某大跨度中承式拱橋承載能力檢測(cè)評(píng)定與分析

賀 才 松

(寧波(江北)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園管委會(huì)，浙江 寧波 315211)

某大跨度中承式拱橋承載能力檢測(cè)評(píng)定與分析

賀 才 松

(寧波(江北)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園管委會(huì)，浙江 寧波 315211)

以某大跨度中承式吊桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于外觀檢測(cè)，查出橋梁存在的病害及其特征，根據(jù)無損檢測(cè)，分析了橋梁的現(xiàn)存缺損給其造成的不利影響，通過荷載試驗(yàn)，評(píng)估了橋梁的工作狀態(tài)，并對(duì)結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)橋梁進(jìn)行了現(xiàn)有承載能力評(píng)定，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果對(duì)主要病害進(jìn)行病害成因分析，為橋梁維修加固提供依據(jù)。

中承式拱橋，承載能力評(píng)估，荷載試驗(yàn)，病害成因

0 引言

鋼筋混凝土拱橋以其造型美觀、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。1991年以來國(guó)內(nèi)已經(jīng)修建大量的鋼筋混凝土拱橋，尤其在西部山區(qū)。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通量大大超出預(yù)期，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)更多和更嚴(yán)重的病害，這使得橋梁壽命不斷縮短。鋼筋混凝土拱橋是橋梁垮塌惡性事故的高發(fā)橋型之一，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多起拱橋垮塌事故[1-3]。

本文以某大跨度中承式拱橋?yàn)槔龑?duì)其進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)、靜力荷載試驗(yàn)和交通量調(diào)查，根據(jù)檢測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定了大橋的現(xiàn)有承載能力，分析了其主要病害，最后給出了維修加固策略。

1 工程概述

某大跨度中承式拱橋的拱肋為勁性骨架鋼筋混凝土，拱軸線為懸鏈線，計(jì)算跨徑為198 m，計(jì)算矢高33 m，矢跨比為1/6。吊桿采用54根φ7高強(qiáng)鋼絲。橋面鋪裝為鋼筋混凝土，橋面凈寬：9 m行車道+2×1 m人行道。下部構(gòu)造：主拱基礎(chǔ)為整體式鋼筋混凝土拱座，橋臺(tái)為U形橋臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：汽車—20級(jí)，掛車—100。

2 大橋檢測(cè)及荷載試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

全面調(diào)查橋梁各種病害及其特征，分析病害出現(xiàn)的原因和對(duì)橋梁的不利影響；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)評(píng)估橋梁的工作狀態(tài)，評(píng)估分析橋梁的技術(shù)狀況，評(píng)判其現(xiàn)有承載能力能否滿足運(yùn)營(yíng)要求，為橋梁養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

2.2 檢測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)康?，該橋的質(zhì)量檢測(cè)主要內(nèi)容見表1。

2.3 檢測(cè)結(jié)果

1)表觀檢查結(jié)果。a.鋼管外包混凝土出現(xiàn)比較多的裂縫和網(wǎng)裂，其裂縫寬度在0.25 mm范圍以內(nèi)；b.各橫梁的側(cè)面與底面出現(xiàn)不同程度的開裂，且出現(xiàn)側(cè)面與底面貫通的裂縫，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)橫梁裂縫已經(jīng)進(jìn)行封閉處理，但裂縫又繼續(xù)發(fā)展且有很多新裂縫產(chǎn)生，橫梁裂縫見圖1。

表1 某中承式拱橋的主要檢測(cè)內(nèi)容

2)混凝土強(qiáng)度測(cè)試。分別對(duì)拱肋、立墻、斜撐、橫梁的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見表2，其強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度值均為1，表示各構(gòu)件強(qiáng)度處于良好狀態(tài)。

表2 構(gòu)件混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3)混凝土碳化深度檢測(cè)。碳化深度測(cè)試結(jié)果為：各構(gòu)件混凝土的碳化深度在0.08 mm～0.29 mm之間，小于混凝土的保護(hù)層厚度，碳化深度標(biāo)度值為1，表明混凝土的碳化影響輕微。

4)鋼筋分布與保護(hù)層厚度檢測(cè)。通過抽樣檢測(cè)了拱肋和橫梁的鋼筋分布及鋼筋保護(hù)層厚度，檢測(cè)位置與鋼筋保護(hù)層厚度的測(cè)試值列于表3中。

表3 鋼筋保護(hù)層厚度測(cè)量

5)鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)。采用半電池電位法評(píng)定鋼筋的銹蝕狀況，鋼筋銹蝕檢測(cè)部位與混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)部位相同，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)取1個(gè)電位差，鋼筋銹蝕電位圖如圖2所示。分析可知：大部分測(cè)區(qū)電位在0 mV～-200 mV范圍內(nèi)，表明未銹蝕，部分測(cè)區(qū)的電位在-200 mV～-300 mV范圍內(nèi)，表明可能已銹蝕。

6)吊桿索力測(cè)試。吊桿索力采用振動(dòng)頻率法測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，靠拱腳側(cè)短吊桿索力相對(duì)跨中長(zhǎng)吊桿稍大一些，索力總體分布均勻，左右側(cè)吊桿索力基本對(duì)稱，滿足要求。

2.4 荷載試驗(yàn)

采用靜力荷載試驗(yàn)對(duì)該橋進(jìn)行加載測(cè)試，測(cè)量在靜力試驗(yàn)荷載作用下橋梁的變形和應(yīng)力，來確定橋梁的實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望是否一致。

1)加載試驗(yàn)項(xiàng)目。選拱肋5個(gè)控制截面進(jìn)行靜力試驗(yàn)荷載加載：

工況1：在最不利活載作用下，檢驗(yàn)拱腳截面出現(xiàn)最不利負(fù)彎矩效應(yīng)；工況2：在最不利活載作用下，檢驗(yàn)拱肋L/4截面出現(xiàn)最大正彎矩效應(yīng)；工況3：在最不利活載作用下，檢驗(yàn)拱肋L/2截面出現(xiàn)最大正彎矩效應(yīng)；工況4：在最不利活載作用下，檢驗(yàn)拱肋3L/4截面出現(xiàn)最大正彎矩效應(yīng)；工況5：在最不利活載作用下，檢驗(yàn)拱腳截面出現(xiàn)最不利負(fù)彎矩效應(yīng)。

2)試驗(yàn)加載效率。荷載試驗(yàn)采用重約300 kN的三軸車加載，對(duì)某加載工況所需的加載荷載，可根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載在該加載工況控制截面產(chǎn)生的內(nèi)力或變位的最不利效應(yīng)值，按等效原則換算確定：

其中，η為加載效率；Sstate為在試驗(yàn)荷載作用下某加載工況對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力(變位)的最大計(jì)算效應(yīng)值；s為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載不計(jì)沖擊荷載作用時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位的最不利計(jì)算效應(yīng)值；μ為沖擊系數(shù)。靜力試驗(yàn)荷載的加載效率列于表4中。

表4 加載效率

3)荷載試驗(yàn)結(jié)果分析。

a.靜力荷載試驗(yàn)的加載效率位于0.85～0.87之間，試驗(yàn)工況在拱肋控制截面產(chǎn)生的最大內(nèi)力效應(yīng)能反映設(shè)計(jì)活載作用下同一截面最不利內(nèi)力效應(yīng)，滿足《公路舊橋承載能力鑒定方法》要求。

b.靜力荷載試驗(yàn)的應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)。工況1：拱腳截面的混凝土應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)有一處校驗(yàn)系數(shù)不滿足鑒定方法常值范疇；工況2：拱肋L/4截面的實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)有兩處校驗(yàn)系數(shù)不滿足鑒定方法常值范疇；工況3：拱肋L/2截面測(cè)試，橫梁有兩處應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均不滿足鑒定方法常值范疇；工況4：拱肋3L/4截面測(cè)試，橫梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足鑒定方法常值范疇。

c.靜力荷載試驗(yàn)的相對(duì)殘余應(yīng)變。工況2：卸載后橫梁的相對(duì)殘余應(yīng)變不滿足鑒定規(guī)定；工況3：卸載后橫梁兩處的相對(duì)殘余應(yīng)變不滿足鑒定方法中的規(guī)定；工況4：卸載后橫梁的相對(duì)殘余應(yīng)變不滿足鑒定方法中的規(guī)定。

通過靜力荷載試驗(yàn)與理論計(jì)算值的比較可知，拱肋的承載能力可滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，而橫梁的承載能力不滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。

3 橋梁現(xiàn)有極限承載能力評(píng)定

在現(xiàn)有狀態(tài)下橋梁極限承載能力的評(píng)定方法及步驟如下：以最不利或具有典型性的橋梁或構(gòu)件作為評(píng)定對(duì)象，通過有限元分析初步確定橋梁或構(gòu)件的承載能力；然后開展深入詳細(xì)的橋梁調(diào)查與檢測(cè)；根據(jù)橋梁或構(gòu)件的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)各分項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判，最后根據(jù)橋梁或構(gòu)件的設(shè)計(jì)技術(shù)資料，結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算分析來評(píng)定橋梁或構(gòu)件的承載能力和使用條件[4]。

根據(jù)外觀檢測(cè)和材料強(qiáng)度變異程度確定檢算系數(shù)；基于無損檢測(cè)，并引入承載能力惡化系數(shù)；考慮混凝土碳化、鋼筋銹蝕及裂縫所引起的截面剛度折減系數(shù)，并引入混凝土和鋼筋折減系數(shù)；在評(píng)定橋梁的承載能力時(shí)引入檢算系數(shù)和折減系數(shù)，從而修正橋梁的抗力效應(yīng)；通過實(shí)際調(diào)查重載交通橋梁的典型代表交通量、大噸位車輛混入率、軸荷分布，確定活載影響修正系數(shù)ζq，通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)有承載能力和荷載效應(yīng)比較判定結(jié)構(gòu)的承載能力狀況。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用MIDAS軟件建立空間模型進(jìn)行分析計(jì)算，模型見圖3。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，該橋檢算系數(shù)及評(píng)定參數(shù)見表5。

表5 檢算系數(shù)及評(píng)定參數(shù)取值

分別對(duì)拱肋和橫梁各控制截面進(jìn)行基于檢測(cè)結(jié)果的現(xiàn)有承載能力評(píng)定，結(jié)果表明拱肋能夠滿足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，橫梁不滿足。

4 病害成因分析

該橋主要病害為拱肋鋼管外包混凝土開裂、橫梁出現(xiàn)較多U形裂縫且現(xiàn)有承載能力不滿足原設(shè)計(jì)要求。

1)拱肋裂縫成因分析。拱肋裂縫寬度較小，分布無規(guī)律，且有較多網(wǎng)裂，經(jīng)向管養(yǎng)單位咨詢,該橋建成時(shí)拱肋外包混凝土就已經(jīng)出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫，因拱肋截面最大高度有3.75 m，由此判

斷拱肋裂縫為收縮裂縫。

2)橫梁開裂成因分析。吊桿拱橋橫梁構(gòu)造復(fù)雜，容易出現(xiàn)裂縫。同時(shí)此處又是吊桿拱橋受力的關(guān)鍵部位，因此出現(xiàn)裂縫均為有害裂縫，所以應(yīng)重視裂縫的分析處理。

橋梁檢測(cè)結(jié)果表明：全橋各跨縱向開裂均較為嚴(yán)重，其裂縫主要分布在7道～21道橫梁之間。尤其是第11道橫梁底部出現(xiàn)了18條裂縫，并且其裂縫總長(zhǎng)度達(dá)到了18.72 m。由于橫梁底部的橫向拉應(yīng)力，使得裂縫呈豎直分布，橫梁的大多數(shù)裂縫由橫梁頂部貫穿至橫梁承托附近，有少量裂縫貫穿至橫梁底部，裂縫呈上寬下窄分布。

結(jié)合本橋橫梁裂縫形狀以及橫梁構(gòu)造，分析橫梁開裂主要有以下幾個(gè)方面的原因[5]：

a.橫梁截面挖空率大，截面剛度偏小，承載能力安全儲(chǔ)備小，超載車輛通行容易出現(xiàn)開裂；b.查閱該橋竣工圖紙資料知道該吊桿拱橋橫梁沒有設(shè)預(yù)應(yīng)力體系，在外荷載作用下很容易出現(xiàn)開裂；c.混凝土凝固過程中因收縮會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小不規(guī)則的收縮裂縫；d.由于橫梁截面是空心的，當(dāng)截面內(nèi)外溫差較大會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫；e.施工不當(dāng)特別是澆筑混凝土振搗不密實(shí)，橫梁也容易出現(xiàn)裂縫。

5 結(jié)語

通過對(duì)該大跨度吊桿拱橋進(jìn)行詳細(xì)的質(zhì)量檢測(cè)、荷載試驗(yàn)及現(xiàn)有承載能力評(píng)定，對(duì)該橋提出以下建議：

1)該橋拱肋承載能力能夠滿足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，拱肋裂縫不是受力裂縫，建議對(duì)裂縫進(jìn)行封閉灌漿處治；

2)橫梁承載能力不滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，每片橫梁側(cè)面和底面均出現(xiàn)不同程度的開裂，且出現(xiàn)側(cè)面與底面貫通的裂縫，需要及時(shí)進(jìn)行維修加固；

3)由于該橋橫梁未設(shè)置預(yù)應(yīng)力體系，建議對(duì)該橋進(jìn)行有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力或體外預(yù)應(yīng)力體系加固，限制裂縫的發(fā)展,提高橫梁截面的承載能力，保證結(jié)構(gòu)安全。

[1] 施 洲,蒲黔輝,高立強(qiáng)，等.吊桿拱橋的吊桿檢測(cè)試驗(yàn)與評(píng)定[J].西南公路，2011(4)：32.

[2] Ebert, Carsten, Lenzen, et al. Experiments for damage detection by subspace identification on a tied arch bridge, 5th International Conference on Bridge Maintenance,2010.

[3] Teng Kang, Deng Shaowei, Lin Qihui, et al. Strengthening design of a through tied arch bridge in Guangdong Province[A]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering[C].2010.

[4] JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].

[5] 姜宏偉，崔玉萍.某吊桿拱橋病害原因分析及承載能力評(píng)估[J].市政技術(shù),2008，9(5):389-393.

Assessment and analyses on current carrying capacity of a long-span arch bridge

He Caisong

(AdministrativeCommitteeofNingbo(Jiangbei)High-techIndustrialPark,Ningbo315211,China)

Taking some large-span arch bridge as the research object, the paper finds out some diseases and their features on the bridge, analyzes the unfavorable influence of the current damages of the bridge according to the non-destructive test, evaluates the working status of the bridge according to the loading test, modifies the structural resistant effect, undertakes current loading capacity evaluation of the bridge, and undertakes the analysis of reasons for main diseases by combining with the test result, so as to provide some reference for bridges maintenance.

arch bridge, loading capacity evaluation, loading test, reasons for diseases

2015-02-06

賀才松(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0155-03

U442.55

A