下：

$V_{p2}=\sqrt{\frac{E_d}{\rho (1-{\mu }^2)}}$  【式--2】

其中，E_d、ρ、μ分别为测试对象的动弹性模量、密度和泊松比。

考虑到桥梁中均配有一定数量的钢筋，需要对其影响进行修正：

$E_{\mathrm{cd}}=\frac{E_d-{\rho }_s{E}_{\mathrm{sd}}}{1-{\rho }_s}$   【式--3】

其中：E_cd为修正后的混凝土的动弹性模量；

ρ_s为配筋率，根据设计值定；

E_sd为钢筋的动弹性模量，可取206GPa。

E_cd就是在该当应力状态下的混凝土的动切线弹性模量。

通常，我们需要混凝土的静切线弹性模量E_ct，可以按下式换算：

E_ct=0.83E_sd  【式--4】

在应力水平很低或不受力条件下，其静切线弹性模量E_ct即为混凝土弹性模 量E_c。

2-4混凝土强度的推算；

根据“混凝土结构设计规范”（GB50010-2002），混凝土立方体抗压强度标 准值f_cu,k和弹性模量E_c之间有如下的对应关系：

$\frac{E_c}{\mathrm{Mpa}}=\frac{{10}^5}{2.2+34.74/f_{\mathrm{cu},k}}$  【式--5】

即有：

$\frac{f_{\mathrm{cu},k}}{\mathrm{Mpa}}=\frac{34.74}{\frac{100}{E_c/\mathrm{Gpa}}-2.2}$  【式--6】

对超过C50的高强混凝土，模量的计算值需要乘以0.90。换而言之，

$\frac{f_{\mathrm{cu},k}}{\mathrm{Mpa}}=\frac{34.74}{\frac{90}{E_c/\mathrm{Gpa}}-2.2}$  【式--7】

对于超过C50的高强混凝土或特种混凝土，建议对f_cu,k和E_c的关系进行标定。

2-5混凝土应力水平的推算

无侧限（或正截面受弯）条件下，混凝土受压的压力应变关系可以规定如 下：

$\sigma =f_c[1-{(1-\frac{ϵ}{{ϵ}_0})}^n]$  【式--8】

式中，σ、ε为混凝土的应力和应变，f_c可以认为是混凝土的抗压强度，ε₀为对应于混凝土压应力达到f_c时的应变。n为形状系数，可按下式取值：

f_c≤50MPa时，n=2；

f_c>50MPa时，$n=2-\frac{f_c-50}{60};$

将上式的左右分别对ε求导，经整理可得：

$\frac{\mathrm{d\sigma }}{\mathrm{dϵ}}=n\frac{f_c}{{ϵ}_0}{(1-\frac{\sigma }{f_c})}^{\frac{n-1}{n}}$  【式--9】

也可以改写成

$E_{\mathrm{ct}}={\mathrm{nE}}_0{(1-S_L)}^{\frac{n-1}{n}}$【式--10】

$=E_i{(1-S_L)}^{\frac{n-1}{n}}$

其中，E_ct为在某一σ、ε下的混凝土静切线弹性模量，可由【式--4】得到；

E₀为对应于混凝土压应力达到f_c时的割线弹性模量；

E_i为混凝土初始切线弹性模量，也就是混凝土弹性模量E_c；

S_L为σ/f_c，为在某一应力（σ、ε）条件下的混凝土应力水平。

当无法得到混凝土弹性模量E_c或为了提高推算精度，可以利用不同应力条件 下的结果回归E_c和S_L。其方法如下：

1）仅自重作用下的测试

此时的混凝土切线弹性模量可以表示为：

$E_{\mathrm{ct}\_z}=E_i{(1-S_{\mathrm{LZ}})}^{\frac{n-1}{n}}$  【式--11】

2）自重+交通荷载作用下的测试

根据交通荷载的大小，可以推算出应力水平的增量△S_L。因此。此时的切线 弹性模量为：

$E_{\mathrm{ct}\_z+\Delta }=E_i{(1-S_{\mathrm{LZ}}-\Delta S_L)}^{\frac{n-1}{n}}$  【式--12】

根据式--11和式--12，可以联立求得E_i（即E_c）和S_L。

2-6裂缝有无的推算

弹性波在传播过程中，当遇到裂缝面时会受到遮挡。因此，弹性波在穿过 裂缝区域时，其传播波速会降低。

由于裂缝面的压缩模量一般要远大于其拉伸模量，因此裂缝面对压缩弹性 波的阻碍要少于对拉伸弹性波的妨碍，使得拉伸弹性波的波速一般要低于压缩 弹性波的波速。另一方面，无裂缝时，两种弹性波波速是相同的。据此，根据 拉伸和压缩弹性波波速变化的分析，即可推断出裂缝面的有无和裂缝程度。具 体方法如下：

1）如图2或图3那样激振，从而产生首波为压缩的弹性波，并按照（1）中 所阐述的方法测试其波速V_P-P和各测试次数间的标准偏差σ_P；

2）如图4那样激振，从而产生首波为拉伸的弹性波，并并按照（1）中所阐 述的方法测试其波速V_P-T和各测试次数间的标准偏差σ_T；

3）比较V_P-P和V_P-T，如果V_P-T与V_P-P之间存在有意义的差别（如均值相差2% 以上，或超过3倍的标准偏差），即可认为测试区间存在裂缝。

此外，当裂缝面较宽时，V_P-P和V_P-T较健全部位都会有较大幅度的降低。因 此，对应力水平相近的健全部位进行波速测试，并将其作为参考值可以进一步 提高对裂缝面的判定精度。

2-7桥梁承载力状况的推算

由于桥梁的承载力不仅与混凝土材料状况有关，而且与梁板的几何尺寸、 钢筋、预应力等有密切的关系。因此，本发明中，主要根据测得的混凝土的应 力水平和裂缝状况，推算桥梁承载力状况与设计值的差别。概括起来归结为：

1）根据设计资料，明确在不同工况下桥梁各部位（上、中、下）的应力水 平和弹性模量；

2）将设计值与相应位置的测试值进行比较，明确其间的差异；

3）推算现有承载力状况与设计状况之间的差异。

为了实现本发明的目的所采用的技术方案如下，一种基于弹性模量的混凝 土桥梁承载力的无损测试方法,其特征在于，按如下步骤进行操作：

a)根据混凝土桥梁的类型，将其受力区域分为受压、受拉、受剪及不受力 的中性区；

b)对各区域进行冲击弹性波波速测试,敲击激振块和改变激振方向，可以使 得激振弹性波P波的首波分别为压缩波和拉伸波,并根据二者波速的差异,推断 测试区域中裂缝有无;

c)根据测得的弹性波速和钢筋配筋的修正，计算出混凝土的切线弹性模 量E_d；

d)根据在不受力的中性区测得的混凝土弹性模量E_c，推算混凝土的抗压强 度；

e)根据各区域的混凝土的切线弹性模量以及混凝土抗压强度，推算相应区 域的应力水平及应力状态；

f)根据各区域的应力水平和应力状态，推算桥梁的承载力。

本发明的有益效果是，通过实施可以起到以下积极作用：

1）快速检测混凝土桥梁的裂缝、材质状况，为新建桥梁的质量评价提供 基础资料；

2）评价应力水平、承载力状况等，从而为桥梁的健康评价提供安全保障 资料；

3）通过定点、定期检测，可以监测桥梁使用过程中的老化状况；

附图说明

图1为混凝土桥梁承载力的无损测试系统示意图；

图2为桥梁侧面激振及侧面信号接受（首波为压缩波）；

图3为桥梁端面激振及信号接受；

图4为桥梁侧面激振及信号接受（首波为拉伸波）；

图5为典型测试截屏图；

图6为测试流程框图。

具体实施方式

参照图1，表示混凝土桥梁承载力的无损测试系统示意图，针对建设中的桥 梁和在役中的桥梁，由于其受力状况的不同，采用的检测方法也有所不同。

参照图2-图4，表示桥梁侧面、端面激振及信号接受示意图，图中1为激 振体系；2为粒子的运动方向；3为波动传播方向；4为信号接收传感器。

对于建设中的桥梁和在役中的桥梁，因其受力状况的不同，采用的检测方 法也就不同。

（1）建设中的桥梁

建设中的桥梁，具有如下特点：

1）往往受力较小，应力水平低；

2）裂缝一般也很少并易于发现；

3）梁的端面露出，易于波速测试，同时，测试位置一般不受限制；

4）材料的强度等容易确定；

5）需要考虑龄期的影响

所以，可按下述的步骤进行：

1）对顶板、底板、腹板分别采用图3的方式激振和测试P波波速；

2）根据配筋状况，测试出各处混凝土的弹性模量E_c；

3）根据龄期关系，推算28天龄期的混凝土弹性模量；

4）与设计的弹性模量进行比较。当各部位的测试标准值大于设计值时， 即可认为该梁合格。

（2）在役桥梁

在役中的桥梁，具有如下特点：

1）承受荷载，应力水平高且分布不均；

2）裂缝难于发现；

3）梁的端面一般不露出，不能采用图3那样的测试方法，而必须采用图 2、4那样的测试方法；

4）测试位置一般受限制，往往只能在桥墩附近进行激振和受信；

5）材料的强度指标等有时不全；

所以，可按下述的步骤进行：

1）对顶板、底板、腹板分别采用图2、4的方式激振和测试P波波速。 对于腹板，测试位置可选上、中、下三条测线；

2）测试工况可选用仅自重和自重加典型交通荷载的两种工况；

3）根据配筋状况，测试出各测线的混凝土的切线弹性模量；

4）根据拉伸、压缩时的切线弹性模量E_c，检测测线区间裂缝的状况；

5）根据不同工况下弹性模量，结合设计资料，推算E_c和应力水平；

6）根据E_c和应力水平，评估桥梁的承载力状况。

实施例

用于高铁的一预制箱梁，对其不同的龄期和部位进行了测试。

1）测试对象：为高铁用预应力箱梁，长度为32m。混凝土设计强度为C50， 设计弹性模量E_c为34.5GPa。

2）测试位置：对顶板、腹板分别采用图3的方式激振和测试P波波速， 共6条测线；

3）测试龄期：3.5d、7d、9d、10d、14d、15d

4）测试典型波形如图5所示。

5）根据配筋状况，测试出各处混凝土的弹性模量E_c，结果如下表:

6）根据龄期关系，推算出的28天龄期的混凝土弹性模量均超过设计值 34.5GPa；

7）根据测试结果，认为该梁合格。