老舊拱橋病害檢測及承載能力檢算

田亞洪，譚曉晶，楊成標

（1.昆明市公路工程質量檢測中心有限公司，云南 昆明 650217；2.云南省建筑科學研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

隨著社會經濟的發展，一大批老舊橋梁由于年久失修、原設計荷載等級底等原因已無法滿足日益增長的交通需求，老舊橋梁服役期間的性能已引起社會廣泛關注[1-2]。橋梁的定期和經常檢查是保障其安全的基本手段，常規的橋梁病害檢查以人工目測觀察結合儀器觀測進行，調查和分析各種病害大小、影響程度和危害等，再綜合評估結構的性能。對于老舊橋梁安全檢測，文獻［3-4］介紹了舊橋檢測的主要內容和相關檢測項目并指出橋梁病害類型和病害原因，列出了幾種舊橋的加固方法與建議。劉海洋等人［5］發現鋼筋混凝土桁架拱橋的病害受超載和基礎不均勻沉降的影響較為嚴重，并提出了相應的性能評估方法。李禹劍等人［6］針對老舊橋梁難以診斷以及診斷結果不準確等問題，提出了一種基于BP神經網絡的老舊橋梁診斷方法。此外，由于橋梁老舊問題和車輛流量的加大，李玉軍［7］提出了老舊橋梁的養護和加固建議，陳忠祥［8］針對老舊圬工橋梁提出了相應的加固及養護措施。老舊橋梁由于服役年限較久，性能衰退，加之承受荷載等級增大，因而其承載力是關注重點。本文從老舊橋梁病害檢測角度入手，評估其承載力性能，以供行業參考。

1 橋梁概況

橋梁為跨徑45m的單跨雙肋拱橋，拱肋為鋼筋混凝土結構，兩肋之間通過橫系梁進行連接（圖1所示）。拱肋為高1.2m、寬0.5m的矩形截面，兩側橋臺為重力式U型橋臺，橋面寬度5.5m。橋梁原設計荷載：汽車-15級。該橋建于上世紀90年代初，在經歷2012年5.7級地震后封閉，現需對其進行病害檢測和承載能力評定，以確定其是否滿足行人通行要求。

圖1 橋梁現場

2 病害檢測

根據文獻［9］的相關規定，將全橋劃分為17個部件，按部件在橋梁中的重要程度，給每個部件賦予不同的權重值，然后根據每個部件的病害情況對單個部件進行評定，最后計算全橋的得分值，同時要考慮按照重要部件中最差缺損狀況進行結構評定。病害檢查包括上部結構、下部結構和橋面系及附屬設施。

經檢查，橋梁拱肋底板現2條縱向裂縫，長度約0.8m左右、裂縫主要呈順橋向沿拱肋邊緣延伸，局部混凝土破損、蜂窩麻面。西岸多處立柱底部開裂、砼剝落破損，局部有鋼筋外露銹蝕現象，伸縮縫處蓋梁有比較嚴重滲水鈣化伴有青苔生長，表明伸縮縫處防水功能失效。全橋多處拱肋底板、腹板、立柱、蓋梁、系梁表明有水漬、局部伴有滲水鈣化現象發生。東、西岸橋臺側墻灌木雜草生長、側墻砌石表層脫落、側墻滲水。橋面板外側雜草滋生、橋面現多處網裂、伸縮縫遭破壞、多處護欄扶手、立柱砼破損露筋、部分護欄扶手斷裂、部分護欄立柱與扶手連接構造失效。橋梁典型病害如圖2所示。

圖2 典型病害

3 承載力檢算

依據設計規范，分別計算主要承重構件在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的承載力。根據《公路鋼筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規范》，當滿足以下條件時，即認為結構承載能力滿足檢算荷載要求：

（1）承載能力極限狀態下，正截面抗彎強度大于該截面的最不利內力組合值；

（2）承載能力極限狀態下，斜截面抗剪強度大于該截面的最不利內力組合值；

（3）承載能力極限狀態下，偏心抗壓強度大于該截面的最不利內力組合值。

利用Midas civil有限元軟件，將橋梁各構件離散成單元、節點，并輸入邊界條件、材料、荷載等參數，進行建模分析，驗算主要構件的結構承載能力。根據材料強度實測結果，計算模型的材料：拱肋為C30砼；蓋梁、立柱、系梁為C25砼；受力主筋和構造鋼筋分別為Ⅱ級鋼筋和Ⅰ級鋼筋。

圖3 結構計算模型

（1）承載力檢算系數Z1。根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》，橋梁結構承載力檢算系數Z1需依據材質強度、表觀缺損和結構自振頻率等指標結果來綜合確定。橋梁結構或構件的承載力檢算系數評定標度D可按式（1）計算。

式中：αj——某項檢測指標的權重值，Σαj=1，按表1取值；

表1 承載力檢算系數檢測指標權重

Dj——結構或構件某項檢測指標的評定標度。

根據Dj值，可查表得到Z1=1.08。

（2）截面折減系數ζc。綜合考慮材料碳化、風化、物理及化學損傷等檢測指標，結構或構件截面的綜合評定標度R計算公式為

式中：Rj——某項檢測指標的評定標度；

αj——某項檢測指標權重值，Σαj=1，按表2的規定取值。

表2 材料碳化、風化、物理化學損傷權重

根據R值，可查表得到ζc=0.99。

結構承載力計算評定可根據式（3）

式中：γ0——結構重要性系數；

S——荷載效應函數；

R（fd，ζc，ad）——抗力效應函數；

fd——材料強度設計值；

ad——結構幾何尺寸；

（3）正截面抗彎強度驗算。依據承載力評定標準，在考慮結構檢算、惡化、折減、修正系數的情況下，驗算拱肋構件正截面抗彎強度值，結果如圖4和表3所示。

圖4 正截面抗彎驗算結果

表3 正截面抗彎承載力驗算

由圖4和表3可以看出，在最不利荷載組合時，拱肋各截面的彎矩效應值γMu小于其正截面抗彎承載力Mn，表明該橋承載能力極限狀態下拱肋各截面抗彎強度滿足設計荷載要求。

（4）斜截面抗剪強度驗算。計入結果檢算、惡化、折減、修正系數，驗算拱肋構件斜截面抗剪強度結果如圖5和表4所示。

圖5 斜截面抗剪驗算結果

表4 斜截面抗剪承載力驗算

由圖5和表3可知，拱肋構件各截面斜截面抗剪強度Vn大于最不利荷載組合效應值γVd，表明承載能力極限狀態下該橋梁斜截面抗剪強度滿足設計荷載要求。

（5）偏心抗壓強度驗算。在計入結果檢算、惡化、折減、修正系數的情況下，驗算拱肋各截面偏心抗壓強度結果如圖6和表5所示。

圖6 偏心抗壓驗算結果

表5 偏心抗壓強度驗算

由圖6和表5可知，拱肋構件各截面偏心抗壓強度Nn大于最不利荷載組合效應值γNd，表明承載能力極限狀態下該橋梁拱肋各截面偏心抗壓強度滿足設計荷載要求。

4 結語

（1）橋梁主要病害位置在拱上結構西岸1-3#立柱底部、橋面護欄及伸縮縫部位，立柱病害主要表現為立柱底部混凝土不同程度開裂、混凝土破損、鋼筋銹蝕外露；護欄病害主要表現為構件開裂、連接構造失效、部分混凝土破損露筋；伸縮縫病害主要表現為防水功能失效。（2）經過驗算，在結構承載力極限狀態下，橋梁拱肋結構控制截面正截面抗彎強度大于該截面的最不利內力組合值，拱肋結構斜截面抗剪強度大于該截面的最不利內力組合值，拱肋結構偏心抗壓強度大于該截面的最不利內力組合值[9-10]。