某城市舊橋檢測(cè)評(píng)估與承載能力分析

辛寧

（山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 工程概況

某橋位于某縣城北路上，為單跨石拱橋，為Ⅲ類(lèi)，Ⅰ等養(yǎng)護(hù)的城市橋梁。由于橋梁設(shè)計(jì)圖紙缺失，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸調(diào)查，上部結(jié)構(gòu)采用1×16.0m（凈跨徑）的等截面實(shí)腹式斜交石拱結(jié)構(gòu)，斜交角為14.0o橋面寬度為21.85m，由2.35m（人行道+欄桿）+17.10m（車(chē)行道）+2.40m（人行道+欄桿）組成，拱圈正交寬度20.60m，凈矢高為3.055m，凈矢跨比為1/5.237，主拱圈厚度為0.70m；下部結(jié)構(gòu)為漿砌塊石重力式橋臺(tái)；橋面采用瀝青混凝土鋪裝。

2 檢測(cè)目的

在南方某些地區(qū)圬工拱橋存在的數(shù)量很多，這些拱橋一般在運(yùn)行了幾十年甚至上百年后依然是屹立不倒，但不能忽略這些橋梁的結(jié)構(gòu)性能，因?yàn)樗鼈兪玛P(guān)人們的出行安全。通過(guò)對(duì)某拱橋進(jìn)行定期檢測(cè)、靜載試驗(yàn)、承載能力檢算，以達(dá)到以下目的：

一是由于沒(méi)有圖紙資料，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)其進(jìn)行圖紙還原，了解橋梁結(jié)構(gòu)基本尺寸信息，并對(duì)橋梁做一個(gè)橋梁卡錄入橋梁的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，方便以后對(duì)其相關(guān)信息的查閱。

二是通過(guò)對(duì)橋梁的外觀和強(qiáng)度等方面的檢查，對(duì)橋梁進(jìn)行一次“全身的體檢”，并對(duì)其外觀進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定，確定橋梁的等級(jí)狀況，來(lái)判斷橋梁的特性、損壞程度等，以此為基礎(chǔ)得出橋梁的結(jié)構(gòu)性能和耐久性。

三是測(cè)量橋梁在等效的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)下的工作狀態(tài)，判斷橋梁是否滿足設(shè)計(jì)的荷載要求，是否具有安全的使用條件。

3 病害情況調(diào)查

通過(guò)定期檢查發(fā)現(xiàn)，橋面系主要存在以下病害。一是橋面鋪裝：0#臺(tái)下游側(cè)橋面鋪裝距0#臺(tái)拱腳2.6m 處存在1 條橫向非貫通裂縫，縫長(zhǎng)約7.0m。二是橋頭平順：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，兩側(cè)橋頭基本平順。三是伸縮裝置：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，橋面未見(jiàn)伸縮裝置。四是排水系統(tǒng)：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，全橋采用縱橫坡排水，排水基本順暢。五是人行道：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，人行道累計(jì)存在5條橫向裂縫，縫內(nèi)沉積物堵塞。六是欄桿：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，欄桿未見(jiàn)明顯病害。七是附屬設(shè)施：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，縱橋向過(guò)橋管線托架未見(jiàn)明顯病害，橫橋向管線托架存在銹蝕現(xiàn)象[1]。上部結(jié)構(gòu)主要存在以下病害。一是主拱圈：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，主拱圈累計(jì)存在5 處滲水痕跡。二是拱上建筑：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，下游側(cè)墻累計(jì)14 處生長(zhǎng)雜草。下部結(jié)構(gòu)主要存在以下病害。一是橋臺(tái)：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，0#臺(tái)、1#臺(tái)臺(tái)身均受雨水浸蝕。二是翼墻：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，該橋翼墻未發(fā)現(xiàn)明顯病害。三是基礎(chǔ)：該橋基礎(chǔ)無(wú)明顯被河水沖刷或者被掏空情況，基礎(chǔ)無(wú)明顯的病害，通過(guò)觀察橋面和橋臺(tái)，橋臺(tái)和橋面沒(méi)有出現(xiàn)因不均勻沉降而產(chǎn)生的開(kāi)裂，可以判斷基礎(chǔ)的技術(shù)狀況良好，沒(méi)有安全隱患[2]。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)，該橋技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果按分層綜合法評(píng)定為2 類(lèi)，即橋梁有輕微缺損，對(duì)橋梁使用功能無(wú)影響。

4 拱圈塊石強(qiáng)度檢測(cè)

采用鉆孔取芯法對(duì)橋梁塊石強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。由于鉆芯法屬于破損法檢測(cè)，而主拱圈是拱橋的主要受力構(gòu)件，因此此次取芯位置避開(kāi)主拱圈，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在材料相近的側(cè)墻上進(jìn)行鉆孔取芯。檢測(cè)結(jié)果如表1所示，所檢巖石芯樣軸向抗壓強(qiáng)度范圍在83.1～86.2MPa 之間。

表1 巖石強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表

5 砂漿強(qiáng)度檢測(cè)

采用貫入法對(duì)主拱圈砌筑砂漿進(jìn)行檢測(cè)。所檢主拱圈砂漿貫入深度平均值為3.30mm，砂漿抗壓強(qiáng)度換算值為12.7MPa。具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 砂漿強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表

6 靜載試驗(yàn)

6.1 靜載試驗(yàn)工況及測(cè)試項(xiàng)目

根據(jù)石拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置三個(gè)靜載試驗(yàn)工況，工況設(shè)置及相應(yīng)測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 靜載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

6.2 靜載試驗(yàn)效率及車(chē)輛布置

該橋所在道路為某縣主干道，設(shè)計(jì)圖紙缺失，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)不詳，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商并結(jié)合《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）第10.0.3 條，試驗(yàn)按城-A 級(jí)荷載等級(jí)進(jìn)行等效加載，靜載試驗(yàn)荷載效率ηq按式（1）計(jì)算：

6.3 測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)撓度測(cè)試數(shù)值與計(jì)算數(shù)據(jù)的比較判斷橋梁整體剛度，對(duì)橋梁做出是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求與是否滿足使用要求的判斷。撓度采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

6.4 靜載試驗(yàn)過(guò)程描述

在加載前要制訂加載計(jì)劃，分配好每個(gè)人的任務(wù)，有哪些人指揮交通，哪些人負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)等，確保在安全的情況下，把數(shù)據(jù)采集完畢。

試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，主要包括撓度測(cè)點(diǎn)處理、測(cè)試儀器安裝及調(diào)試，靜載試驗(yàn)安排在夜間（深夜至黎明前）近乎恒溫的條件下進(jìn)行。為減小塑性變形對(duì)荷載試驗(yàn)結(jié)果的影響，先對(duì)橋梁進(jìn)行預(yù)加載，加載時(shí)間在20 分鐘左右。預(yù)加載后，撤出加載車(chē)輛，在變形恢復(fù)并且穩(wěn)定后，在進(jìn)行正式加載。在進(jìn)入正式荷載試驗(yàn)時(shí)，要分級(jí)進(jìn)行加載。加載前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，然后每級(jí)加載后持續(xù)幾分鐘，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后才進(jìn)行讀數(shù)。在加載的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)變或者位移變化速度過(guò)快或者產(chǎn)生的裂縫超限并有繼續(xù)擴(kuò)展的跡象，便可以終止加載，以確保安全[3]。

6.5 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算分析比較

6.5.1 計(jì)算分析

（1）空間有限元模型的建立

采用邁達(dá)斯軟件對(duì)橋梁進(jìn)行模擬，采用桿系模型，通過(guò)同時(shí)期的有資料的橋梁進(jìn)行參考，對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行模擬，用接近實(shí)際情況的模型得出最接近的理論數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁有限元模型

（2）汽車(chē)荷載的施加

利用有限元程序計(jì)算的汽車(chē)加載用CAD 圖畫(huà)出來(lái)，標(biāo)明車(chē)輛的位置和數(shù)量，以及加載重量，以方便現(xiàn)場(chǎng)的加載。

（3）材料特性

計(jì)算中結(jié)構(gòu)材料特性根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果確定。

6.5.2 理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較：

第一，在各工況下測(cè)量的撓度的實(shí)測(cè)值與理論值的比值范圍在0.35～0.80 范圍內(nèi)，均小于1，符合規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的要求。

第二，卸載后，結(jié)構(gòu)的位移恢復(fù)到原位，通過(guò)計(jì)算殘余撓度與彈性位移的比值為5.56%，小于規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)規(guī)定的限值。得出該次荷載試驗(yàn)的理論值與殘余變形值均符合要求。

6.5.3 裂縫觀測(cè)

在各工況試驗(yàn)荷載作用下，通過(guò)對(duì)相應(yīng)控制截面進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明加載過(guò)程中控制截面石塊及砌縫均未見(jiàn)明顯肉眼可見(jiàn)的新增裂縫及錯(cuò)位現(xiàn)象。

7 承載能力檢算

7.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)

該橋所在道路為某縣主干道，設(shè)計(jì)圖紙缺失，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)不詳，參考《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）第10.0.3 條，該報(bào)告優(yōu)先選擇城-A級(jí)荷載進(jìn)行極限承載能力檢算。

7.2 檢算項(xiàng)目

第一，驗(yàn)算強(qiáng)度的截面有三個(gè)位置，如圖3所示。

圖3 驗(yàn)算強(qiáng)度的截面位置示意圖

第二，圬工拱橋的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

7.3 截面材料及尺寸

第一，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，拱圈采用粗料石砌體，參考第4 節(jié)和第5 節(jié)材料檢測(cè)結(jié)果，拱圈材料按MU80 石材和M10 砂漿考慮，依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61—2005)第3.3.3 條，材料特性取值如下：

軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)cd= 5.844MPa；彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftmd= 0.059MPa；彈性模量E= 7300MPa。

第二，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，截面尺寸，主拱圈厚度d=0.70m，寬度w=20.60m。

7.4 城-A 級(jí)荷載等級(jí)承載能力檢算

7.4.1 荷載效應(yīng)計(jì)算

通過(guò)用邁達(dá)斯模擬橋模型，得出各個(gè)驗(yàn)算截面的理論內(nèi)力，用于驗(yàn)算拱圈截面極限強(qiáng)度。

按橋梁規(guī)范進(jìn)行組合，當(dāng)自重內(nèi)力與活載內(nèi)力同號(hào)時(shí)：

當(dāng)自重內(nèi)力與活載內(nèi)力異號(hào)時(shí)：

7.4.2 截面抗力計(jì)算與驗(yàn)算

根據(jù)承載能力規(guī)范第7.1.2 條規(guī)定，在計(jì)算圬工結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的抗力效應(yīng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，采用引入檢算系數(shù)或截面折減系數(shù)ξc的方法進(jìn)行修正。根據(jù)檢測(cè)狀況，本文引入檢算系數(shù)、截面折減系數(shù)ξc的方法進(jìn)行修正[4]。

（1）承載能力檢算系數(shù)Z2

試驗(yàn)結(jié)果表明該橋控制截面主要測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.8，根據(jù)檢測(cè)評(píng)定規(guī)程《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的規(guī)定，Z2得值。

Z2=1.0

（2）截面折減系數(shù)ξc

結(jié)合橋梁外觀檢測(cè)及無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，本報(bào)告對(duì)截面折減系數(shù)ξc取值如下：

ξc= 0.98

（3）主拱圈截面強(qiáng)度驗(yàn)算

考慮承載力折減后，拱圈砌體截面的承載能力驗(yàn)算按式（4）進(jìn)行：

截面強(qiáng)度驗(yàn)算匯總表見(jiàn)表4

表4 截面強(qiáng)度驗(yàn)算匯總表

從驗(yàn)算結(jié)果可以看出，該拱橋截面強(qiáng)度符合規(guī)范要求，橋梁承載能力滿足城-A 級(jí)荷載等級(jí)使用要求。

8 結(jié)論

通過(guò)對(duì)跨石拱橋的定期檢測(cè)、靜載試驗(yàn)、承載能力檢算，具體結(jié)論如下：

8.1 技術(shù)狀況評(píng)定

《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)規(guī)定中，該橋技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果按分層綜合法評(píng)定為2 類(lèi)，即橋梁有輕微缺損，對(duì)橋梁使用功能無(wú)影響。

8.2 拱圈塊石強(qiáng)度檢測(cè)

采用鉆孔取芯法對(duì)橋梁塊石強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。由于鉆芯法屬于破損法檢測(cè)，而主拱圈是拱橋的主要受力構(gòu)件，因此取芯位置避開(kāi)主拱圈，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在材料相近的側(cè)墻上進(jìn)行鉆孔取芯。檢測(cè)結(jié)果表明：所檢巖石芯樣軸向抗壓強(qiáng)度在83.1～86.2MPa之間。

8.3 砂漿強(qiáng)度檢測(cè)

所檢主拱圈砂漿貫入深度平均值為3.3mm，砂漿抗壓強(qiáng)度換算值為12.7MPa。

8.4 靜載試驗(yàn)

第一，在各工況下測(cè)量的撓度的實(shí)測(cè)值與理論值的比值范圍在0.35～0.80 范圍內(nèi)，均小于1，符合規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的要求。

第二，卸載后，結(jié)構(gòu)的位移恢復(fù)到原位，通過(guò)計(jì)算殘余撓度與彈性位移的比值為5.56%，小于規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)規(guī)定的限值。得出次荷該載試驗(yàn)的理論值與殘余變形值均符合要求。

8.5 承載能力檢算

在自重、城-A 級(jí)荷載和人群荷載效應(yīng)基本組合作用下，該拱橋截面強(qiáng)度符合規(guī)范要求，橋梁承載能力滿足城-A 級(jí)荷載等級(jí)使用要求。