基于山區石拱橋涵的檢測和評定方法

許祥順 陳永亮 張立濤 戴江濤++樊新舟

【摘要】隨著既有橋涵數量越來越多和人們對橋涵安全意識的增強，國內外相續開展了橋涵檢測、健康評定的研究，提出了許多理論和方法，一部分理論已很成熟并被應用在橋涵的檢測和評定方面。

【關鍵詞】石拱橋涵；檢測；評定；檢查；方法

Detection and Evaluation Method of Stone Arch Bridge Based on Mountain Area

Xu Xiang-shun1，Chen Yong-liang2，Zhang Li-tao2，Dai Jiang-tao2，Fan Xin-zhou2

（1.Xingtai City Local Road Management OfficeXingtaiHebei054000；

2.Xingtai City Highway Engineering Management OfficeXingtaiHebei054000）

【Abstract】With the increasing number of bridge and culverts and the increasing awareness of bridge and culvert safety， the research on bridge and culvert detection and health assessment has been carried out at home and abroad. Many theories and methods have been put forward. Some theories have been mature and applied in bridge Detection and assessment.

【Key words】Stone arch bridge；Detection；Assessment；Inspection；Method

1. 橋涵檢測

1.1橋涵的檢測目的和內容。

1.1.1檢測的目的。

病害橋涵的維修利用、加固改造、提高荷載等級或者需要通過超重車輛等。

1.1.2橋涵檢測的內容。

1.1.2.1外觀檢查。

按橋涵的構件分為：橋面系外觀檢查、橋涵上部結構檢查、支座檢查、墩臺檢查、墩臺基礎檢查；

按檢測對象分為：裂縫檢查、混凝土碳化深度檢查、混凝土強度檢查、鋼筋銹蝕檢查、混凝土保護層厚度檢查以及鋼筋分布檢查等。

1.1.2.2荷載試驗檢查。

（1）作用力的大小，包括試驗荷載的大小、構件的內力、支座的反力、推力等；

（2）結構截面上各種應力、應變的分布狀態及其大小；

（3）結構的各種靜態變形，包括水平位移、豎向撓度、相對位移、轉角等；

（4）結構局部的損壞現象，如裂縫的分布及其寬度、深度等；

（5）動力特性，如橋跨結構在車輛荷載下的強迫振動特性，如沖擊系數、強迫振動頻率、動位移和動應力，以及橋跨結構的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性等。

1.2橋涵的檢測方法。

橋涵在長期的使用過程中不免會發生各種結構損傷，原因可能是人為因素，也可能是自然災害。隨著我國交通建設的迅速發展，交通運輸量大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，由于超載而造成橋涵結構的損傷繼而加劇其自然老化。這些因素均導致了橋涵承載能力和耐久性的降低，甚至影響到運營的安全，由此而引起的一系列問題都需要相應的維修、改造和加固來解決，而這些工作又必須在對橋涵結構詳細和系統的檢測的基礎上才能妥善進行。

橋涵的檢測從方法上來講分為橋涵一般調查、檢測和靜、動荷載試驗。

1.2.1橋涵檢查。

1.2.1.1橋涵調查。

橋涵調查可分為兩個方面：一是向原橋涵設計和施工部門收集設計、施工、竣工文件，包括設計圖紙、設計變更圖紙、施工方案、質量檢驗及材料試驗、竣工圖紙等資料；二是向養護和管理部門了解橋涵運營狀況，包括交通量的變化，重載車輛的通過，現有的交通情況，以及橋涵的養護、維修和過去所作橋涵加載試驗資料情況，還要了解橋涵己有的缺陷及其發展歷程等；三是對于缺乏設計資料和養護、維修、加固等記錄的橋涵，要進行實橋調查和線形測量，做好圖示記錄，以備分析采用。

1.2.1.2橋涵的一般檢查。

（1）橋涵的總體及細部尺寸的復核：對照竣工圖，對橋涵總長總寬、上部構造高度、主梁尺寸等進行丈量和測量，并注意復核結果與原設計圖的差異。

（2）橋面系的檢查：主要檢查全橋各孔的橋面標高及實際縱橫坡和橋面平整度；橋面鋪裝層有無開裂、水泥混凝土面層有無磨耗、瀝青面層有無老化；伸縮縫是否損壞，泄水孔能否正常使用等。

（3）主要承重構件的檢查：主要檢查主梁、橋面板、橫隔板（梁）和結合面的狀況。對主梁如發現恒載撓度明顯過大，應量測恒載撓度。重點檢查主梁跨中附近的垂直裂縫，記錄其部位、走向、長度、寬度、間距、向上延伸的高度，向下有無在梁底穿透；應檢查支座附近的斜向裂縫，主要記錄其寬度和分布部位、有無延伸到結合面，并判明裂縫的性質；檢查支座的功能、檢查混凝土的外觀是否有剝落、水漬、露筋等。對預制橋面板，應重點檢查微彎板跨中有無縱向裂縫，記錄其寬度、長度，有無橫向裂縫和斜裂縫；預制橋面板安裝時的砂漿是否飽滿等。如設有橫隔板（梁）時，應檢查其跨中有無裂縫，其與主梁的連接有無損壞銹蝕等。預制橋面板和預制主梁間的砂漿接縫安裝時砂漿是否飽滿，是否有開裂，應檢查裂縫的長度和寬度等。

1.2.1.3橋涵的特殊檢查。

根據實際情況，在一般檢查的基礎上選擇較重要的結構部位或具有典型病害的部位抽樣進行特殊檢查。

（1）鋼筋現狀的檢查：主要檢查混凝土內鋼筋的分布，估測鋼筋直徑，探測混凝土保護層的厚度。

（2）混凝土強度檢測：使用超聲儀和回彈儀檢測，根據回彈一超聲綜合法來檢測混凝土的抗壓強度及內部缺陷測試。

（3）鋼筋銹蝕狀況的檢查：一是對露筋的混凝土，測試其鋼筋與混凝土之間存在的電位，根據電位的水平來判明鋼筋的銹蝕狀況；二是測量混凝土的電阻率，根據電阻率的高低，來判斷鋼筋的銹蝕狀況；三是測量混凝土的碳化深度，如碳化深度小于保護層厚度，則表明鋼筋能受到較好的堿性保護；四是混凝土中氯化物的測定，是否足以誘發鋼筋銹蝕。

1.2.2荷載試驗檢測法。

1.2.2.1靜載試驗檢測方法。

靜載試驗檢測法是通過對橋涵進行靜載試驗，量測與橋涵結構性能相關的參數。與橋涵工作性能相關的主要參數，有變形、撓度、應變、裂縫等。通過靜載試驗，可測出這些參數，從而分析結構的強度、剛度及抗裂性能，據此評定橋涵的承載能力狀況。

橋涵的靜載試驗，一般需進行以下測試內容：

（1）結構的豎向撓度、側向撓度和扭轉變形。每個跨度內至少有3個測點，并取得最大的撓度及變形值，同時觀測支座下沉值。為了驗證所采用的計算理論試驗，要實測控制截而的內力、撓度縱向和橫向影響線。

（2）控制截面的應力分布、偏載特性。沿截面高度不少于5個測點，包括上、下緣和截面突變處。有些結構需測試支點及附近、橫隔板附近剪應力和主拉應力，此時需將應變計布成應變花。

（3）支座的伸縮、轉角，支座的沉降；墩頂位移及轉角。

（4）觀察初始作用荷載下是否己出現裂縫，仔細標明裂縫出現的位置、方向、角度、寬度及卸載后閉合情況。如果結構的控制截面變形、應力或裂縫擴展，在尚未加到預計最大試驗荷載前，已提前達到或超過設計標準的允許值，應即停止加載，同時注意觀察裂縫擴展情況，撤離儀器和人員。

（5）觀察卸載后的殘余變形。對于特殊結構而言，如懸索橋和斜拉橋，尚需觀察索力和塔的變位并進行支座的測定。

1.2.2.2動載試驗檢測方法。

動力荷載試驗的目的在于研究橋涵結構的動力性能，該性能是判斷橋涵運營狀況和承載能力的重要標志之一。動力系數是確定車輛荷載對橋涵動力作用的重要技術參數，直接影響到設計橋涵的安全與經濟性能；橋涵過大的振動可引起乘客和行人的不舒適；橋涵自振頻率處于某些范圍時，可由外荷載引起共振的危險。近年來，研究者擴大動力檢測方法的范圍和功能。結構損傷的發生必然導致結構參數（剛度、阻尼和內部荷載）的改變。恰當地估計這些變化，就能給結構損傷狀態的評定提供一個量化的方法。利用振動方法對橋涵進行損傷檢測的基礎是從橋涵振動模態的變化中能夠估計出橋涵結構參數的變化。橋涵振動模態通常可用常規的試驗模態分析測試方法得到。在橋涵的不同位置布置測點，通過結構損傷前后由這些測點記錄的信息可提取出的橋涵振動模態特性參數的變化，以此來確定結構損傷發生的位置、大小及結構損傷的類型。

2. 橋涵評定

2.1橋涵評定的內容。

橋涵評定是利用特定信息，分析既有橋涵可靠性并為使橋涵保持一定水平的可靠性而做出相應工程決策的過程。在實際評定過程中，對中小橋涵與大型橋涵采取不同的評價方法，橋涵評定的方法大致可分為兩大類：一類是以承載能力評價為主的方法，一類是以狀態評價為主的綜合評價方法。中小橋涵由于數量多分布廣，一般通過定期或不定期的檢測手段，對橋涵的承載能力做出評價。

2.2橋涵評定的依據。

檢測評定工作一定要有據進行，不得偏離被檢測評定橋涵的現狀和具有法規效力的依據。

（1）委托方與被委托方簽訂的有效合同、協議及其附件。

（2）被檢測評定橋涵所在地政府、政府主管部門及質檢部門對該橋有關的指令、意見和要求等。

（3）委托方向被委托方提供該橋的原設計文件、施工文件及竣工驗收文件等。

（4）國家部、委頒布的有關技術規范、標準等。

2.3橋涵評定的方法。

既有橋涵承載力評定方法大體上分為以下5種：綜合評定方法、計算機智能分析方法、荷載試驗方法、理論分析計算方法和基于結構可靠性理論的評定方法。

2.3.1綜合評定方法。

目前，綜合評定方法主要有以下三種：

（1）外觀調查法

根據外觀調查進行評定的方法，就是由有經驗的橋涵技術人員對既有橋涵外觀進行詳細的檢查，并根據檢查結果對橋涵質量進行評定。此種方法僅能對結構進行定性評定，不能給出定量的損傷程度，且人為主觀因素較多。

（2）層次分析法。

層次分析法是美國運籌學家在上世紀七十年代提出的。層次分析方法認為影響橋涵結構狀況的因素非常多，有些因素影響雖小，但積累到一定程度就會發生質變，從而危及整個結構的使用狀況。橋涵安全性評定不能單純地考慮重要構件，也要兼顧次要構件，但也不能主次不分，使評定工作量大而繁雜。把定性因素定量化，并能在一定程度上檢驗和減少主觀影響，使評價更趨于客觀。目前在國內已逐步受到重視，并得到了一些實際應用。

（3）模糊綜合評定法。

該方法是以模糊數學理論為基礎，對實際問題進行模糊判斷的綜合評定方法。它以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進行綜合評定的方法。為考慮多種因素對橋涵結構安全性的影響，將影響因素分為施工質量、材料和環境等三個方面及多個影響因素；建立評價結構安全性的指標體系，對各因素分別建立其對結構安全性影響的隸屬函數，把模糊數學與層次分析法結合起來，應用模糊數學進行單因素評價，用層次分析法計算確定各層次因素間相對權重，最后對結構安全性進行模糊綜合評價。

2.3.2計算機智能方法。

2.3.2.1專家系統評定法。

（1）專家系統評定方法就是用具有相當于專家知識和經驗水平的計算機系統對既有橋涵進行評定。在橋涵領域，無論是在設計、施工還是管理方面，均存在一些不確定性的因素，這些因素大多難以用數值模型進行計算，但采用專家系統則可很好的解決。

（2）專家系統評定方法又可分為專家系統和專家意見調查兩種類型。專家系統是利用計算機模擬經驗豐富的專家的決策機理，對既有橋涵進行綜合評定的智能軟件系統，對損傷橋涵進行綜合評定。專家意見調查，是指直接收集、分析、歸納專家意見，對橋涵安全性能作出評定的方法。

2.3.2.2神經網絡方法。

（1）神經網絡是一類模擬生物神經系統結構、有大量處理單元組成的非線性自適應動態系統，它具有學習能力、記憶能力、計算能力及智能處理功能，能在不同程度和層次上模仿大腦的信息、處理機理，具有非線性、非局域性、非定常性和非凸性等特點。其研究成果廣泛應用于模式識別、自動控制、圖像處理、語言識別等領域。

（2）神經網絡法可降低評定過程中的人為因素，能較好地保證評定結果的客觀性，但神經網絡的學習需要大量的樣本，如果積累的資料較少，其結果的準確性將存在一定的局限性。

2.3.3現場荷載試驗方法。

現場荷載試驗的方法有靜力荷載試驗方法和動力荷載試驗方法，前者反映橋涵在靜載作用下的結構工作性能而后者反映橋涵結構的動力性能。通過現場荷載試驗可直接檢測結構的實際承載力，其主要優點是直觀，但試驗設備復雜，技術難度高，經費支出大。在既有橋涵的評定中，它又多用于橋涵工作狀態不明確情況下的評定和研究工作，以彌補根據外觀調查評定和以分析計算為主的評定方法的不足。

2.3.4理論計算分析方法。

（1）基于設計規范的方法。

基于設計規范的評定方法以分析計算為主，在現場詳盡的外觀調查、資料收集（設計、施工、維修和加固資料）的基礎上，對既有橋涵材料取樣進行強度試驗或無破損測定，以確定材料的實際抗壓、抗拉強度、混凝土標號或石料標號，鋼筋的銹蝕程度、結構的實際尺寸等，引入橋涵檢算系數、耐久性惡化系數、截面折減系數和活載修正系數分別對極限狀態方程中結構抗力效應和荷載效應進行修正，運用現行設計方法重新計算橋涵的承載能力，并通過比較以判定結構或構件的承載能力狀況，從而對結構或構件的承載能力做出評定。

（2）基于損傷力學和疲勞斷裂的方法。

損傷力學認為材料內部某點出現損傷是由于該點應變值超過了臨界值，所造成的變形不能愈合，由此帶來能量耗散。目前損傷力學在復合材料中應用比較成功，但用損傷能量釋放率來評定混凝土材料的失效尚需更細致的試驗和理論研究。相比之下，斷裂力學在鋼橋的安全評定中的應用則成熟得多。其中原因除了彈塑性斷裂力學分析技術己經比較成熟外，主要是鋼橋失效大多是由一條主裂紋失穩增長而造成，并且鋼橋設計也比較多的考慮了線性損傷累積規則，這與斷裂力學的理論基礎是一致的。

2.3.5基于結構可靠性理論的方法。

以上四大類方法都是確定性的方法，可是對于影響橋涵承載力的很多因素都是不確定的和隨機的，所以用確定性的方法來研究不確定性的問題就存在了一定的不合理性。可靠性理論是把結構的影響因素考慮為隨機因素，然后按照一定的概率分布求結構的可靠性或其可靠指標。由于既有橋涵的隨機因素和不確定因素比較多，所以應可靠度理論來求解橋涵可靠度是一種很好的方法，同時也是橋涵評定的的發展趨勢。

3. 橋涵評定的不足

石拱橋涵的評定是一項非常復雜和困難的工作，目前還沒有被廣泛認可的結構評定程序。影響石拱橋涵的結構行為的參數較多，而且這些參數的改變會產生什么影響，現在很難給予定量考慮。另外，石拱橋涵結構中有許多無法從外部直接判定的內部構件。

目前可用于石拱橋涵承載能力評定的計算方法，包括簡化的平面桿系模型和大型實體仿真有限元分析。但它們常常低估圬工拱橋的承載力，以至于可能為了橋涵重建、維護而采取不必要或不經濟的解決方法。

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參考文獻

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[基金項目]河北省教育廳科技項目（Z2017037）.

[文章編號]1619-2737（2017）05-17-902