基于現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)的橋梁穩(wěn)定性分析

田啟濱

（四川華騰公路試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

1 工程概況

崇州大橋橫跨西河，中心里程為6×40m 的上承式剛架拱橋，橋長(zhǎng)272.4m，橋?qū)?1m。設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)，掛車-100。本橋拱片、微彎板、橫系梁、現(xiàn)澆橋面鋪裝層均采用30#混凝土，欄桿和墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用20#混凝土，墩臺(tái)拱座、樁柱、連系梁、墩上立柱及蓋梁均采用25#混凝土，橋臺(tái)臺(tái)身采用15#混凝土。該橋竣工于1994 年12 月，目前兩側(cè)橋頭設(shè)有限高架（限高3m）及限載牌（15t）。

上部結(jié)構(gòu)：采用6×40m 鋼筋混凝土剛架拱（矢跨比f0/L0=1/10），每跨橫向由10 片鋼筋混凝土拱片組成，拱片間鋪設(shè)預(yù)制微彎板，并設(shè)置橫系梁。上部構(gòu)造設(shè)計(jì)除橋面板（每孔橋面板按橋梁縱向中軸線分兩板現(xiàn)澆）、填平層及接頭為現(xiàn)澆混凝土外，其余均為預(yù)制構(gòu)件，且各構(gòu)件間連接均采用鋼筋焊接現(xiàn)澆混凝土接頭。此外，為保證拱片與微彎板整體受力，拱片凸出部分與橋面填平層一并澆筑。

下部結(jié)構(gòu)：橋臺(tái)采用明挖柱式墩和U 型橋臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)，橋墩采用明挖圓柱式橋墩，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用矩形基礎(chǔ)，且置于中粗沙礫石層上（按崇州→元通方向?qū)⒍张_(tái)依次編號(hào)為0#橋臺(tái)、1#～5#橋墩、6#橋臺(tái)）；橋墩墩柱上設(shè)置拱座、立柱及蓋梁，且均預(yù)埋鋼筋進(jìn)行連接；其中3#橋墩為制動(dòng)墩，拱座下設(shè)置10 根墩柱（墩柱直徑為1.6m），其余墩臺(tái)拱座下均設(shè)置5 根墩柱（墩柱直徑為1.6m）；橋址兩岸均設(shè)置人工整治后的漿砌卵石護(hù)岸。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)報(bào)告資料和現(xiàn)場(chǎng)探勘發(fā)現(xiàn)，本橋于2017 年對(duì)主河道中的橋墩進(jìn)行了旋噴帷幕防護(hù)，具體整治措施為：在橋墩墩周設(shè)40cm 厚的C15 混凝土鋪砌層（3#墩鋪砌層縱橋向長(zhǎng)16m、橫橋向長(zhǎng)39.2m；其余墩鋪砌層縱橋向長(zhǎng)13.6m、橫橋向長(zhǎng)39.2m），且在鋪砌層四周設(shè)置1 圈長(zhǎng)7.4mφ50cm 的旋噴帷幕樁。

橋面系：橋面為雙向8 車道，橋面橫向組成：欄桿（0.5m）+非機(jī)動(dòng)車道（5.1m）+機(jī)動(dòng)車道（19.8m）+非機(jī)動(dòng)車道（5.1m）+欄桿（0.5m）。橋面鋪裝采用水泥混凝土；橋面設(shè)有排水孔，并結(jié)合車行道雙向橫坡（1.5%進(jìn)行排水）；兩側(cè)欄桿采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且欄桿表面涂裝有裝飾層，欄桿高1m；橋面設(shè)有中央隔離欄；橋面在對(duì)應(yīng)各墩臺(tái)位置處均設(shè)有1 道U 型鍍鋅鐵皮型伸縮縫，全橋共計(jì)7 道伸縮縫；橋面上、下游兩側(cè)各設(shè)有7 盞路燈；橋面未設(shè)置標(biāo)線用以劃分人行道和車行道。

2 檢測(cè)目的

為了評(píng)定崇州大橋目前的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和工作性能，主要分為如下3 個(gè)方面。1）通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及專項(xiàng)檢查收集必要的資料，全面掌握橋梁各結(jié)構(gòu)現(xiàn)有狀況、破損程度、明確橋梁的病害原因，初步確定橋梁工作狀態(tài)及使用性能，對(duì)橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定[1]。2）通過動(dòng)-靜荷載試驗(yàn)，全面分析不同工況作用下的橋梁穩(wěn)定性和工作狀態(tài)，并評(píng)價(jià)橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)。3）根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，與動(dòng)靜荷載分析試驗(yàn)進(jìn)行比較，對(duì)橋梁的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為橋梁改建和處置提供依據(jù)。

3 檢測(cè)評(píng)定內(nèi)容及方法

采用表觀檢測(cè)法和動(dòng)-靜荷載試驗(yàn)對(duì)崇州大橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用的主要技術(shù)手段和方法簡(jiǎn)要概述如下：1）采用現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)和儀器檢測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)主體橋梁進(jìn)行外觀性、材質(zhì)狀態(tài)、材料狀態(tài)參數(shù)等進(jìn)行檢查，對(duì)橋梁各構(gòu)件的缺損進(jìn)行位置、特性等定性描述，然后輔以專業(yè)設(shè)備對(duì)缺損進(jìn)行定量描述[2]。2）橋梁靜載試驗(yàn)，主要采用電阻應(yīng)變片法（半橋）對(duì)靜態(tài)應(yīng)變（應(yīng)力）進(jìn)行測(cè)試，來測(cè)量靜力荷載作用下的橋梁變形情況，從而了解橋梁的實(shí)際使用性能，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求在橋面布置一定數(shù)量的加載車輛，然后測(cè)量橋跨結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，包括撓度測(cè)量、應(yīng)力測(cè)試、支點(diǎn)沉降測(cè)試以及裂縫開展等情況，以此評(píng)定橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況和承載能力[3]。3）橋梁動(dòng)荷載試驗(yàn)，采用磁電感應(yīng)法測(cè)試橋梁振動(dòng)速度，主要測(cè)試內(nèi)容為：模態(tài)參數(shù)（自振頻率、振型、阻尼比）、動(dòng)應(yīng)變、沖擊系數(shù)等。本次選擇主橋的2#跨和3#跨進(jìn)行動(dòng)荷載試驗(yàn)。

4 檢測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)橋梁的檢測(cè)內(nèi)容，可分別得到崇州大橋的外觀型檢測(cè)結(jié)果，靜荷載試驗(yàn)結(jié)果和動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)對(duì)這三類結(jié)果分別進(jìn)行總結(jié)分析。

4.1 外觀缺損狀況檢測(cè)結(jié)果

各跨拱片在斜撐及主拱腿根部存在大量環(huán)向裂縫，最大縫寬0.46mm；拱片的大節(jié)點(diǎn)和小節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)大量裂縫，部分裂縫已延伸至拱片側(cè)面，裂縫寬約0.05～0.28mm；多處弦桿在大、小節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)環(huán)向裂縫，環(huán)狀裂縫幾乎均由頂面延伸至側(cè)面，側(cè)面裂縫主要以斜向?yàn)橹鳌６嗖糠执嬖阡P脹露筋、混凝土剝落、露筋銹蝕現(xiàn)象。同時(shí)，該橋微彎板和拱片前期已進(jìn)行過環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，修補(bǔ)部分未看到新裂縫發(fā)展。下部結(jié)構(gòu)表觀缺損主要表現(xiàn)為：大多數(shù)拱片弦桿位置所對(duì)應(yīng)的橋墩蓋梁出現(xiàn)不同程度的混凝土剝落、露筋病害，共計(jì)75 處；個(gè)別橋墩蓋梁上方存在建渣堆積現(xiàn)象；部分橋臺(tái)存在著大型豎向裂縫，裂縫最大長(zhǎng)度0.7m，縫寬0.3mm；側(cè)墻存在2 條縱向裂縫，長(zhǎng)1.8m、1.5m，最大縫寬2mm。橋面系及附屬設(shè)施表觀缺損主要表現(xiàn)為：橋面鋪裝高低不平，存在4 處坑槽，最大面積2m×0.17m；5 條裂縫，裂縫長(zhǎng)2m～21.5m，最大縫寬0.8mm，且裂縫普遍為修補(bǔ)后再次開裂；此外，橋面鋪裝、護(hù)欄等多處存在磨光、粗集料外露現(xiàn)象；伸縮縫和防排水系統(tǒng)破損嚴(yán)重，存在輕微積水病害。

4.2 靜荷載試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件Midas/Civil 建立有限元模型，進(jìn)行恒載計(jì)算及活載分析[4]。

4.2.2 有限元模型建立

崇州大橋上部結(jié)構(gòu)采用6×40m 鋼筋混凝土剛架拱，每跨橫向由10 片鋼筋混凝土拱片組成，拱片間鋪設(shè)預(yù)制微彎板，并設(shè)置橫系梁。依據(jù)合同要求，本次選取2#、3#跨作為試驗(yàn)跨，建立有限元模型見圖1。

圖1 全橋有限元模型

4.2.3 荷載條件分析

（1）本次計(jì)算將護(hù)欄和鋪裝僅考慮為荷載作用，不參與結(jié)構(gòu)受力，邊界條件設(shè)置按照實(shí)際荷載進(jìn)行設(shè)置；（2）計(jì)算模型中有關(guān)橋體的幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及荷載參數(shù)均采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值；（3）計(jì)算模型中的材料自重和設(shè)計(jì)荷載按要求取值，橋面荷載折合為線荷載加載進(jìn)行計(jì)算[5]。

4.2.4 試驗(yàn)工況

結(jié)合試驗(yàn)橋跨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照規(guī)范要求，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，模擬時(shí)大的橋2#、3#跨靜載試驗(yàn)各設(shè)置8 個(gè)工況，靜載試驗(yàn)工況及測(cè)試項(xiàng)目詳見下表1。

表1 無鉸拱橋靜載試驗(yàn)工況設(shè)置及控制截面

4.3 測(cè)試手段

4.3.1 裂縫觀測(cè)

在荷載試驗(yàn)過程中，對(duì)主要承重構(gòu)件是否產(chǎn)生裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要用裂縫寬度儀和鋼卷尺檢測(cè)裂縫的分布位置、走向、形態(tài)、長(zhǎng)度、最大寬度。

4.3.2 靜態(tài)應(yīng)變（應(yīng)力）

采用電阻應(yīng)變片法（半橋）對(duì)靜態(tài)應(yīng)變（應(yīng)力）進(jìn)行測(cè)試。將電阻應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度和橫截面積也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生微小的電阻變化。經(jīng)過信息處理，將電阻變化轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的應(yīng)變值，計(jì)算出構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化。

4.3.3 撓度和墩臺(tái)支點(diǎn)沉降測(cè)試采用光（電）學(xué)測(cè)量法中的高精度電子水準(zhǔn)儀對(duì)靜態(tài)撓度及支點(diǎn)沉降進(jìn)行測(cè)試。采用高精度電子水準(zhǔn)儀測(cè)量，其原理是利用水準(zhǔn)儀提供的水平視線，讀取豎立于前后視點(diǎn)上的水準(zhǔn)尺的讀數(shù)，來測(cè)定兩點(diǎn)間的高差，再根據(jù)已知點(diǎn)高程計(jì)算待定點(diǎn)高程，或計(jì)算測(cè)點(diǎn)高程變化量，進(jìn)而把其轉(zhuǎn)化為支點(diǎn)的沉降量。

4.3.4 試驗(yàn)結(jié)果

在計(jì)算時(shí)采用分級(jí)加載，根據(jù)情況分3 或4 級(jí)加載，卸載過程分2 級(jí)進(jìn)行，通過對(duì)各工況靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及分析，得出以下結(jié)論：1）在各工況加卸載過程中，試驗(yàn)跨控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)變和撓度與理論計(jì)算值基本呈線形關(guān)系，且卸載后基本恢復(fù)至初始狀態(tài)，主要控制測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變、撓度介于1.8%～12.4%之間，均小于20%，滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。2）在跨中工況作用下，在設(shè)計(jì)荷載作用（汽車-20 級(jí)）下，試驗(yàn)跨不能滿足設(shè)計(jì)要求；在拱腳工況作用下，試驗(yàn)跨控制截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.79～0.88 之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.82～0.92 之間，處于正常范圍。3）在各工況作用下，控制截面各片拱片實(shí)測(cè)應(yīng)變和撓度的橫向分布情況與理論計(jì)算基本一致，實(shí)測(cè)橫向增大系數(shù)與理論計(jì)算值也較為接近，表明上部結(jié)構(gòu)橫向傳力性能良好，整體性滿足要求。

4.4 動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)嚴(yán)格按照加載條件進(jìn)行，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并進(jìn)行初步檢查，得到動(dòng)荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果如下：1）試驗(yàn)跨實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型基本一致，橋梁阻尼比正常，2#跨上部結(jié)構(gòu)基頻實(shí)測(cè)值和3#跨上部結(jié)構(gòu)基頻實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，表明2#、3#跨拱片剛度不滿足設(shè)計(jì)要求。2）當(dāng)無障礙行車車速為50km/h 時(shí)，2#跨跨中截面出現(xiàn)最大試驗(yàn)沖擊系數(shù)為1.25，3#跨跨中截面出現(xiàn)最大試驗(yàn)沖擊系數(shù)為1.25；結(jié)果表明當(dāng)車速為40、50km/h 時(shí)，2#、3#跨試驗(yàn)沖擊系數(shù)較理論計(jì)算值偏大。

5 結(jié)論

通過對(duì)崇州大橋的外觀性檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢查，同時(shí)結(jié)合動(dòng)-靜荷載試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論。1）崇州大橋的完好狀態(tài)等級(jí)屬于D 級(jí)橋梁，僅下部結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)較好，整體上處于不合格狀態(tài)。2）在靜力荷載作用下，在4 級(jí)工況作用下，試驗(yàn)跨控制截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.93～0.96 之間，撓度檢驗(yàn)系數(shù)大于1，試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)，已不能滿足正常使用要求。3）在動(dòng)荷載作用下，橋梁阻尼比正常，試驗(yàn)跨2#、3#拱的剛度不滿足設(shè)計(jì)（汽車-20 級(jí)）要求，已屬于不合格危險(xiǎn)橋。因此建議立即封鎖交通，進(jìn)行應(yīng)急處置，建議對(duì)該橋進(jìn)行拆除重建。