剛桁架拱橋無損檢測與承載能力評定

趙曉川，趙子雪

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

無損檢測是在不損傷被測材料的情況下，檢查材料的內(nèi)在或表面缺陷，或測定材料的某些物理量、性能、組織狀態(tài)等的檢測技術(shù)。無損檢測技術(shù)目前已在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其一般借助現(xiàn)代的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)進(jìn)行檢查和測試。現(xiàn)代電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和其它學(xué)科介入無損檢測領(lǐng)域，使無損檢測技術(shù)得到飛速發(fā)展。對于橋梁結(jié)構(gòu)，通過某鋼筋混凝土桁架拱橋的無損檢測和荷載試驗(yàn)，獲取結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)后，可對橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營使用狀況，承載能力檢測評定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 橋梁概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)布置

某城市橋梁建成于1992年，橋梁設(shè)計為三跨上承式鋼筋混凝土桁架拱橋，橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置/mm

該橋上部結(jié)構(gòu)每跨均由11榀桁架拱片、微彎板和橫梁組成，相鄰桁架拱片中心間距為2.8 m，桁架上弦桿采用凸字形截面，高0.4 m，底寬0.3 m；下弦桿采用矩形截面，高0.5 m，寬0.3 m；腹桿分為豎桿及斜桿，均為矩形斷面，其中端豎桿截面尺寸為0.3 m×0.4 m，其余豎桿及斜桿截面尺寸為0.3 m×0.25 m。每跨相鄰兩桁架間均設(shè)置13道橫梁，其中上、下弦桿在節(jié)點(diǎn)處設(shè)4道拉桿及隔板，實(shí)腹段設(shè)5道隔板，在兩端拱腳、1/4及3/4跨處各設(shè)一道剪刀撐。橋梁下部結(jié)構(gòu)橋臺為重力式橋臺，橋墩采用薄壁式空心墩，基礎(chǔ)采用21根直徑1.2 m的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長為13.5 m。

1.2 主要設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁桁架拱片混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為40#混凝土，橫系梁混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為25#混凝土，微彎板及拱座混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級均為30#混凝土，橋臺臺身、橋墩墩身及鉆孔灌注樁混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級均為20#混凝土。該橋設(shè)計橋面總寬30.0 m，橋?qū)挷贾萌缦拢?.25 m欄桿基座+2.75 m人行道+24.0 m車行道+2.75 m人行道+0.25 m欄桿基座。橋面鋪裝采用鋼筋混凝土鋪裝層。全橋墩臺位置橋面采用型鋼伸縮裝置。兩側(cè)采用高1.0 m，基座寬為0.25 m的鋼筋混凝土花板欄桿。橋梁設(shè)計荷載為汽車-20級，掛-100。

2 橋梁無損檢測結(jié)果與分析

2.1 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

混凝土保護(hù)層可以有效阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣及水分等滲入，從而保護(hù)鋼筋免遭侵蝕或延緩鋼筋的腐蝕，混凝土的保護(hù)層厚度是影響鋼筋耐久性的一個重要因素。因此，通過檢測鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度可以把握鋼筋的耐久性。

檢測抽取了6片主拱肋和一個3#橋臺拱座進(jìn)行主筋混凝土保護(hù)層厚度檢測，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行標(biāo)度評定。6片主拱肋主筋混凝土保護(hù)層厚度平均值為27.8～34.1 mm，均滿足設(shè)計所采用的拱肋底板主筋保護(hù)層厚度27.5 mm的要求，Dne/Dn為0.85～1.10，其中2片拱肋評定標(biāo)度為1，表明這些拱肋混凝土保護(hù)層厚度對鋼筋耐久性影響不顯著，3片拱肋評定標(biāo)度為2，表明這些拱肋混凝土保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有輕度影響，1片拱肋評定標(biāo)度為3，表明該拱肋混凝土保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有影響。抽檢的橋臺拱座箍筋混凝土保護(hù)層厚度平均值為30.3 mm，不滿足設(shè)計所采用的橋臺拱座箍筋保護(hù)層厚度32.0 mm的要求，Dne/Dnd為0.77，評定標(biāo)度為3，表明橋臺拱座混凝土保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有影響。

2.2 混凝土強(qiáng)度和碳化深度檢測

混凝土強(qiáng)度檢測選取了6片拱肋和3#橋臺拱座共7個構(gòu)件，共70個測區(qū)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測。抽檢的6片拱肋混凝土強(qiáng)度推定值介于41.1～52.7 MPa之間，均滿足設(shè)計所采用的拱肋混凝土強(qiáng)度等級40#（C38）的要求。抽檢的3#橋臺拱座混凝土強(qiáng)度推定值為34.4 MPa，滿足設(shè)計所采用的橋臺拱座混凝土強(qiáng)度等級30#（C28）的要求。

碳化深度對鋼筋銹蝕的影響，應(yīng)根據(jù)測區(qū)混凝土碳化深度平均值與實(shí)測保護(hù)層厚度平均值之比進(jìn)行評價。本次檢測通過在混凝土表面鉆孔，露出孔內(nèi)新鮮混凝土內(nèi)壁表面，并除凈表面粉塵，然后用1%酚酞酒精噴涂，檢測其變色與不變色的臨界面深度，確定混凝土的碳化深度，變紅表示混凝土未碳化，不變色則表示混凝土已經(jīng)碳化。碳化深度測試僅在結(jié)構(gòu)表面鉆較小的孔，并不對結(jié)構(gòu)造成實(shí)質(zhì)性損傷。本次選取強(qiáng)度測試的7個構(gòu)件，共21個測區(qū)進(jìn)行碳化深度檢測，抽檢的拱肋、橋臺拱座共7個構(gòu)件混凝土保護(hù)層表面的平均碳化深度值為3.0～12.0 mm，比值Kc為0.10～0.40，表明本次抽檢的各構(gòu)件混凝土碳化深度對鋼筋銹蝕無影響。

2.3 鋼筋銹蝕狀況檢測

當(dāng)混凝土處于一個高堿性環(huán)境，混凝土中液體pH值為13左右時，會在表面形成一層保護(hù)膜，不會銹蝕；但當(dāng)有氧氣和水分存在時，由于氯化物或碳化，這種保護(hù)膜會被破壞，發(fā)生銹蝕。銹蝕過程中，在表面形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，導(dǎo)致離解，在陽極區(qū)生成膨脹的銹蝕物。腐蝕速率受鐵離子通過混凝土從陽極遷到陰極的便利程度的影響，因此，電勢越高，電阻率越低，通常腐蝕率也就越大。

橋梁銹蝕狀況檢測采用半電池電位銹蝕度測量法，該方法是目前在現(xiàn)場無損銹蝕度檢測中較先進(jìn)的一種方法，使用的儀器是瑞士CANIN+銹蝕分析儀。瑞士CANIN+銹蝕分析儀能通過測量和混凝土表面之間的電位和電阻率，來評價腐蝕程度和保護(hù)層狀況，腐蝕程度由電勢的高低來判斷。電勢越高，腐蝕的可能性就越大；同時考慮電阻率的影響，電阻率低，表明混凝土孔中存在水分和氯化物，表現(xiàn)為電勢高；電阻率高，表現(xiàn)為電勢低。本次選取2片拱肋主筋作為檢測對象，其中一片拱肋檢測結(jié)果見圖2，抽檢的2片拱肋主筋無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，銹蝕概率小于10%。

圖2 拱肋電阻率檢測結(jié)果

3 橋梁荷載試驗(yàn)檢測

3.1 橋梁靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下橋梁工作狀態(tài)與運(yùn)營性能的有效手段。通過 對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜荷載加載，測量試驗(yàn)荷載作用下主梁控制截面的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度等指標(biāo)，評定橋梁承載力是否滿足設(shè)計要求。本次試驗(yàn)選取該橋西邊跨作為試驗(yàn)跨，設(shè)拱頂、3L/4及西端拱腳共3個測試斷面，在各測試斷面布置應(yīng)變、撓度測試儀器。

采用 Midas Civil橋梁有限元軟件建立橋梁單跨空間模型進(jìn)行計算分析，根據(jù)無損檢測結(jié)構(gòu)對模型參數(shù)進(jìn)行修正。靜載試驗(yàn)荷載采用兩輛重480 kN的四軸載重貨車作為試驗(yàn)荷載，靜載試驗(yàn)效率見表1。

表1 靜載試驗(yàn)加載效率系數(shù)

在試驗(yàn)荷載作用下拱頂斷面各測點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.42～0.66之間，拱腳斷面各測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.41～0.57之間，均小于1，滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T233—2015）規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1的要求；拱頂斷面各測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.42～0.64之間，3L/4斷面各測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.26～0.39之間，均小于1。該橋各工況下測試斷面應(yīng)變相對殘余變形在0～11.11%之間，各工況下測試斷面撓度相對殘余變形在0～4.00%之間，均小于規(guī)范規(guī)定的相對殘余變形容許值20%。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁上部結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下滿足汽車-20級荷載的安全使用要求。

3.2 動載試驗(yàn)

3.2.1 橋梁自振特性測試

通過有限元計算見圖3，橋梁理論計算豎向1階振動頻率為1.91。采用橋梁動態(tài)信號采集和振動測量系統(tǒng)測得結(jié)構(gòu)豎向振動頻率為3.65。該橋?qū)崪y豎向基頻大于理論計算豎向基頻，表明該橋?qū)嶋H剛度較理論要好。

圖3 橋梁豎向1階振型（f=3.65）

動載試驗(yàn)橋梁沖擊系數(shù)測試，以一輛480 kN重車分別以行車速度10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h四個工況沿橋面勻速駛過橋面，采用DH5908型動靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)記錄拱肋動態(tài)測點(diǎn)的動應(yīng)變時程信號。測試結(jié)構(gòu)通過對動載試驗(yàn)該測點(diǎn)應(yīng)變動態(tài)時程曲線分析，可以得到該測點(diǎn)實(shí)測最大動應(yīng)變及相應(yīng)動態(tài)增量，測試結(jié)果見表2。

表2 橋梁沖擊系數(shù)測試結(jié)果

由表2測試結(jié)果可知，試驗(yàn)車輛駛過橋面時引起拱肋應(yīng)變沖擊系數(shù)在0.059～0.135之間，小于設(shè)計采用擊系數(shù)0.200，說明該橋抗沖擊性能較好，實(shí)際剛度好于理論計算剛度。

4 結(jié)語

橋梁無損檢測結(jié)果表明，部分構(gòu)件的鋼筋保護(hù)層厚度不滿足設(shè)計要求，混凝土保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有影響；結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求，混凝土碳化深度鋼筋銹蝕無影響；抽檢的2片拱肋主筋無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，銹蝕概率小于10%。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明在正常使用極限狀態(tài)下，目前該橋上部結(jié)構(gòu)能夠滿足原設(shè)計汽車-20級荷載的正常使用要求；動載試驗(yàn)測試結(jié)果表明該橋抗沖擊性能較好，該橋?qū)崪y豎向基頻大于理論計算豎向基頻，表明該橋?qū)嶋H剛度較理論要好。該橋梁的試驗(yàn)檢測方法和結(jié)果為同類橋梁的試驗(yàn)檢測提供了參考，通過無損檢測和承載能力評定可掌握橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)營使用狀況，為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。