某大跨度中承式拱橋承載能力檢測評定與分析

賀 才 松

(寧波(江北)高新技術產業園管委會，浙江 寧波 315211)

某大跨度中承式拱橋承載能力檢測評定與分析

賀 才 松

(寧波(江北)高新技術產業園管委會，浙江 寧波 315211)

以某大跨度中承式吊桿拱橋為研究對象，基于外觀檢測，查出橋梁存在的病害及其特征，根據無損檢測，分析了橋梁的現存缺損給其造成的不利影響，通過荷載試驗，評估了橋梁的工作狀態，并對結構抗力效應進行修正，同時對橋梁進行了現有承載能力評定，結合檢測結果對主要病害進行病害成因分析，為橋梁維修加固提供依據。

中承式拱橋，承載能力評估，荷載試驗，病害成因

0 引言

鋼筋混凝土拱橋以其造型美觀、跨越能力強等特點而被廣泛應用。1991年以來國內已經修建大量的鋼筋混凝土拱橋，尤其在西部山區。但隨著經濟發展，交通量大大超出預期，導致橋梁出現更多和更嚴重的病害，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橋型之一，在國內已經發生多起拱橋垮塌事故[1-3]。

本文以某大跨度中承式拱橋為例對其進行了質量檢測、靜力荷載試驗和交通量調查，根據檢測和試驗結果評定了大橋的現有承載能力，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，計算跨徑為198 m，計算矢高33 m，矢跨比為1/6。吊桿采用54根φ7高強鋼絲。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。下部構造：主拱基礎為整體式鋼筋混凝土拱座，橋臺為U形橋臺。設計荷載等級：汽車—20級，掛車—100。

2 大橋檢測及荷載試驗

2.1 檢測試驗目的

全面調查橋梁各種病害及其特征，分析病害出現的原因和對橋梁的不利影響；根據現場荷載試驗評估橋梁的工作狀態，評估分析橋梁的技術狀況，評判其現有承載能力能否滿足運營要求，為橋梁養護提供技術依據。

2.2 檢測試驗內容

根據檢測試驗目的，該橋的質量檢測主要內容見表1。

2.3 檢測結果

1)表觀檢查結果。a.鋼管外包混凝土出現比較多的裂縫和網裂，其裂縫寬度在0.25 mm范圍以內；b.各橫梁的側面與底面出現不同程度的開裂，且出現側面與底面貫通的裂縫，現場發現橫梁裂縫已經進行封閉處理，但裂縫又繼續發展且有很多新裂縫產生，橫梁裂縫見圖1。

表1 某中承式拱橋的主要檢測內容

2)混凝土強度測試。分別對拱肋、立墻、斜撐、橫梁的混凝土強度進行測試，其測試結果見表2，其強度評定標度值均為1，表示各構件強度處于良好狀態。

表2 構件混凝土強度測試結果

3)混凝土碳化深度檢測。碳化深度測試結果為：各構件混凝土的碳化深度在0.08 mm～0.29 mm之間，小于混凝土的保護層厚度，碳化深度標度值為1，表明混凝土的碳化影響輕微。

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

表3 鋼筋保護層厚度測量

5)鋼筋銹蝕狀況檢測。采用半電池電位法評定鋼筋的銹蝕狀況，鋼筋銹蝕檢測部位與混凝土強度的檢測部位相同，每個測區內取1個電位差，鋼筋銹蝕電位圖如圖2所示。分析可知：大部分測區電位在0 mV～-200 mV范圍內，表明未銹蝕，部分測區的電位在-200 mV～-300 mV范圍內，表明可能已銹蝕。

6)吊桿索力測試。吊桿索力采用振動頻率法測試，測試結果表明，靠拱腳側短吊桿索力相對跨中長吊桿稍大一些，索力總體分布均勻，左右側吊桿索力基本對稱，滿足要求。

2.4 荷載試驗

采用靜力荷載試驗對該橋進行加載測試，測量在靜力試驗荷載作用下橋梁的變形和應力，來確定橋梁的實際狀態與設計期望是否一致。

1)加載試驗項目。選拱肋5個控制截面進行靜力試驗荷載加載：

工況1：在最不利活載作用下，檢驗拱腳截面出現最不利負彎矩效應；工況2：在最不利活載作用下，檢驗拱肋L/4截面出現最大正彎矩效應；工況3：在最不利活載作用下，檢驗拱肋L/2截面出現最大正彎矩效應；工況4：在最不利活載作用下，檢驗拱肋3L/4截面出現最大正彎矩效應；工況5：在最不利活載作用下，檢驗拱腳截面出現最不利負彎矩效應。

2)試驗加載效率。荷載試驗采用重約300 kN的三軸車加載，對某加載工況所需的加載荷載，可根據設計標準活載在該加載工況控制截面產生的內力或變位的最不利效應值，按等效原則換算確定：

其中，η為加載效率；Sstate為在試驗荷載作用下某加載工況對應的控制截面內力(變位)的最大計算效應值；s為設計標準活載不計沖擊荷載作用時產生的相對應的控制截面內力或變位的最不利計算效應值；μ為沖擊系數。靜力試驗荷載的加載效率列于表4中。

表4 加載效率

3)荷載試驗結果分析。

a.靜力荷載試驗的加載效率位于0.85～0.87之間，試驗工況在拱肋控制截面產生的最大內力效應能反映設計活載作用下同一截面最不利內力效應，滿足《公路舊橋承載能力鑒定方法》要求。

b.靜力荷載試驗的應變和撓度校驗系數。工況1：拱腳截面的混凝土應變校驗系數有一處校驗系數不滿足鑒定方法常值范疇；工況2：拱肋L/4截面的實測混凝土應變校驗系數有兩處校驗系數不滿足鑒定方法常值范疇；工況3：拱肋L/2截面測試，橫梁有兩處應變校驗系數均不滿足鑒定方法常值范疇；工況4：拱肋3L/4截面測試，橫梁應變校驗系數不滿足鑒定方法常值范疇。

c.靜力荷載試驗的相對殘余應變。工況2：卸載后橫梁的相對殘余應變不滿足鑒定規定；工況3：卸載后橫梁兩處的相對殘余應變不滿足鑒定方法中的規定；工況4：卸載后橫梁的相對殘余應變不滿足鑒定方法中的規定。

通過靜力荷載試驗與理論計算值的比較可知，拱肋的承載能力可滿足設計荷載等級要求，而橫梁的承載能力不滿足設計荷載等級。

3 橋梁現有極限承載能力評定

在現有狀態下橋梁極限承載能力的評定方法及步驟如下：以最不利或具有典型性的橋梁或構件作為評定對象，通過有限元分析初步確定橋梁或構件的承載能力；然后開展深入詳細的橋梁調查與檢測；根據橋梁或構件的檢測結果，對各分項檢測指標進行評判，最后根據橋梁或構件的設計技術資料，結合結構檢算分析來評定橋梁或構件的承載能力和使用條件[4]。

根據外觀檢測和材料強度變異程度確定檢算系數；基于無損檢測，并引入承載能力惡化系數；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，并引入混凝土和鋼筋折減系數；在評定橋梁的承載能力時引入檢算系數和折減系數，從而修正橋梁的抗力效應；通過實際調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ζq，通過結構現有承載能力和荷載效應比較判定結構的承載能力狀況。

根據設計圖紙，采用MIDAS軟件建立空間模型進行分析計算，模型見圖3。

根據檢測結果，該橋檢算系數及評定參數見表5。

表5 檢算系數及評定參數取值

分別對拱肋和橫梁各控制截面進行基于檢測結果的現有承載能力評定，結果表明拱肋能夠滿足原設計荷載等級要求，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、橫梁出現較多U形裂縫且現有承載能力不滿足原設計要求。

1)拱肋裂縫成因分析。拱肋裂縫寬度較小，分布無規律，且有較多網裂，經向管養單位咨詢,該橋建成時拱肋外包混凝土就已經出現不規則的裂縫，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。吊桿拱橋橫梁構造復雜，容易出現裂縫。同時此處又是吊桿拱橋受力的關鍵部位，因此出現裂縫均為有害裂縫，所以應重視裂縫的分析處理。

橋梁檢測結果表明：全橋各跨縱向開裂均較為嚴重，其裂縫主要分布在7道～21道橫梁之間。尤其是第11道橫梁底部出現了18條裂縫，并且其裂縫總長度達到了18.72 m。由于橫梁底部的橫向拉應力，使得裂縫呈豎直分布，橫梁的大多數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。

結合本橋橫梁裂縫形狀以及橫梁構造，分析橫梁開裂主要有以下幾個方面的原因[5]：

a.橫梁截面挖空率大，截面剛度偏小，承載能力安全儲備小，超載車輛通行容易出現開裂；b.查閱該橋竣工圖紙資料知道該吊桿拱橋橫梁沒有設預應力體系，在外荷載作用下很容易出現開裂；c.混凝土凝固過程中因收縮會產生一些細小不規則的收縮裂縫；d.由于橫梁截面是空心的，當截面內外溫差較大會產生溫度裂縫；e.施工不當特別是澆筑混凝土振搗不密實，橫梁也容易出現裂縫。

5 結語

通過對該大跨度吊桿拱橋進行詳細的質量檢測、荷載試驗及現有承載能力評定，對該橋提出以下建議：

1)該橋拱肋承載能力能夠滿足原設計荷載等級要求，拱肋裂縫不是受力裂縫，建議對裂縫進行封閉灌漿處治；

2)橫梁承載能力不滿足設計荷載等級要求，每片橫梁側面和底面均出現不同程度的開裂，且出現側面與底面貫通的裂縫，需要及時進行維修加固；

3)由于該橋橫梁未設置預應力體系，建議對該橋進行有粘結預應力或體外預應力體系加固，限制裂縫的發展,提高橫梁截面的承載能力，保證結構安全。

[1] 施 洲,蒲黔輝,高立強，等.吊桿拱橋的吊桿檢測試驗與評定[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評定規程[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估[J].市政技術,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