基于橋梁特殊檢測的普通鋼筋混凝土剛架拱橋工作性能評價

■高 昊

(福建省福泉高速公路有限公司，福州 350000)

0 前言

剛架拱橋是指外形似斜腿剛架的拱橋，由剛架拱片、橫系梁與橋面系組成。剛架拱片是拱肋與拱上建筑組成整體的承重結構，立面上略呈拱形，其間用橫系梁和橋面系連接成整體共同受力。剛架拱橋是在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構橋等基礎上，結合我國拱橋特點及無支架施工經驗而發展起來的新橋型，屬于有推力的高次超靜定結構，其大部分構件偏心受壓，無純拉構件，可以充分利用混凝土抗壓能力強的特點。

由于剛架拱橋結構線條簡單、外形美觀大方、施工簡便、造價低，適用于地基較差的橋位處，所以在全國范圍內得到廣泛應用。但是剛架拱橋是預制安裝，存在主拱肋微彎板、混凝土填平層及橋面鋪裝間的連接強度不足、橫向和縱向剛度偏弱等缺點，再加上施工中采用的原材料不合格、施工過程不規范出現的質量問題，橋梁缺少養護或養護力度不夠，以及這些年來日益增加的交通壓力，原有的橋梁結構便出現了各種病害，無法滿足現在交通的需求，影響了橋梁的使用和行車安全。

1 工程概況

本文工程實例為某省道上的一座普通鋼筋混凝土剛架拱橋，橋梁全長60m，設計橋型為單孔剛架拱橋，凈跨徑為50m，凈矢高為6.25m，矢跨比1/8。上部結構由4片剛架拱片、橫系梁和微彎板組成，拱片曲線部分采用二次拋物線結構形式，微彎板采用6cm厚、F0/L0=1/10的結構形式，剛架拱拱片、橫系梁采用搭架現澆，微彎板采用預制安裝。橋面布置為凈9.00m(行車道)+2×0.50m(安全帶)，橋面鋪裝鋼筋混凝土，厚度為橋中19.00cm，雙向橫坡1.50%。現澆橋面采用30#防水混凝土，上部結構各部件均采用40#混凝土，主筋采用Ⅱ級鋼筋，其它采用Ⅰ級鋼筋。下部構造為U型橋臺、片石混凝土明挖擴大基礎。臺帽及拱座采用20#混凝土，臺身采用7.5#水泥砂漿砌塊、片石，外圍采用7.5#水泥砂漿細料石鑲石，基礎采用15#片石混凝土。

橋梁設計荷載：汽車-20、掛車-100。洪水設計或然率為100年一遇。橋跨結構總體布置如圖1所示。

為了解橋跨主體結構在荷載作用下的實際受力狀態，檢驗結構是否滿足公路Ⅰ級正常行車使用要求，我們對該橋進行了特殊檢測，評價橋跨結構的工作性能。

圖1 橋梁總體布置圖及試驗測試截面示意圖

2 缺損狀況檢查及病害成因分析

2.1 缺損狀況檢查結果

根據施工設計圖紙，對該橋現有橋面系、上部結構和下部結構等目所能及的部位進行外觀檢查。檢查的外觀病害情況如下：

(1)上部結構：剛架拱片出現混凝土掉塊3處，共計面積S=0.23m2，水平裂縫1條，縫寬1.00mm，縫長 0.50m；微彎板出現混凝土掉塊露筋2處，共計面積S=0.37m2，橫向裂縫流白灰1條，長1.20m；橫系梁出現混凝土麻面露筋2處，共計面積S=0.12m2。

(2)下部結構：橋臺砌石出現斷裂1處，長0.60m；滲水、流白灰1處，長1.00m；豎向裂縫2條，最大縫寬0.20mm，縫長1.20m；砌石勾縫脫落1處；橋臺臺身滲水、長草。

(3)橋面系：兩端伸縮縫處下游側路緣石均出現上下、左右錯位，最大1.8cm；大里程側橋頭搭板處下游側護欄，1處破損；橋頭搭板坑槽2處，共計面積S=2.45m2；路緣石3處開裂，最大縫寬1.60mm，長0.90m；橋面橫向裂縫10條，最大縫寬1.60mm，長5.00m；兩端伸縮縫均橡膠體破損、砂土堆積。

根據 《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)，該橋總體技術狀況等級評定為3類。

2.2 病害成因

(1)4#拱片大里程側拱腳2處混凝土掉塊是由于附近開挖施工時大石塊撞擊造成的；

(2)拱片、微彎板、橫系梁局部存在蜂窩、麻面、掉塊、露筋等現象，主要與施工時振搗不實或漏漿有關；

(3)1#橋臺下游側1處砌石斷裂可能是由于在長期荷載作用下產生不均勻沉降以及土方堆積造成橋臺側土壓力發生變化引起的；

(4)橋臺出現不同程度流白灰主要與在滲水作用下混凝土內部滲出的石灰類附著物有關；

(5)大里程側橋頭搭板下游側護欄存在1處破損是由于重車碰撞導致；

(6)兩端伸縮縫橡膠體破損、砂土堆積是由于長期車輛荷載作用和養護不到位導致；

(7)全橋橋面鋪裝局部出現裂縫，是由于在長期車輛荷載作用下形成。

3 材質狀況與狀態參數檢測

3.1 幾何形態參數檢測

采用全站儀分別對該橋各拱片下邊緣線形進行測量(10等分，共11個截面)。以拱腳處高程為測量零點，測得各拱片線形對比如圖2所示。

根據測量結果可知，拱片線形實測值與設計值偏差為0～18mm，在規范允許偏差±40mm范圍內。考慮到施工誤差、測量誤差及車輛荷載的影響，該橋拱片線形與設計線形基本吻合。

3.2 鋼筋保護層厚度檢測

對各拱片底部主筋的保護層厚度進行檢測，每個拱片1個測區20個測點，根據拱片鋼筋保護層厚度特征值Dne與設計值Dnd的比值，確定鋼筋保護層厚度評定標度。

檢測結果表明，所測4片拱片的鋼筋保護層厚度評定標度均為1，鋼筋保護層厚度對結構鋼筋耐久性影響不顯著。

圖2 各拱片線形對比圖

3.3 材質強度和碳化狀況檢測

采用回彈法對各拱片進行混凝土強度回彈測試，每個拱片10個測區，并按比例進行混凝土碳化深度測試，根據碳化深度測試結果進行回彈強度修正。

根據構件實測強度推定值與強度設計值的比值，計算其推定強度勻質系數Kbt，確定混凝土強度評定標度。根據構件各測區混凝土碳化深度平均值與實測保護層厚度平均值的比值Kc，確定混凝土碳化評定標度。

檢測結果表明，所測4片拱片的混凝土碳化深度平均值與實測保護層厚度平均值的比值Kc均小于0.5，碳化深度評定標度均為1；混凝土推定強度勻質系數Kbt均大于0.95，強度評定標度均為1，拱片材質強度狀況良好。

3.4 鋼筋銹蝕電位檢測

采用半電池電位法對各拱片進行鋼筋銹蝕電位水平檢測，每個拱片1個測區20個測點，根據測區銹蝕電位水平最低值，確定鋼筋銹蝕電位評定標度。

檢測結果表明，所測4片拱片的電位水平最低值均處于（-200，-300]mV范圍，鋼筋銹蝕電位評定標度均為2，說明拱片鋼筋具有銹蝕活動性，但銹蝕狀態不確定，可能坑蝕。

4 荷載試驗結果及分析

4.1 靜載試驗

4.1.1 靜載試驗工況及檢驗對象

根據該橋設計圖紙和現場實測資料，應用MIDAS計算軟件進行建模計算，模型見圖3。根據各跨拱軸線變化后的橋跨結構受力特點，確定試驗工況，具體見表1，主要測試截面見圖1。以汽車-20，掛車-100活載產生的最不利效應值等效換算，確定所需試驗荷載、加載車輛和輪位。

表1 試驗測試內容

圖3 剛架拱橋計算模型圖

4.1.2 測點布置

應變測點：在跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)、L/4截面(Ⅱ-Ⅱ最大負彎矩)和拱腳截面(Ⅲ-Ⅲ)的各拱肋拱底位置粘貼混凝土應變片，各控制截面應變測點布置見圖4。

圖4 控制截面應變測點布置圖

撓度測點：在跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)和L/4截面(Ⅱ-Ⅱ最大正彎矩)各拱片頂部中心對應橋面位置布設塔尺，各控制截面撓度測點布置見圖5。

裂縫觀測：觀測各試驗工況作用下相應截面的裂縫開展情況。

圖5 控制截面撓度測點布置圖

4.1.3 靜載試驗結果及分析

靜載試驗結果表明，跨中截面撓度校驗系數為0.79～0.85，相對殘余撓度最大值為10.7%；L/4截面(最大正彎矩)撓度校驗系數為0.83～0.93，相對殘余撓度最大值為12.1%。各測試截面撓度校驗系數均小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)(以下簡稱 《規程》)規定的限值1.00，相對殘余撓度最大值均小于《規程》規定的20%。說明該橋剛度總體上滿足設計要求，結構處于彈性工作狀態。

跨中截面應變校驗系數為0.84～0.87，相對殘余應變最大值為1.4%；L/4截面 (最大負彎矩)應變校驗系數為0.72～0.93，相對殘余應變最大值為1.7%；拱腳截面應變校驗系數為0.82～0.98，相對殘余應變最大值為10.2%。雖然各測試截面應變校驗系數均小于 《規程》規定的限值1.00，相對殘余應變最大值均小于《規程》規定的20%，但是拱腳截面的應變校驗系數最大值達到0.98，接近于限值1.00，表明結構截面強度安全富余度較低。

各工況下相應控制截面未見新裂縫產生。

4.2 動載試驗

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微小振動響應，測試橋跨結構自振頻率和阻尼比，以分析橋跨結構自振特性。

4.2.1 豎向自振特性試驗

在橋面八分點位置上放置脈動傳感器，實測的信號經FFT分析、模態分析，得到該橋豎向測點時域波形圖和頻譜圖如圖6所示，橋跨結構實測豎向1階模態參數及其與理論值的比較如圖7所示。

試驗表明，該橋實測豎向前2階自振頻率分別為4.64Hz和8.11Hz，大于理論計算值4.44Hz和 7.85Hz，實測振型與理論計算振型一致。該橋跨結構豎向1階頻率實測值與理論值的比值為1.05，豎向自振頻率評定標度為2。結構的動剛度滿足要求。

4.2.2 橫向自振特性試驗

圖6 豎向測點時域波形圖和跨中測點頻譜圖

圖7 實測與理論豎向自振頻率及振型圖比較

在橋面八分點位置上放置脈動傳感器，實測的信號經FFT分析、模態分析，得到該橋橫向測點時域波形圖和頻譜圖如圖8所示，橋跨結構實測橫向1階模態參數及其與理論值的比較如圖9所示。

圖9 實測與理論橫向自振頻率及振型圖比較

試驗表明，該橋實測橫向1階自振頻率為0.93Hz，大于理論計算值0.80Hz，實測振型與理論計算振型一致。該橋跨結構橫向1階頻率實測值與理論值的比值為1.16，橫向自振頻率評定標度為1。結構的動剛度滿足要求。

5 結論

通過對該剛架拱橋進行特殊檢測，得到結論如下：

(1)橋梁總體技術狀況等級評定為3類。

(2)拱片線形實測值與設計值偏差在規范允許偏差范圍內，實測與設計線形基本吻合。

(3)拱片鋼筋保護層厚度評定標度均為1，鋼筋保護層厚度對結構鋼筋耐久性影響不顯著。

(4)拱片混凝土強度評定標度均為1，碳化深度評定標度均為1，混凝土強度狀況良好。

(5)拱片鋼筋銹蝕電位評定標度均為2，鋼筋有銹蝕活動性，但銹蝕狀態不確定，可能坑蝕。

(6)橋梁靜載試驗表明：該橋各測試截面撓度和應變校驗系數均小于《規程》規定值1.00；各截面相對殘余撓度和應變最大值為12.10%，小于《規程》規定值20%；但是校驗系數最大值達到0.98，接近于規定限值1.00，表明結構截面強度安全富余度較低。

各工況下相應控制截面未見新裂縫產生。

(7)橋梁動載試驗表明：該橋實測豎向和橫向自振頻率均大于相應理論計算值，實測振型與理論計算振型基本吻合，表明結構的動剛度滿足要求。

綜上所述，該剛架拱橋承載能力目前尚能滿足公路Ⅰ級正常行車使用要求，但是承載能力富余度較低。

6 建議

為保證橋梁結構行車安全性和耐久性，需對橋梁病害進行修復或加固處理，具體建議如下：

(1)對橋梁構件做適當的保護措施，要求施工方在開挖過程中避免石頭撞擊事件再次發生，合理安排好土方的堆放，避免土方堆積對橋梁的正常使用造成影響；

(2)鑿除蜂窩、麻面、流白灰、松散部位，采用環氧樹脂砂漿修補；對漏筋處銹蝕鋼筋進行除銹處理后采用環氧樹脂砂漿修復；對裂縫做封閉處理；對護欄進行修復；

(3)今后營運中應注意加強對橋跨結構各受力控制截面支座等重要部件的檢查和養護管理，建立永久性控制檢測點，定期觀測橋面撓度和橋臺變位；

(4)條件允許情況下可對拱片進行加固處理；在加固之前，嚴格按原設計荷載等級要求通行，建議限載30t，嚴禁超限超載通行。