桥梁检测技术的现状与问题
更新时间:2021-04-10 17:51
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一、桥梁外观检测
桥梁的外观检测也就是我们常说的“桥梁定期检测”,就是通过检测人员接近桥梁各个组成构件、部件对桥梁进行详细的外观检查,对病害进行详细的记录、分析其病害的成因,从而按照相关的技术规范对桥梁的整体技术状况进行评定分级,以便于桥梁养护管理单位安装技术状况的评定等级进行分类养护、管理。桥梁的外观检测就如同我们去医院进行常规的体检一样,我们会根据体检报告的结果了解我们目前的身体状况、提示我们该如何进行自己的健康管理。其实把桥梁检测工程师比作“桥梁医生”我感觉再恰当不过,因此“桥梁医生”的水平对于桥梁技术状况的准确评定至关重要。因此对于桥梁检测领域的相关检测领域的单位(桥梁管理单位、养护单位以及检测单位等)如何选择“桥梁医生”对于桥梁检测、养护和管理非常重要。
1、“桥梁医生”的职业要求
就如同对“医生”的要求一样,“桥梁医生”应该具备哪些资格要求、技术能力要求呢?目前对于公路行业来讲实行了职业资格考试制度,对于试验检测结构的相关单位有人员资格的要求。目前公路检测行业方向的检测资格证书分为两个等级即检测工程师和助理检测工程师,两个等级的专业方向分为道路、桥隧和交通工程三个方向。因此从事桥梁检测的人员应具备的资格证书为桥隧检测工程师或桥隧助理检测工程师。其实桥梁检测技术是需要多学科知识储备的实践性很强的一门综合性学科,职业资格的要求应该是最低、最基本的要求。换句话而言,具备公路行业的资格证书也未必能把桥梁的检测工作做好,甚至在检测过程中还能出现对桥梁技术状况的“误判”,从而给桥梁管理单位的管理带来一定的风险或采取不当的管理措施。公路检测行业的职业资格考试是对检测人员从业资格的一种基本知识和水平的考试,虽然考试的结果是可观的,但是这种考试制度的考核结果也会有一定的“误判”,我也见过没有任何“桥梁”专业背景的人通过强化记忆、考前冲刺等也可以顺利通过“桥隧检测工程师”。“桥梁医生”除了具备基本的职业资格还需要具备哪些知识和经验?
桥梁检测技术既然检测的对象是“桥梁”,这就需要“桥梁医生”具备桥梁专业的基本知识,其中包括桥梁结构的基本理论知识、桥梁施工以及设计相关的知识。因为桥梁的外观检测病害的分析和判断是基于桥梁结构病害的分布特征、结构的受力特点以及施工、设计等知识掌握的基础上做出的基本判断。不同结构得桥梁有不同的受力特点,病害的分布特征也会有所不同,因此不同结构体系桥梁外观检测的重点关注的构件或部位有所不同。我曾经遇到过这样的问题,两家不同的桥梁检测单位对于同一种桥梁的技术类别的评定结果大相庭径,究其原因是对病害的原因分析以及病害对桥梁承载能力影响结果的判断不同。因此目前桥梁检测尤其是外观检测受检测人员水平的限制的仍带有很强的主观因素。目前《公路桥梁技术状况评定标准》采用从构件、部件再到桥梁整体的加权的综合评定方法,各项病害的评定值进行量化的处理,但是评分结果同《公路桥涵养护技术规范》的结果可能不能完全的统一,这也是造成桥梁的评定结果受检测人员主观影响较大的一个主要原因。
此外桥梁外观检测是运用各种技术手段来实施“检测”的,因此“桥梁医生”需要具备另一方面的知识就是“检测技术”。众所周知,任何检测方法或技术手段都会受到其原理的限制有一定的使用范围,因此“桥梁医生”需要掌握各种检测的具体操作方法、检测的原理以及适用范围。我曾经见过以及检测单位在进行桥梁构件钢筋保护层厚度检测时采用“跳测”的方法,这的确让我“大开眼界”,也就是说检测人员连最根本的操作方法都不知道,最后的结果也就可想而知了。钢筋保护层厚度测试的方法(不管是电磁感应法还是雷达检测法),首先需要在仪器调零/现场自校后进行钢筋位置的粗略扫描,初步定出钢筋的分布位置和走向,然后再进行精确的测量工作。测试时需要根据其测试原理采取合理的技术手段避免或减小外界环境/测试环境可能产生误差,这样才能得到准确的测试结果。如果不懂得测试技术在桥梁检测中可能会出现“真实的测试数据”也是错误数据的问题。
“桥梁医生”另外需要具备的基本知识就是桥梁施工、设计等方面的基本知识。我们根据桥梁检测观测到的病害来分析其产生的原因,其实这是学术上的一个“反问题”,也就是“由果朔因”,其实这是一个比较困难的问题。举个例子来说,在桥梁外观检测时发现的裂缝可能是设计、施工、外界环境以及荷载等因素引起的,有的可能是单一因素引起,有的可能是多种因素相互作用引起的。如果要准确判断产生裂缝的原因就需要“桥梁医生”具备多种知识的储备。早期预应力技术或工艺的不成熟,预应力的损失造成早期建造的大跨度连续梁或连续刚构桥跨中下挠;早期宽跨比较大的整体现浇板梁容易出现板底纵向开裂的通病;一些复杂桥梁在早期设计时由于局部构件受限于有限元的难以模拟计算而出现开裂;桥梁构件由于混凝土设计配合比不合理、养生不到位、水化热等产生开裂。以上所列的桥梁开裂问题与桥梁的施工、设计等因素都有关,因此桥梁的施工、设计等知识也是“桥梁医生”所必须掌握的。
我在桥梁检测技术定义时提到其是一门实践性很强的综合性学科。从实践的角度来讲,“桥梁医生”应该在大量实践经验的基础上进行思考、总结来提高自己的专业素养。在检测过程中应将理论和实践有机的结合才能使桥梁检测的结果更为准确。
2、如何选择“桥梁医院”
上面我将桥梁检测人员比作“桥梁医生”,那么桥梁检测单位比作“桥梁医院”也可能比较合适了。近年来,随着我国公路建设的发展,行业对于桥梁检测的重视程度也越来越高,目前我国的公路桥梁检测市场也逐渐走向成熟和完善。但目前的检测市场的并没有真正的完全市场化或市场化不充分,检测市场还存在的一些地域性保护或障碍,市场还存在一定的乱象。由于目前存在一些对桥梁检测的误解或理解不深入,认为检测就是简单记录病害对桥梁进行评定等级,技术含量不高。这种观点也就忽视了桥梁管理单位在选择检测单位时存在一定的风险,一些技术力量差或完全不具备检测能力的检测单位对“误判”使管理单位承担巨大的管理风险。由于检测单位不具备检测技术能力,走过场、应付式的检测就会使得桥梁结构严重的病害或风险难以发现,使得桥梁检测的技术评定等级过高而使管理疏于管理而酿成重大事故,甚至或造成桥梁垮塌的后果。目前公路行业也在加大对试验检测机构的管理和监督,规范检测市场的环境,严查人员挂靠和资质挂靠行为,事实上也在推动检测市场的规范化和降低桥梁管理养护单位的风险。因此,对于桥梁管理或业主单位在选择检测单位时,如同我们就医选择医院相同,尽可能的选择资信和技术力量强的“桥梁医院”才能降低自己桥梁的管理风险。
二、桥梁荷载试验
桥梁荷载试验包括桥梁静载试验和桥梁动载试验两种方式,是评价桥梁承载能力和使用功能的一种重要手段。小编近十年来也做了近500座桥梁的荷载试验,下面结合自己的经验来谈一下我国桥梁荷载试验的技术和问题。
1、桥梁荷载试验标准的选取
桥梁荷载试验是评价桥梁承载能力的有效手段,但是荷载试验标准的选取应该是影响其评价结果的首要条件和评价结果应用的限制条件,前面检师学社也讨论了公路桥梁荷载试验选取标准的问题。桥梁的静载试验是按照设计标准选取还是按照实际通行荷载标准来选取?目前我国正在运营的桥梁原设计荷载标准可能不一,而我国由于地域分布广荷载的分布也不平衡且鲜有各地的实际通行荷载的实际车辆荷载模型。我国公路桥梁设计荷载标准也经历了数次变化,目前我国公路正在运营的荷载主要为2004年以后的标准(公路-I和公路-II级)和汽车-10级、汽车-15级、汽车-20、汽车-超20级两大类,也有少量更早的低标准荷载等级的桥梁。早期建造的桥梁(汽车-15级)需要进行荷载试验时,实际的交通车辆荷载与设计时相比增加量很大。若该桥按照汽车-15级设计标准进行试验,检测的结果可能能满足原设计荷载承载能力标准要求,这个结论对于桥梁管理单位有多大的参考价值,能保证桥梁在实际运营中的安全吗?这个结论事实上对桥梁管理单位的参考价值很小,若经过检测单位检测后实际在超载条件下桥梁垮塌桥梁检测单位有无责任?根据检测报告的结论“桥梁承载能力满足设计荷载承载能力要求”,检测单位和管理单位应该都没有责任,而责任就是“车辆的超载”。那么桥梁按照汽车-15级荷载的评估结论看来毫无意义?那么桥梁荷载试验是否可以按照同1条线路上设计标准最高的桥梁(假如是公路-I级)进行加载,试验检测的结果可能是承载能力不能满足公路-I级荷载承载能力的要求。那么这个桥梁该如何处治?按照结论就应该加固提级或者拆除重建,若这座桥梁所在道路这种低等级的桥梁很多,若都采取措施加固可能资金问题又变成一个很大的问题。即使桥梁按照公路-I级荷载标准对桥梁进行荷载试验,这个标准的选取可能与实际通行的荷载有很大的区别,也不是科学的。如何选取荷载试验标准来确保实际运营桥梁的安全,笔者认为美国建立各州的实际评估荷载模型可以值得我们借鉴。
2、桥梁荷载试验的模型分析
桥梁荷载试验的模型分析即车辆荷载效应的理论计算值对桥梁结构的评价影响也很大,有时由于模型的计算可能会导致评价结果的错误。桥梁承载能力的评价时基于校验系数来评价的,而校验系数为实测参数与理论计算参数的比值,因此桥梁荷载试验的有限元模型计算至关重要。桥梁结构的有限元模型应该能够真实的反映现状桥梁的受力状态,这就需要在荷载试验时对有限元模型进行修正。桥梁荷载试验的有限元模型同桥梁设计时的模型有一定的区别,荷载试验的模型模拟的是桥梁运营状态的受力计算。桥梁在设计时基于安全的考虑可能没有考虑桥面铺装层的整体受力性能,而桥梁荷载试验的桥梁可能进行过加固改造,因此桥梁荷载试验的模型计算除了要考虑设计、竣工的资料外,还要考虑历次维修加固对桥梁受力的影响以及桥梁结构病害的、材料力学性能的变化等因素的影响来对有限元模型进行修正。桥梁荷载试验模型有时可以根据实测横向分布来调整板梁或T梁连接或约束条件;有时也可以采用实测材料的力学性能参数(弹性模量)来修正;有时可以通过实测动力参数来调整桥梁结构的静力有限元模型。
三、桥梁的水下检测
目前我国的桥梁检测水下检测开展相对来说还处于起步阶段,规范对于这方面的规定相对较少。对于跨河、跨江甚至跨海大桥,桥墩以及基础对于桥梁结构的安全至关重要。去年我的一个朋友在美国做访问学者1年,他的老师是座桥梁基础冲刷研究的知名学者。由于我做桥梁检测10多年,我的朋友打电话问我北京桥梁水下检测积累的资料的情况,以便开展后续的桥梁水下冲刷预测模型的研究工作。坦白的说,我们在这方面开展和积累的工作几乎为零。2014年我联合美国水下机器人在北京的代理商在北京首次采用水下机器人对水下桥梁墩柱外观的检测工作。随着技术的进步以及检测工作者对桥梁水下检测技术的关注和推动,今后开展桥梁水下检测也势在必行。
目前桥梁水下检测的主要仪器设备有水下机器人ROV、潜水员配合水下摄像等可以对桥梁水下结构的外观缺陷进行检测;水下激光扫描系统、测扫描声呐以及合成孔径声呐在桥梁水下部分测量、病害检测等领域将会进一步推动桥梁水下检测技术的发展。
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