多孔連拱雙曲拱橋現狀檢測與評估分析

彭 偉

(1.重慶安濟建設加固工程有限責任公司，重慶401120；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司橋梁工程結構動力學國家重點實驗室，重慶 400067)

雙曲拱橋是20世紀60年代由江蘇無錫交通局職工發明的拱橋型式[1]，也是我國原創橋型之一.雙曲拱橋因其主拱圈在縱、橫向均呈弧形而得名，主拱圈可進一步細分為拱肋、拱波、拱板及橫向聯系等構件[2]，通過分段預制這些構件，在現場按‘化整為零’進行施工就可形成主拱圈.由于這種橋型具有省建材、快施工、低造價等優點，自出現后就在全國迅速推廣，并在隨后的20年內得到大量工程應用，為我國公路交通發展做出了重大貢獻.限于當時的條件，雙曲拱橋結構整體性差、材料強度和設計荷載標準低、施工質量變異大等問題在隨后的運營中逐漸暴露出來，尤其在現代大交通量和車輛超載條件下，幾乎所有的雙曲拱橋都出現不同程度的病害[3]，其中一些雙曲拱橋發展位危橋后被拆除重建.

對于現存的雙曲拱橋，關于結構病害檢測、承載能力評價及加固等進行了較多研究[4-8]，背景橋梁基本以單孔大跨徑或四孔以內小跨徑為主，鮮有針對十孔以上雙曲拱橋的研究報道.本文以我國西南地區一座11孔雙曲拱橋為背景，通過對主拱圈、拱上結構、橋面系及下部結構的病害和損傷情況進行全面檢查，了解缺損部位、性質、程度及發展趨勢，分析病害的主要原因，并依據行業規范進行現狀評估分析，提出橋梁維修建議，相關檢測評估可供類似多跨雙曲拱橋運營管養借鑒參考.

1 工程概況

該連拱雙曲拱橋為雙向兩車道公路橋梁，建成于1970年，全景圖見圖1.橋梁共11跨、全長268m(圖2)，原設計每孔凈跨20m，凈矢高2.35m，矢跨比1/8.5，橋面全寬為2×0.25m(欄桿)+6.9m(車行道).上部結構主拱圈橫向由5肋4波及2個半懸波組成，材料為鋼筋混凝土，拱肋通過橫系梁加強橫向聯系；主拱圈上共34個腹拱圈，材料為漿砌塊石.下部結構采用重力式圬工橋墩與橋臺；橋面鋪裝為水泥混凝土，兩側為鋼制欄桿.橋梁原施工資料缺失，現通行限載總重30t、軸重13t.

該橋所屬路線等級為國道.運營40多年來，該橋已出現一些缺陷病害并進行了處治，但地方經濟發展誘發交通量明顯增大，橋上通行重車較多(圖3).為了解該橋目前實際狀況，筆者對其進行運營檢測，包括全面細致的表觀缺陷與材質狀況專項檢查，并基于構件病害評定進行橋梁技術狀況綜合評估分析，為結構后續加固維修提出技術建議.

圖1 多跨連拱雙曲拱橋全景圖

圖3 橋上通行重車

圖2 橋跨與墩臺編號

2 多跨雙曲拱橋檢測評估依據與內容

2.1 檢測評估依據

公路橋梁現狀檢測評估是一個綜合評價過程，首先需要明確評估標準.我國現役橋梁檢測評估主要依據[9-11]JTG H11-2004《公路橋涵養護規范》、JTG/T H21-2011《公路橋梁技術狀況評定標準》和CJJ 99-2017《城市橋梁養護技術規范》.這3本規范編寫、頒布時間不同，在《養護規范》基礎上，《城市規范》引入分層加權法與單項控制指標對橋梁技術狀況進行評定，《評定標準》對《養護規范》進行補充，并在2003版《城市規范》分層加權法的基礎上改進部件、構件權重，細化主要橋型構件分類，對病害定性與定量描述更為具體.比較而言，《評定標準》受檢測人員主觀影響更小，在量化、追溯和實用性方面更強，因此本文采用《評定標準》進行評估分析.

根據《評定標準》分層綜合評估流程，受檢橋梁一律劃分為三大部位，即上、下部結構及橋面系，組成橋梁的最小單元是構件.基于各構件檢測結果，首先定性定量統計構件病害標度后按式(1)、(2)分別計算構件及其隸屬部件的評分，再根據各部件的權重，按式(3)、(4)依次計算上部(SPCI)、下部結構(SBCI)、橋面系(BDCI)及結構總體(Dr)技術狀況評分，值域都為0～100.

(1)

(2)

(3)

Dr=SPCI×WSP+SBCI×WSB+BDCI×WD

(4)

式中，PMCIl(BMCIl或DMCIl)分別為上部結構(下部結構或橋面系)第i類部件第l構件技術狀況評分值，PCCIi(BCCIi或DCCIi)分別為上部結構(下部結構或橋面系)第i類部件技術狀況評分值.t是用于部件評分計算的參數，其值隨構件數量而變化.U、x、y為引入的中間變量；DP為構件檢測指標扣分值；m為部件種類數；Wi為第i類部件權重，按《評定標準》4.2條取值，對于構造缺項的情況，應遵循變權原理將未設部件權重加權分配給現有部件；WSP、WSB、WD分別為上部、下部結構及橋面系在全橋中的權重，《評定標準》按定權重推薦其值分別為0.4、0.4、0.2.

2.2 結構現狀評分影響因素

上述計算評分過程表明，分層綜合評估是一個基層先評、逐級打分的過程，當前層的評估依賴于上一層的評分結果，影響實際橋梁總體技術狀況Dr的是一些較低層的評分因素，例如單構件得分(PMCIl、BMCIl、DMCIl)、構件數量n、t值、部件權重Wi，前2者需通過計算確定，后2者可按《評定標準》查表取值(Wi可能需變權調整).下面分別進行討論.

(1)根據單個構件各檢測指標扣分DP，見表1，式(1)對單構件按單種病害或多種病害分別計算得分，由于構件得分與其病害種類相關，病害種類越多，構件得分值越低.無論是多跨、單跨橋梁，在確定各構件評分后，同類構件得分均值、最小值也相應確定.

表1 構件各檢測指標扣分值

(2)各部件評分計算涉及t值，根據《評定規范》4.1條，不同構件數量n對應的t值見圖4，可見隨構件數量n增加，t單調減小直到越接近定值，當n>90，t≈2.3，因此，當同類構件的數量較多，t值的影響越不明顯，此時式(2)的計算結果依賴于構件評分.由于實際橋梁因結構型式、構造及橋跨數量不同，同類構件數量可能有明顯的差異，t值也因此不同.以雙曲拱橋為例，主拱圈的構件數量按每跨拱肋和拱波的自然數量進行計算，對于常用的5肋4波及2個半懸波截面形式，當橋梁為10跨、單跨，不計半懸波情況下的主拱圈構件數量n=90、9，對應t=2.8、8.3.

圖4 構件數n對t值的影響

綜上所述，由于雙曲拱橋主拱圈是由小構件組裝而成，橋跨數量會明顯增大全橋主拱圈構件總數，t值的影響變小，上部結構評分更依賴于構件的評分情況.

2.3 檢測內容

橋梁檢測應根據橋型及其病害特點確定相應檢測內容.無論是多跨或單跨橋梁，都按上部、下部結構及橋面系分別進行檢測.由于橋跨數增加，多跨雙曲拱橋的構造較單跨情況有明顯不同：(1)多跨橋的單孔跨徑通常較小，但由于連拱作用影響，下部結構通常采用抗推剛度較大的實體墩，因此全橋構造上通常體現為小跨徑、粗橋墩；(2)因孔跨數增加，主拱圈數量增多，拱肋、拱波及橫向聯系等構件數量也增多；(3)由于橋墩數量增加，相應與主拱圈的結合部位也增多.因此，多跨雙曲拱橋的主拱圈、橋墩及其兩者結合處等檢測部位都較單跨雙曲拱橋更多.

現有單跨雙曲拱橋病害檢測表明[3,4]，拱圈和橋面系是最容易發生病害的部位，例如拱波頂部、拱波與拱肋結合處、拱肋橫隔板與拱肋交界處、腹孔拱板連接處容易發生開裂破壞；拱上填料缺乏足夠強度、整體性差，橋面平整度差、橋面容易發生開裂破碎病害等.參考上述病害情況并結合該11孔雙曲拱橋的構造特點，本文主要進行如下檢測.

(1)表觀狀況檢測：橋梁表觀狀況主要體現為構件的表觀病害及其種類和程度.本文對全橋上、下部結構及橋面系的構件進行全面細致的外觀缺陷檢查，重點對拱波、拱肋、橫向聯系及主要部位的連接處的裂縫情況進行檢查.病害檢測以人工目測為主，借助裂縫觀測儀、鋼卷尺、照相機等工具，現場采用文字與拍照記錄病害的位置及程度.

(2)材質狀況檢測：橋梁處于自然環境中，諸如二氧化碳、雨水侵蝕等環境作用會加速橋梁材料性能劣化，并影響結構耐久性，主要表現為混凝土和鋼筋的性能狀況.在實際中應針對重要部位的主要構件，采用無損或半破損方法截取試樣進行檢測[12,13].本文抽取主拱圈的拱肋進行材質狀況檢測，包括采用回彈儀、鋼筋掃描儀及酸堿指示劑反應厚度法分別進行混凝土強度、保護層厚度及碳化深度檢測.

2.4 構件劃分與編號

構件是組成橋梁結構的最小單元，也是最直接的檢測單元和最先評估的對象，合理劃分構件是進行橋梁全面檢測和科學評估的基礎.

結合文獻[11]關于拱橋評定指標分類及雙曲拱橋的構造特點劃分本次檢測構件.由于該多跨雙曲拱橋構件類別和數量都較多，為便于現場檢測記錄與后續分析，從南至北對橋梁各部位構件進行編號，主要構件編號情況為：橋跨依次為第1跨～第11跨，墩臺分別為0#臺、1#墩、……、11#臺，見圖2；單片拱肋或拱波分別編號為X-Y#、X-Z#，X為橋跨編號，Y、Z為對應橋跨的拱肋、拱波橫向編號，其中，X=1～11、Y=1～5、Z=1～4，見圖5；按前進方向將各腹拱編號為1#～34#，即0#臺、11#臺分別對應1#腹拱、34#腹拱.

圖5 拱肋與拱波編號

3 現狀表觀檢測結果

3.1 主拱圈

經檢查，全橋主拱圈未見明顯下撓，主拱圈混凝土表面局部有蜂窩麻面現象；各跨拱波均有嚴重的滲水、泛堿，拱波拱頂腹部均有不同長度的縱向裂縫(圖6)，且大部分為修補后開裂，其中1-2#、1-3#、2-2#～2-4#、3-2#、3-3#、4-2#、4-4#、6-2#、6-3#、9-3#、10-3#拱波拱頂處為縱向貫通裂縫；拱肋局部有破損、露筋現象(圖7).

圖6 拱波縱向裂縫

圖7 拱肋破損、露筋

3.2 拱上結構

經檢查，各跨腹拱圈與拱上側墻均有明顯的滲水、泛堿現象，局部有少量的灰縫脫落；腹拱圈砌石表面均有風化現象，其中6#、10#、13#腹拱圈砌石表面局部破損、剝落(圖8)，18#、23#腹拱圈局部與拱上側墻有輕微脫裂現象.

圖8 腹拱圈砌石破損、剝落

3.3 橋面系

經檢查，橋面無防撞護欄、多處有小坑槽，鋪裝層大面積開裂破損，以第11跨橋面破損最嚴重(圖9)，橋面局部有橫向貫通裂縫；兩側鋼制欄桿表面明顯銹蝕，部分鋼構件缺失.

3.4 橋墩與橋臺

經檢查，各墩臺均有明顯的水漬，橋墩未見明顯變形移位；3#墩右側頂部與拱肋結合處豎向開裂破損，7#墩及9#墩左側面都有少量豎向短裂縫，最大縫寬為2mm；2#、3#、8#、9#墩墩身局部砌石破損、剝落；0#臺右側墻1處砌石豎向開裂.

圖9 鋪裝層開裂破損

4 拱肋材質狀況檢測結果

由于主拱圈是拱橋最重要的承重部位，本文選取7-4#、11-5#拱肋進行混凝土強度、保護層厚度及碳化深度檢測.由于該橋施工資料缺失，故拱肋混凝土參考同地區同年代混凝土結構的材料參數值.

經檢測表明，7-4#、11-5#拱肋混凝土強度推定值大于40MPa，保護層厚度分別為36.8mm、34.4mm，碳化深度實測平均值為0.5mm，根據文獻[12]進行受檢構件材質狀況評價：混凝土強度評定標度為1，受檢構件強度狀態良好，由于混凝土自然養護齡期已超過1000d，回彈測強結果僅為參考；保護層厚度評定標度為1，混凝土保護層厚度完好；碳化深度評定標度為2，即“承重構件有少量碳化現象，且所有碳化深度均小于混凝土保護層厚度”.

5 結構技術狀況評估與維護建議

5.1 結構現狀評估

根據上述構件檢測結果，按文獻[11]推薦的分層綜合法進行橋梁現狀技術狀況評估：首先仔細核對各構件病害的定性定量描述后確定病害類型、標度、扣分值DP，確定各部件、全橋的技術狀況得分Dr.鑒于該橋上部結構、橋面系病害較嚴重，相應評定表見表2～表3，權重Wi已進行變權調整，可見該橋主拱圈、拱上結構、橋面系中有較多的四類構件.

根據式(4)，結構總體技術狀況評分為：

Dr=38.32×0.4+80.34×0.4+50.78×0.2=57.62

(5)

按照《評定標準》4.1.5條對橋梁技術狀況分類界限的規定，綜合該橋技術狀況等級為四類，即“主要構件有大缺損，嚴重影響橋梁使用功能；或影響承載能力，不能保證正常使用.”

表2 該橋上部結構評定表

表3 該橋橋面系評定表

5.2 結構維修建議

由以上檢測結果可見，該橋孔跨數較多，全橋主要病害在上部結構和橋面系，即拱波在拱頂處有大量縱向裂縫，且多數為縱向貫通縫；主拱圈、腹拱圈及拱上側墻均有嚴重滲水、泛堿，腹拱圈砌石表面風化，局部破損、剝落；橋面鋪裝層大面積開裂破損.對于這些病害原因，既有結構本身的先天不足，也有長期重荷載、大交通量作用的結果.

(1) 由于建橋時拱波配筋不足，波頂是最薄弱部位，施工中脫模及混凝土收縮都會造成拱波開裂[4,14]，而且主拱圈橫向聯系較弱，拱肋受力協調性差，各拱肋較大的變形差異加速了拱波縱向開裂，裂縫在車輛荷載作用下進一步發展.

(2) 由于橋梁運營時間較長，材料性能劣化，拱上填料厚度和強度均勻性較差，在大交通量和重車作用下，橋面鋪裝層局部嚴重開裂破損，并且橋梁未及時進行養護，橋面防排水設施失效，直接導致雨水下滲污染拱圈并引起嚴重泛堿現象.

由于該橋服役時間較長，拱波縱向裂縫大多數為修補后重新開裂，建議管養部門從地方交通需求與橋梁服役功能進行適應性評價.如果繼續用作公路橋，應進行加固改造處理，在加固施工完成后重新評價結構實際承載能力.現狀下應加強橋梁通行管制，嚴格限速限載通行，避免多臺重車同時過橋，避免進一步造成橋梁安全隱患.

6 結語

通過對該多跨連拱雙曲拱橋進行表觀現狀與材質狀況檢測及評估分析后，可得如下結論：

(1) 該橋綜合技術狀況評定等級為四類，主拱圈、拱上結構及橋面系有較多四類構件，主要病害為拱波頂部有大量縱向裂縫，上部結構嚴重滲水、泛堿，橋面鋪裝層大面積開裂破損.

(2) 考慮該橋建造年代與病害現狀，建議結合《公路橋涵養護規范》與地方交通需求作橋梁適應性評價.該橋若繼續作為公路橋使用，應進行加固改造以維持結構正常服役功能，在進行施工改造前，應加強橋梁通行管制，嚴格限速限載通行.

(3)隨橋跨數量增多，多跨雙曲拱橋主拱圈構件總數顯著增大，t值影響變小，上部結構評分更依賴于構件評分，因此在檢測中應遵循接近觀察原則，盡可能檢查全部構件，以準確反映結構病害程度.

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