鋼筋混凝土拱橋的檢測與評估研究

司秀勇，王高續(xù)，施 洲

(1.燕山大學，河北 秦皇島 066004;2.中華人民共和國武裝警察部隊 交通第七支隊，河北 秦皇島 066004;3.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

1 混凝土橋梁檢測評估研究進展

既有橋梁的檢測評估問題早在20個世紀50年代就已提出，在1976年由西方24個國家組成的經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)完成相關(guān)橋梁檢測、承載能力評估及橋梁養(yǎng)護的研究報告。自1988年，日本召開了混凝土結(jié)構(gòu)的重新評估的國際會議;英國則于1990，1993，1996年三次召開國家橋梁檢測評估為內(nèi)容的管理會議。近年來，歐美等國家對于橋梁工程領(lǐng)域的研究重點早已轉(zhuǎn)移至既有橋梁的評估、養(yǎng)護維修、加固等方面的研究。

在工程實踐應(yīng)用方面，丹麥、芬蘭、法國、德國等國家都具備大量而詳盡的橋梁檢測標準，包括檢測規(guī)范、維護修復手冊和指南。法國的檢測周期為每9年至少一次，其它大多數(shù)歐洲國家的檢測周期為5年—6年，短于歐洲國家一般規(guī)定的最大周期，從長期來看，這種高頻率的橋梁檢測保證了人力和資金的合理分配［1］。國內(nèi)在公路、鐵路均有詳細的養(yǎng)護與檢測評定規(guī)范，規(guī)定了橋梁的養(yǎng)護檢測方法與相應(yīng)的養(yǎng)護周期等。

橋梁由于受結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工質(zhì)量、承受荷載、周圍環(huán)境中溫度、濕度、風、環(huán)境侵蝕等各種因素的影響，橋梁的病害與損傷是非常復雜的。對于混凝土橋梁，混凝土材料本身受眾多因素的影響使得混凝土易于開裂、碳化、剝落等。因此，混凝土橋梁的檢測評估問題更為復雜。既有混凝土橋梁數(shù)目巨大，所處環(huán)境復雜使得評估工作量巨大且難以準確評定橋梁技術(shù)狀況，目前，在全世界范圍內(nèi)已成為工程領(lǐng)域的難題。

2 橋梁評估內(nèi)容

2.1 橋梁評估的定義

橋梁評估是評定承載能力、確定材料現(xiàn)有強度或?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件條件狀況的分類［2］。英國于1993年頒布實行的橋梁評估文件中對評估的定義是“調(diào)查并根據(jù)規(guī)定的車輛荷載等級確定結(jié)構(gòu)的承載能力”［3］。由于橋梁評估涉及的范圍和考慮因素較多，大部分評估的重點是橋梁承載能力。一種較為全面的定義是利用特定信息，分析既有橋梁可靠性并作出工程決策的過程。

2.2 橋梁評估內(nèi)容

橋梁評估內(nèi)容包括安全性、適用性、耐久性三個方面的要求。結(jié)構(gòu)可靠度定義是在設(shè)計基準期限和規(guī)定條件(正常設(shè)計、施工和使用)內(nèi)完成預(yù)定功能的概率，預(yù)定功能是指能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用的能力(即安全性);在正常使用時具有良好的工作性能(即適用性);在正常維護下具有足夠的耐久性能(耐久性)。

影響結(jié)構(gòu)可靠度的因素主要有荷載、材料強度、施工誤差和環(huán)境侵蝕損傷等，這些因素一般都是隨機的，因此，為了保證結(jié)構(gòu)具有應(yīng)有的可靠度，僅僅在設(shè)計上加以控制是遠遠不夠的，必須同時加強維護管理，對材料和橋梁構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量進行控制和驗收，對在役結(jié)構(gòu)進行周期性檢測評估，以保持正常的結(jié)構(gòu)使用條件。

橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強度、穩(wěn)定性能等因素有關(guān)。承載力評估的目的是確定結(jié)構(gòu)的實際安全儲備，以免使用階段中出現(xiàn)災(zāi)難性后果。適用性評估包括對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件正常使用中出現(xiàn)的變形、裂縫和振動評估等。它對確定工作條件和指導日常維護十分重要。耐久性評估主要針對結(jié)構(gòu)損傷、損傷成因、損傷對物理材料特性的影響，其結(jié)果有助于預(yù)測結(jié)構(gòu)使用壽命。

橋梁評估基本分為資料收集、分析評價和方案決策三大部分。橋梁評估的前期工作是收集資料，主要包括計算書和圖紙、既有橋梁加固維修資料，甚至通過荷載試驗等手段獲得結(jié)構(gòu)相應(yīng)資料等。依據(jù)所得資料分析橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力或損傷狀況等，從而通過結(jié)構(gòu)分析確定橋梁承載力。根據(jù)承載力是否滿足要求，確定是否需要進一步確定材料特性并再次評估承載力。最后限制荷載等級、選擇加固方案或者拆除重建。

3 既有橋梁評估的方法

3.1 基于外觀調(diào)查的方法

基于外觀調(diào)查的方法是根據(jù)我國《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范(JTG H11—2004)》，由有經(jīng)驗的技術(shù)人員根據(jù)舊橋外觀評定橋梁實際技術(shù)狀態(tài)的方法。外觀調(diào)查主要通過橋梁檢查人員的目測及有關(guān)量測儀器對橋梁進行觀測，同時需要測量主要承重結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，對于鋼筋混凝土橋梁，還需要檢查鋼筋布置情況以及混凝土材料的有關(guān)性能，依據(jù)橋梁的缺陷和損傷分析其成因。

3.2 專家意見調(diào)查

專家意見調(diào)查通過直接收集、分析、歸納專家意見，對某一橋梁的承載能力等技術(shù)狀況作出量化評估的方法。在缺乏相關(guān)資料的情況下，可以憑借專家經(jīng)驗對新評估事件給出有價值的估計，該方法可以用于輔助性的橋梁評估。由于在調(diào)查中存在著主觀性偏差，這種偏差可分為動機偏差和認識偏差，前者是專家對被調(diào)查的事物有沖突，在提供意見時因主觀意識產(chǎn)生的偏差，后者則是在形成意見中無意產(chǎn)生的偏差，來源于知識局限性以及個人習慣?？梢杂媚涿{(diào)查方式減少動機偏差，加強情況介紹與討論以減少認識偏差，在綜合分析中取出離散性數(shù)值。但目前該方法應(yīng)用較少。

3.3 荷載試驗法

根據(jù)荷載作用性質(zhì)的不同，荷載試驗可分為靜載試驗和動載試驗。

靜載試驗:靜載試驗的內(nèi)容一般包括強度(應(yīng)力)測試和剛度(撓度)測試，其目的是推算對應(yīng)的荷載等級和承載能力。如果試驗荷載過小，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不明顯，由此推出的結(jié)構(gòu)承載能力誤差可能較大。相反，如果試驗荷載過大，可能出現(xiàn)較為嚴重的結(jié)構(gòu)損傷甚至結(jié)構(gòu)性破壞，帶來不利后果。因此，試驗荷載的大小應(yīng)該在某一個固定的范圍之內(nèi)，即試驗荷載效應(yīng)為設(shè)計荷載效應(yīng)的0.85～1.05倍。

動載試驗:動載試驗內(nèi)容包括脈動試驗、行車試驗和跳車試驗，從試驗得到的行車和跳車沖擊系數(shù)可以判斷出加固措施是否有效。脈動試驗通過對結(jié)構(gòu)自振特性的測定，得出結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比。進而計算出整體結(jié)構(gòu)的橫向和縱向剛度。行車試驗是指在橋面無任何障礙的情況下，用1輛重載汽車沿試驗跨橋面中軸線，以逐級遞增的均勻速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)。跳車試驗方法與行車試驗相似。不同的是，需在橋跨結(jié)構(gòu)測試截面處橋面設(shè)置三角形木板等障礙物，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，以測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)，同時限定車速在合適范圍內(nèi)(通常小于行車速度)。

荷載試驗法由于其理論基礎(chǔ)為結(jié)構(gòu)靜力學與動力學，思路清晰。對強度、剛度、動力特性等承載能力的評定具備準確性強，易操作等優(yōu)點，因此在既有橋梁評估中應(yīng)用十分廣泛。但是需要指出，荷載試驗仍然具有如下限制性:動載試驗確定的沖擊系數(shù)與橋梁的承載能力目前仍缺乏更加直接的聯(lián)系;荷載試驗費用較大;可能帶來結(jié)構(gòu)性損傷或者影響正常交通運營。

3.4 基于設(shè)計規(guī)范的方法

橋梁評估階段能夠獲取更加準確的實際荷載和材料強度收集更多的信息。并且橋梁設(shè)計通常采用彈性分析確定荷載效應(yīng)，在承載能力極限狀態(tài)下使用疊加原理偏于保守。而在評估過程中，采用非線性分析和極限分析能夠保證更精確和合理的分析。這些信息差別和分析方法的差異影響到荷載等級、抗力及結(jié)構(gòu)分析等差異的量化方面。

4 鋼筋混凝土拱橋的檢測評定實例

4.1 工程概況

某鋼筋混凝土拱橋為一高速公路橋梁，是一座跨度為3×60 m的空腹式肋拱橋，橋梁寬度為24.5 m，縱向坡度為3.88%，分上下行車道，當時設(shè)計荷載等級為汽超—20，驗算荷載為掛—120。該橋竣工運營數(shù)年后，通過檢測發(fā)現(xiàn)橋梁伸縮縫與橫置橋面板處的橋梁鋪裝層產(chǎn)生裂縫等病害，并產(chǎn)生較大的沖擊，檢測決定進行橋面系的加固改造，一年后針對該橋又對主拱肋進行了加固改造，在兩次加固改造前后分別對該橋進行了檢測及荷載試驗。以該橋為例，介紹國內(nèi)橋梁檢測、評估及加固等決策特點。

4.2 加固前檢測與試驗

在按照橋梁養(yǎng)護規(guī)范對橋梁各構(gòu)件進行檢測，發(fā)現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)存在如下所述的一些病害。

1)橋面系:大部分橋面板存在明顯的開裂現(xiàn)象，橋面板的支承不平整，部分橋面板與立柱縱向連續(xù)梁之間未鋪砂漿或其它墊層，板梁間最大間隙達4 cm;大部分橋面板之間的鉸縫不密實，并有部分鉸縫僅用木條填塞或未制作，形成單板受力的不利狀態(tài);中跨靠第一跨拱頂縱墻起始位置處橋面板損壞嚴重，其下翼緣混凝土有部分脫落，有2根主鋼筋已露出。橋面鋪裝層多處出現(xiàn)裂縫，部分位置處的鋪裝層已經(jīng)破壞。在伸縮縫及變形縫附近的橋面均有不同程度的開裂，伸縮縫及變形縫已有較嚴重的損壞。

2)拱上連續(xù)梁:第一跨端部上、下游連續(xù)梁的支座處于固結(jié)狀態(tài)，其它位置處的橡膠支座工作狀態(tài)不良，為點式接觸或局部接觸;大部分立柱位置處連續(xù)梁上緣有裂縫，其裂縫形式如圖1所示。

圖1 拱上連續(xù)梁裂縫的分布

3)墩臺:第一跨起1#橋臺頂面中央位置附近出現(xiàn)0.8 mm寬的通長裂縫，裂縫深度23.4 cm左右;2#橋墩頂面中央位置附近出現(xiàn)1.8 mm寬的通長裂縫，并向兩側(cè)延伸達90 cm，頂面裂縫深度3 cm左右。

4)構(gòu)件強度:用超聲回彈綜合法對橋梁各構(gòu)件(包括拱肋、立柱、連續(xù)梁及橋面板)的混凝土強度進行檢測，結(jié)果表明連續(xù)梁、橋面板、立柱混凝土強度均大于設(shè)計的 C30級，拱肋部分區(qū)域混凝土強度小于C40級。

5)除常規(guī)檢測外，還對該橋第二跨及第三跨進行了靜力加載試驗以及動力性能試驗。試驗結(jié)果表明:橋跨主拱結(jié)構(gòu)卸載后基本無殘余變形，說明結(jié)構(gòu)尚處于彈性受力狀態(tài)。拱圈實測應(yīng)力值均小于計算值，應(yīng)力結(jié)構(gòu)效驗系數(shù)介于0.59～0.97之間，基本在合理范圍內(nèi)。拱圈實測撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.84～1.23之間，部分超出正常范圍，表明與設(shè)計受力狀態(tài)相比，主拱圈剛度發(fā)生了變化。對橋跨結(jié)構(gòu)自振特性測試表明:主拱結(jié)構(gòu)豎向基頻為2.402 Hz，橫向基頻為1.338 Hz，表明主拱結(jié)構(gòu)具有足夠的豎向剛度，與同類型橋梁相比而言橫向剛度偏小。實測主拱行車沖擊系數(shù)峰值為1.68，跳車沖擊系數(shù)峰值為2.95，沖擊作用較為明顯。

4.3 檢測后的加固措施

針對檢測發(fā)現(xiàn)的問題，為修改與提高橋梁結(jié)構(gòu)的適用性，對該橋進行加固改造，對拱上結(jié)構(gòu)及拱肋進行加固。

拱上結(jié)構(gòu)加固改造措施如下:為保證鉸縫的傳力強度及橋面鋪裝參與受力，取消原瀝青混凝土面層，橋面鋪裝施作10 cm厚鋼纖維混凝土，并設(shè)加強的橋面鋪裝鋼筋網(wǎng);針對橋面板的剛度不足，尤其是伸縮縫處的 1#、2#、3#板受力大，撓度大，為此廢除原 1#、2#、3#板，重新預(yù)制、安裝用工字鋼加強的邊板，并改善伸縮縫的結(jié)構(gòu)，采用 CD-60型型鋼伸縮縫;對于強度不足的縱梁，采用粘貼鋼板的方式加強縱梁的承載能力;將橋面板的支點全部改為板式橡膠支座，每塊板支墊四塊支座。

拱肋加固措施如下:拱腳截面加固在拱腳處外弧長度為8.5 m的范圍內(nèi)原拱肋截面基礎(chǔ)上外包一定厚度的新混凝土，施工時采用舊混凝土表面鑿毛、清洗、涂界面劑并植入鋼筋的方法來加強新老混凝土的結(jié)合受力。拱頂截面加固在拱頂處內(nèi)弧長度為24 m的范圍內(nèi)進行粘貼鋼板的方法加固，加固過程中，選擇合適厚度的鋼板，并進行鋼板與混凝土的表面處理后粘貼鋼板，最后對鋼板外側(cè)進行防腐涂裝。拱肋的加固如圖2、圖3示意。

圖2 拱腳拱肋截面加固布置示意(單位:cm)

圖3 拱頂拱肋截面加固布置示意(單位:cm)

4.4 加固處治后的檢測與試驗評估

1)加固后靜載試驗

在加固后檢測中，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常情況。在加固后靜動力試驗中，將試驗結(jié)果與加固前進行對比分析。

主拱結(jié)構(gòu)強度靜態(tài)試驗中，拱頂截面(A-A)及右拱腳(C-C)截面實測應(yīng)力結(jié)果與對比分析如表1所示。其中應(yīng)力值以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負。表1中實測數(shù)據(jù)是兩片拱肋的實測平均值?？梢姡吧辖Y(jié)構(gòu)加固改造后，拱頂截面加載下緣應(yīng)力校驗系數(shù)有所減小而上緣基本無變化，說明橋面系改造后橋面參與拱頂截面受力程度有所增大;右拱腳截面上下緣應(yīng)力及校驗系數(shù)均顯著降低，說明拱上結(jié)構(gòu)的加強使得荷載傳布范圍更大，因此拱腳實際受力有一定程度下降。

表1 左副橋第二跨拱圈加固前后各試驗工況應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)比較

主拱結(jié)構(gòu)剛度的靜載試驗中，加固前后第二跨拱頂及右拱腳加載工況下實測撓度值對比情況見表2。撓度值以向下為正，向上為負。表中實測數(shù)據(jù)同樣是以兩片拱肋的實測平均值。橋跨結(jié)構(gòu)加固前拱頂及右拱腳加載工況撓度校驗系數(shù)分別為0.89和1.17，表明主拱肋結(jié)構(gòu)剛度已明顯不足。加固后A-A及C-C加載工況撓度校驗系數(shù)均有不同程度的減小，分別為0.72和0.88，已處于合理范圍?？梢娂庸毯蠼Y(jié)構(gòu)剛度得到較為有效的改善。

表2 左副橋第二跨拱圈加固前后各試驗工況撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)比較

全橋經(jīng)過荷載效率系數(shù)為0.85～1.05的靜載試驗后，得到以下結(jié)論:由于拱頂處拱肋截面及拱上建筑具有一定的聯(lián)合受力作用，而在理論計算中難以準確考慮此因素，因而導致計算值與實測值有一定差異，其余試驗測試截面的應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均在合理范圍內(nèi)。通過對比拱肋加固前后的應(yīng)力測試結(jié)果，可以看出，拱肋加固方法效果明顯，結(jié)構(gòu)強度得到一定改善。各試驗加載工況撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均在合理范圍內(nèi)。通過對比加固前后拱肋撓度測試結(jié)果，可以看出，拱肋加固后，結(jié)構(gòu)剛度得到較為有效的改善。

2)加固后動力試驗

自振特性的測試采用環(huán)境激勵法，各階自振頻率對應(yīng)的阻尼比利用功率譜進行估算。

實測第二跨拱圈結(jié)構(gòu)豎向、橫向一階頻譜圖見圖4、圖5。主拱圈各階自振頻率及對應(yīng)的阻尼比見表3，豎向橫向一階振型圖見圖6、圖7。實測橫向一階頻率由加固前的1.387 Hz提高至1.440 Hz，實測豎向一階頻率由加固前的2.471 Hz提高至2.568 Hz。

圖4 第二跨拱圈豎向一階實測頻譜圖

圖5 第二跨拱圈橫向一階實測頻譜圖

表3 自振頻率及對應(yīng)阻尼比

行車激振試驗的動載加載形式分為無障礙行車試驗及跳車試驗，用一輛載重汽車作為加載荷載，無障礙行車車速10～60 km/h，跳車試驗行車車速5～30 km/h。

橋跨加固后拱頂截面的沖擊系數(shù)有明顯改善。行車沖擊系數(shù)在加固前后基本在1.00～1.13之間。加固前跳車沖擊系數(shù)介于1.57～2.91之間，加固后跳車沖擊系數(shù)介于1.16～1.70之間。通過對比加固前后的對應(yīng)沖擊系數(shù)峰值可以看出，拱圈截面加固后實測行車沖擊系數(shù)及跳車沖擊系數(shù)均整體上明顯減小，表明加固效果較好，拱圈整體受力性能得到加強。

圖6 橋跨拱圈實測豎向一階振型圖

圖7 橋跨拱圈實測橫向一階振型圖

5 結(jié)論

介紹橋梁評估的方法，以某鋼筋混凝土拱橋為例，詳細介紹橋梁檢測試驗、加固和加固后試驗的全過程。檢測與荷載試驗發(fā)現(xiàn)，該橋橋面板開裂與鉸接縫破損等病害、拱上連續(xù)梁開裂，以及行車沖擊顯著，均為拱橋整體剛度不足所致。在檢測試驗的基礎(chǔ)上，進行了橋面板、拱上連續(xù)梁及拱肋的加固處理，加固后又進行了荷載試驗，結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)剛度顯著提高，結(jié)構(gòu)整體性加強，行車沖擊作用明顯降低。

［1］李亞東.既有橋梁評估初探［J］.橋梁建設(shè)，1997(3):18-21.

［2］楊文淵，徐犇.橋梁維護與加固［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［3］白光亮，蒲黔輝，薛愛.某雙曲拱橋靜動載試驗與加固方法［J］.鐵道建筑，2008(9):39-42.