城市橋梁技術狀況檢測和荷載試驗方法研究

李超群

（上海同濟檢測技術有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國經濟實力不斷提升，我國交通流量也快速增大。橋梁作為交通工程的重要組成部分，其安全問題受到了極大的重視。據交通運輸部統(tǒng)計，截至2016年年底，我國共有公路橋梁80.53萬座，中國的橋梁事業(yè)也已融入了世界橋梁事業(yè)的整體發(fā)展格局。與此同時，一些橋梁也逐步進入養(yǎng)護階段，目前，我國接近40%的橋梁已進入老化期[1]。近年來，我國橋梁事故頻發(fā)，造成傷亡慘重，這些事故并不僅僅由于橋梁老化或者外界因素影響而發(fā)生，也有部分是由于安全檢測手段的不足而產生的。因此，橋梁的安全管理受到了社會各界的廣泛關注。為確保城市橋梁在運營階段的安全，需要對橋梁進行技術狀況檢測。

本文以一個城市跨線橋為例，從橋梁缺損狀況、梁端斜裂縫狀態(tài)、橋面相對標高、墩柱豎直度、橋下凈空、橋梁材質、橋梁結構自振特性、鉸縫損傷，以及荷載各個方面進行檢測分析[2]，使用內窺鏡法和超聲層析成像法著重對此跨線橋存在的斜截面裂縫狀況檢測，并對其進行鉸縫損傷專項檢測，提升了檢測的可靠性，為存在類似狀況的城市橋梁提供處理經驗。

1 工程概況

該工程跨線橋修建于1998年。設計車輛荷載等級為汽車-20級，掛車-100。橋梁為18跨預應力混凝土簡支空心板梁橋，跨徑組成為5×22 m+（17.5+30+30+17.5）m+4×22 m+（2×22+25+2×22）m。各跨度空心板梁信息見表1所列。

表1 各跨度空心板梁信息統(tǒng)計表

橋面總寬為18.0 m，橋寬布置為：0.25 m欄桿+1.75 m人行道+14.0 m車行道+1.75 m人行道+0.25 m欄桿。橋面鋪裝采用8 cm厚鋼筋混凝土墊層+5.5 cm厚瀝青混凝土面層。

全橋空心板梁梁端底面均采用板式橡膠支座，下部結構采用雙排樁輕型橋臺，樁柱式橋墩。橋臺基礎為8根直徑0.6 m的PHC樁。墩身除部分橋墩為2根直徑1.5 m圓形立柱外，其余橋墩墩身為2根1.2 m×1.0 m的矩形立柱，采用8根直徑0.6 m的PHC樁。其30 m跨板梁設計混凝土標號為50號，剩余各跨板梁混凝土標號均為40號。橋墩蓋梁和橋臺臺帽混凝土標號為40號和25號。

圖1為該橋側面之實景。

圖1 橋梁側面之實景

通過橋梁定期檢測發(fā)現(xiàn)，該橋存在諸多嚴重結構性病害，其中4片預應力梁底板存在橫向受力裂縫，部分空心板梁端部側面存在斜向裂縫。這些病害已嚴重影響橋梁的承載能力和運營安全。為進一步確定橋梁的病害分布情況，以及橋梁病害對橋梁承載能力的影響，并為維修加固提供依據，故對該橋梁進行技術狀況檢測與荷載試驗。

2 檢測方案設計

2.1 檢測目的

（1）通過對橋梁上部結構、下部結構及橋面系等部件的缺損狀況檢查，查明缺損和病害的部位、性質、嚴重程度，分析缺損和病害產生的主要原因。

（2）通過對橋梁橋面相對標高的測量，確定橋梁橋面線形是否平順；檢測墩柱豎直度，確定墩柱是否傾斜。

（3）為了解空心板梁的損壞程度，對空心板梁間鉸縫進行專項檢測。

（4）對橋梁進行靜荷載試驗，并對橋梁上部結構的主要控制截面進行承載能力檢算，確定橋梁的承載能力。

2.2 檢測內容

檢測、試驗和檢算內容如下：橋梁缺損狀況檢查（包括上部結構、下部結構、橋面系及附屬設施等）；梁端斜截面裂縫專項檢測；橋面相對標高測量；墩柱直度檢測；橋梁凈空測量；橋梁材質狀況檢測；橋梁自振特性測試；橋梁鉸縫專項檢測；橋梁技術狀況評定；橋梁檢算；橋梁靜載試驗；橋梁承載能力評定。

3 橋梁檢測結果

3.1 橋梁缺損狀況檢查與材質狀況檢測

3.1.1 橋梁缺損狀況檢查

以目檢為主，對橋梁進行全方位觀測。經檢測發(fā)現(xiàn)，此跨線橋存在鋼筋銹脹、滲水、裂縫、橋面破損嚴重等問題。

3.1.2 橋梁材質狀況檢測

對橋梁材質狀況檢測包含了混凝土強度抽檢、鋼筋銹蝕狀況抽檢、鋼筋保護層厚度抽檢、鋼筋銹蝕點位檢測。

經檢測獲得如下結論，見表2所列。

表2 橋梁材質狀況情況統(tǒng)計表

3.2 梁端斜截面裂縫專項檢測

斜裂縫檢測作為該項目重要環(huán)節(jié)，采用內窺鏡法與超聲層析成像法相結合的檢測方法。

3.2.1 檢測原理

3.2.1.1 內窺鏡法檢測原理

內窺鏡可用于人眼無法直接觀察等場所的觀測，可在不拆卸或破壞組裝及設備停止運行的情況下實現(xiàn)無損檢測。

3.2.1.2 超聲層析成像法檢測原理

超聲層析成像是指在不損傷檢測“對象”內部結構的條件下，利用超聲源，從其外部用檢測設備獲得的投影數據，選用適當的數學模型和重建成像技術，反演出其內部位置的某物理量，并生成二維或三維圖像以重現(xiàn)其內部特征。

3.2.2 檢測方案

3.2.2.1 檢測方法

首先采用內窺鏡法進行普查，發(fā)現(xiàn)裂縫等病害后以照片形式存儲，同時附加鋼尺輔助定位，以便于對裂縫的走向、規(guī)模及空間狀態(tài)進行描述。對于有疑問的病害位置，采用超聲掃描成像法進行復測及定位。

3.2.2.2 測區(qū)布置

依據板梁應力應變特征，梁體裂縫等病害一般最早呈現(xiàn)在梁端，因此其箱梁病害檢測以梁端2.0～2.7 m為主要檢測區(qū)域。梁端每0.1 m布置一條測線，沿垂直方向依次觀測板梁兩側面裂縫分布情況。

3.2.3 檢測結果

該項檢測對該橋梁18孔共計300片預制板梁梁端斜裂縫進行檢測，對梁端截面裂縫檢測結果見表3所列。

表3 板梁斜裂縫存在情況統(tǒng)計表

3.3 橋面相對標高及墩柱直度檢測

3.3.1 橋面相對標高檢測

圖3為橋面線形曲線圖。

圖3 橋面線形曲線圖

在標高測點處做好標記，采用閉合水準路線進行測量。據圖3可知，橋面曲線整體平順。經計算橋梁正交段橋面平均橫坡1.7%。

3.3.2 墩柱直度檢測

采用垂球測量墩柱在全高范圍內的豎直度。根據橋梁墩柱豎直度的測量結果，和相關規(guī)定可知，共有四個墩柱超限。根據檢測結果和現(xiàn)場檢查看，沒有發(fā)現(xiàn)墩柱在運營過程中發(fā)生傾斜的其他跡象。

3.4 鉸縫損傷專項檢測

該跨線橋目前上部結構板梁間鉸縫在長期荷載作用下，出現(xiàn)了嚴重的病害，表現(xiàn)在橋下滲水嚴重、橋面鋪裝層縱向裂縫及破損。為了解空心板梁的損壞程度，該項檢測對空心板梁間鉸縫進行了專項檢測。

3.4.1 測量方法與儀器

該項檢測通過測量鉸縫跨中兩側板梁的位移，得到鉸縫跨中兩側的板梁的相對位移。相對位移大時，鉸縫損壞程度較大；鉸縫相對位移小時，鉸縫損壞程度小。引入無量綱參數α[3]，可得公式（1）：

式中：Δ為實測相對位移，m；L為跨徑，m；10 000為系數。

當α＜0.14時，認為鉸縫完好，當0.14≤α≤0.57時，認為鉸縫損壞。當α＞0.57時認為鉸縫已破壞。

鉸縫的兩側梁體的豎向位移采用多點動態(tài)位移檢測系統(tǒng)BJQN-V進行測量，測量鉸縫在20～30 min內在社會車輛通行狀態(tài)下的動撓度。

3.4.2 檢測結果

該項檢測測量了4孔共24條鉸縫動撓度差。由檢測數據可知，當鉸縫處無滲水、橋面無縱向裂縫時，鉸縫狀態(tài)完好。當鉸縫處滲水，或橋面有縱向裂縫，或橋面有破碎帶時，鉸縫受到損傷，狀態(tài)處于損壞或破壞狀態(tài)（見表4）。

表4 鉸縫損失程度情況統(tǒng)計表

根據鉸縫專項檢測結果分析和外觀檢查結果進行分類，橋梁鉸縫受到損傷的總數為129條，占總數282條的46%。

3.5 橋梁結構自振測試及荷載試驗

3.5.1 橋梁結構自振特性測試

橋梁結構的自振特性是指橋梁結構各階振動頻率和振型。對該橋梁結構進行自振特性測試目的是用測試結果來校驗計算結果，確定自振特性評定標度。

以其中一個孔為例（見表5）。據表5所列，可以看出，此孔第1階豎向振型為對稱彎曲，自振頻率為4.7 4 Hz，評定標度為1。

表5 橋梁豎向振動參數及評定統(tǒng)計表

3.5.2 荷載試驗

通過靜載試驗對橋梁施加靜力荷載作用，測定橋梁結構在試驗荷載作用下的結構響應，據此進行承載能力評定[4]。試驗分別進行應力測試、位移測試和裂縫寬監(jiān)測[5]。

據檢測結果顯示，抽檢孔橋在試驗荷載作用下具有較好的彈性回復能力[6]，但部分斜裂縫為受力裂縫，斜截面強度已經不能滿足原設計荷載要求。

4 檢測結論與建議

根據橋梁技術狀況檢測結果，結合相關規(guī)范[7]，可認為該橋技術狀況為D級（不合格狀態(tài)）。

通過該項檢測，對該跨線橋可提出以下處理建議：

（1）橋梁原設計荷載已經不能滿足目前實際通行的車輛數量、載重的要求，建議橋梁大修時，更換橋梁上部結構板梁，提高橋梁荷載等級，以滿足目前車輛通行的要求。

（2）對橋梁墩臺鋼筋銹脹處進行除銹，并修復保護層。

（3）對混凝土剝落的墩柱和蓋梁，建議鑿除表層混凝土，然后植筋，外包混凝土進行加固。

（4）維修加固完成后對橋梁進行限載，并加強橋梁的日常巡查與養(yǎng)護。

5 結語

從近年來發(fā)生的各種橋梁事故中，人們應當吸取教訓，意識到城市橋梁的安全問題需要被極度重視。保證橋梁的安全，既需要施工人員的建設，也需要運營管理階段的精心維護，通過技術狀況檢測，可以及時對橋梁進行合理的維護，也能夠有效地降低事故發(fā)生的概率。

本文通過對某跨線橋的安全檢測和荷載實驗，從橋梁缺損狀況、梁端斜裂縫狀態(tài)、橋面相對標高、墩柱直度、橋下凈空、橋梁材質、橋梁結構自振特性、鉸縫損傷，以及荷載各個方面進行檢測分析，較為系統(tǒng)地闡述了該跨線橋在技術狀況檢測階段的工作方案，并著重介紹了對梁端斜截面裂縫專項檢測，以及鉸縫損傷專項檢測。通過檢測得出結論并給出處理建議，為類似工程提供經驗和參考。

[1]劉印.橋梁安全管理的分析[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2009，9（4）：7-9.

[2]JGJ/T 152-2008，城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范[S].

[3]錢寅泉.基于相對位移法的鉸縫破損程度檢測[J].公路交通科技，2012，29（7）：76-81.

[4]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[5]郝寶永.城市橋梁裂縫成因分析及防治研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2015.

[6]JGJ/T 23-2011，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程 [S].

[7]CJJ99-2003，城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范 [S].