某城市舊橋檢測評估與承載能力分析

辛寧

（山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250000）

1 工程概況

某橋位于某縣城北路上，為單跨石拱橋，為Ⅲ類，Ⅰ等養護的城市橋梁。由于橋梁設計圖紙缺失，根據現場尺寸調查，上部結構采用1×16.0m（凈跨徑）的等截面實腹式斜交石拱結構，斜交角為14.0o橋面寬度為21.85m，由2.35m（人行道+欄桿）+17.10m（車行道）+2.40m（人行道+欄桿）組成，拱圈正交寬度20.60m，凈矢高為3.055m，凈矢跨比為1/5.237，主拱圈厚度為0.70m；下部結構為漿砌塊石重力式橋臺；橋面采用瀝青混凝土鋪裝。

2 檢測目的

在南方某些地區圬工拱橋存在的數量很多，這些拱橋一般在運行了幾十年甚至上百年后依然是屹立不倒，但不能忽略這些橋梁的結構性能，因為它們事關人們的出行安全。通過對某拱橋進行定期檢測、靜載試驗、承載能力檢算，以達到以下目的：

一是由于沒有圖紙資料，需要現場測量對其進行圖紙還原，了解橋梁結構基本尺寸信息，并對橋梁做一個橋梁卡錄入橋梁的大數據系統，方便以后對其相關信息的查閱。

二是通過對橋梁的外觀和強度等方面的檢查，對橋梁進行一次“全身的體檢”，并對其外觀進行技術狀況評定，確定橋梁的等級狀況，來判斷橋梁的特性、損壞程度等，以此為基礎得出橋梁的結構性能和耐久性。

三是測量橋梁在等效的設計荷載效應下的工作狀態，判斷橋梁是否滿足設計的荷載要求，是否具有安全的使用條件。

3 病害情況調查

通過定期檢查發現，橋面系主要存在以下病害。一是橋面鋪裝：0#臺下游側橋面鋪裝距0#臺拱腳2.6m 處存在1 條橫向非貫通裂縫，縫長約7.0m。二是橋頭平順：經現場檢查，兩側橋頭基本平順。三是伸縮裝置：經現場檢查，橋面未見伸縮裝置。四是排水系統：經現場檢查，全橋采用縱橫坡排水，排水基本順暢。五是人行道：經現場檢查，人行道累計存在5條橫向裂縫，縫內沉積物堵塞。六是欄桿：經現場檢查，欄桿未見明顯病害。七是附屬設施：經現場檢查，縱橋向過橋管線托架未見明顯病害，橫橋向管線托架存在銹蝕現象[1]。上部結構主要存在以下病害。一是主拱圈：經現場檢查，主拱圈累計存在5 處滲水痕跡。二是拱上建筑：經現場檢查，下游側墻累計14 處生長雜草。下部結構主要存在以下病害。一是橋臺：經現場檢查，0#臺、1#臺臺身均受雨水浸蝕。二是翼墻：經現場檢查，該橋翼墻未發現明顯病害。三是基礎：該橋基礎無明顯被河水沖刷或者被掏空情況，基礎無明顯的病害，通過觀察橋面和橋臺，橋臺和橋面沒有出現因不均勻沉降而產生的開裂，可以判斷基礎的技術狀況良好，沒有安全隱患[2]。根據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)，該橋技術狀況評定結果按分層綜合法評定為2 類，即橋梁有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。

4 拱圈塊石強度檢測

采用鉆孔取芯法對橋梁塊石強度進行檢測。由于鉆芯法屬于破損法檢測，而主拱圈是拱橋的主要受力構件，因此此次取芯位置避開主拱圈，結合現場施工條件，在材料相近的側墻上進行鉆孔取芯。檢測結果如表1所示，所檢巖石芯樣軸向抗壓強度范圍在83.1～86.2MPa 之間。

表1 巖石強度檢測結果表

5 砂漿強度檢測

采用貫入法對主拱圈砌筑砂漿進行檢測。所檢主拱圈砂漿貫入深度平均值為3.30mm，砂漿抗壓強度換算值為12.7MPa。具體檢測結果見表2。

表2 砂漿強度檢測結果表

6 靜載試驗

6.1 靜載試驗工況及測試項目

根據石拱橋結構特點，設置三個靜載試驗工況，工況設置及相應測試內容見表3。

表3 靜載試驗測試內容

6.2 靜載試驗效率及車輛布置

該橋所在道路為某縣主干道，設計圖紙缺失，橋梁設計荷載等級不詳，經與業主協商并結合《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）第10.0.3 條，試驗按城-A 級荷載等級進行等效加載，靜載試驗荷載效率ηq按式（1）計算：

6.3 測點布置

通過撓度測試數值與計算數據的比較判斷橋梁整體剛度，對橋梁做出是否達到設計要求與是否滿足使用要求的判斷。撓度采用精密水準儀進行測試。具體測點布置見圖1。

圖1 撓度測點布置圖（單位：cm）

6.4 靜載試驗過程描述

在加載前要制訂加載計劃，分配好每個人的任務，有哪些人指揮交通，哪些人負責采集數據等，確保在安全的情況下，把數據采集完畢。

試驗前準備工作，主要包括撓度測點處理、測試儀器安裝及調試，靜載試驗安排在夜間（深夜至黎明前）近乎恒溫的條件下進行。為減小塑性變形對荷載試驗結果的影響，先對橋梁進行預加載，加載時間在20 分鐘左右。預加載后，撤出加載車輛，在變形恢復并且穩定后，在進行正式加載。在進入正式荷載試驗時，要分級進行加載。加載前先對數據進行清零，然后每級加載后持續幾分鐘，等待數據穩定后才進行讀數。在加載的過程中，如果發現應變或者位移變化速度過快或者產生的裂縫超限并有繼續擴展的跡象，便可以終止加載，以確保安全[3]。

6.5 試驗結果與計算分析比較

6.5.1 計算分析

（1）空間有限元模型的建立

采用邁達斯軟件對橋梁進行模擬，采用桿系模型，通過同時期的有資料的橋梁進行參考，對材料的參數進行模擬，用接近實際情況的模型得出最接近的理論數據，具體見圖2。

圖2 橋梁有限元模型

（2）汽車荷載的施加

利用有限元程序計算的汽車加載用CAD 圖畫出來，標明車輛的位置和數量，以及加載重量，以方便現場的加載。

（3）材料特性

計算中結構材料特性根據現場檢測結果確定。

6.5.2 理論計算結果與實測結果的比較：

第一，在各工況下測量的撓度的實測值與理論值的比值范圍在0.35～0.80 范圍內，均小于1，符合規范《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)的要求。

第二，卸載后，結構的位移恢復到原位，通過計算殘余撓度與彈性位移的比值為5.56%，小于規范《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)規定的限值。得出該次荷載試驗的理論值與殘余變形值均符合要求。

6.5.3 裂縫觀測

在各工況試驗荷載作用下，通過對相應控制截面進行觀測，結果表明加載過程中控制截面石塊及砌縫均未見明顯肉眼可見的新增裂縫及錯位現象。

7 承載能力檢算

7.1 荷載標準

該橋所在道路為某縣主干道，設計圖紙缺失，橋梁設計荷載等級不詳，參考《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）第10.0.3 條，該報告優先選擇城-A級荷載進行極限承載能力檢算。

7.2 檢算項目

第一，驗算強度的截面有三個位置，如圖3所示。

圖3 驗算強度的截面位置示意圖

第二，圬工拱橋的穩定性驗算。

7.3 截面材料及尺寸

第一，經現場檢測，拱圈采用粗料石砌體，參考第4 節和第5 節材料檢測結果，拱圈材料按MU80 石材和M10 砂漿考慮，依據《公路圬工橋涵設計規范》(JTG D61—2005)第3.3.3 條，材料特性取值如下：

軸心抗壓設計強度fcd= 5.844MPa；彎曲抗拉強度設計值ftmd= 0.059MPa；彈性模量E= 7300MPa。

第二，根據現場檢測結果，截面尺寸，主拱圈厚度d=0.70m，寬度w=20.60m。

7.4 城-A 級荷載等級承載能力檢算

7.4.1 荷載效應計算

通過用邁達斯模擬橋模型，得出各個驗算截面的理論內力，用于驗算拱圈截面極限強度。

按橋梁規范進行組合，當自重內力與活載內力同號時：

當自重內力與活載內力異號時：

7.4.2 截面抗力計算與驗算

根據承載能力規范第7.1.2 條規定，在計算圬工結構承載能力極限狀態的抗力效應時，應根據檢測結果，采用引入檢算系數或截面折減系數ξc的方法進行修正。根據檢測狀況，本文引入檢算系數、截面折減系數ξc的方法進行修正[4]。

（1）承載能力檢算系數Z2

試驗結果表明該橋控制截面主要測點撓度校驗系數最大值為0.8，根據檢測評定規程《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)的規定，Z2得值。

Z2=1.0

（2）截面折減系數ξc

結合橋梁外觀檢測及無損檢測結果，本報告對截面折減系數ξc取值如下：

ξc= 0.98

（3）主拱圈截面強度驗算

考慮承載力折減后，拱圈砌體截面的承載能力驗算按式（4）進行：

截面強度驗算匯總表見表4

表4 截面強度驗算匯總表

從驗算結果可以看出，該拱橋截面強度符合規范要求，橋梁承載能力滿足城-A 級荷載等級使用要求。

8 結論

通過對跨石拱橋的定期檢測、靜載試驗、承載能力檢算，具體結論如下：

8.1 技術狀況評定

《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)規定中，該橋技術狀況評定結果按分層綜合法評定為2 類，即橋梁有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。

8.2 拱圈塊石強度檢測

采用鉆孔取芯法對橋梁塊石強度進行檢測。由于鉆芯法屬于破損法檢測，而主拱圈是拱橋的主要受力構件，因此取芯位置避開主拱圈，結合現場施工條件，在材料相近的側墻上進行鉆孔取芯。檢測結果表明：所檢巖石芯樣軸向抗壓強度在83.1～86.2MPa之間。

8.3 砂漿強度檢測

所檢主拱圈砂漿貫入深度平均值為3.3mm，砂漿抗壓強度換算值為12.7MPa。

8.4 靜載試驗

第一，在各工況下測量的撓度的實測值與理論值的比值范圍在0.35～0.80 范圍內，均小于1，符合規范《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)的要求。

第二，卸載后，結構的位移恢復到原位，通過計算殘余撓度與彈性位移的比值為5.56%，小于規范《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)規定的限值。得出次荷該載試驗的理論值與殘余變形值均符合要求。

8.5 承載能力檢算

在自重、城-A 級荷載和人群荷載效應基本組合作用下，該拱橋截面強度符合規范要求，橋梁承載能力滿足城-A 級荷載等級使用要求。