某雙曲拱橋技術狀況評定研究

焦明東 宋 玉

(上海同濟檢測技術有限公司 上海 200092)

0 引言

雙曲拱橋由拱架、拱波、拱板等主要部件組成，拱肋通過橫系梁連接形成拱架，拱架上澆筑混凝土或砌筑橫向棚磚形成拱波，拱波上澆筑混凝土形成拱板，使得各個部分共同作用形成雙曲拱橋。雙曲拱橋在傳統(tǒng)石拱橋的基礎上考慮了混凝土結構的裝配式施工，多采用分段預制和組裝完成主拱圈的施工[1，2]，具有施工簡便、取材方便和造價低廉等優(yōu)點，在20世紀60年代一經推廣便得到了廣泛的應用，截至80年代末期我國共修建了4000余座雙曲拱橋，總長約35萬余延米。由于結構構造、材料選擇和施工水平等原因，雙曲拱橋具有拱圈配筋不足、肋間橫向聯(lián)系弱、拱圈整體性差、設計荷載等級低和成橋質量離散性大等先天缺陷，隨交通量和車輛超載的不斷增加，現存雙曲拱橋幾乎都出現了不同程度的病害和損傷，尤其以開裂和破損現象較為普遍，降低了橋梁的耐久性和使用壽命，甚至發(fā)展為危橋[3，4]。對于現存雙曲拱橋，若全部拆除重建，經濟上是不可行的，最好的選擇是對其進行科學合理的檢測，合理評定其當前服役現狀，為進一步的改造升級提供技術支持[5-7]。

以我國西部某雙曲拱橋為背景，本文根據實地調查，對于其外觀、材質狀況和結構線形、尺寸等因素進行了調查分析，在上述基礎上計算了主拱圈的承載能力，結果顯示關鍵截面抗壓承載能力滿足設計和當前承載要求。本文系統(tǒng)研究了雙曲拱橋的承載能力評價過程，對于未來類似項目提供一定的工程經驗。

1 工程背景

某雙曲拱橋位于西藏自治區(qū)昌都市，跨越扎曲河，修建于1980年左右(圖1、2)。橋梁全長為91.0m，跨徑組合為(14.0+60.0)m，其中1號孔計算跨徑14.0m，2號孔計算跨徑為60.0m，2號橋臺長17.0m；1號孔和2號孔為雙曲拱結構，1號孔拱圈上部5個腹拱，2號孔拱圈上部14個腹拱；0號臺為重力式橋臺，2號臺為齒坎式橋臺。橋寬9.0m，橋面橫向布置為1.1m(欄桿+人行道)+6.8m(行車道)+1.1m(欄桿+人行道)。據調查，1號孔拱肋、2號孔拱肋和橫系梁已于2002年加固。

圖1 橋梁立面圖 圖2 跨中斷面示意圖(尺寸單位：cm)

隨著服役年限的增長和交通荷載的持續(xù)增加，橋梁產生了許多病害，其中1號孔和2號孔拱波、立墻(立柱)產生了不同程度的裂縫、滲水問題，為了確保橋梁的健康、安全服役，需要對該橋進行承載能力評定，對于制定加固維修方案提供基礎依據。

2 橋梁外觀技術狀況調查及評定

2.1 橋梁病害狀況

根據規(guī)范《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)和本項目橋梁運營環(huán)境，對于本項目雙曲拱橋進行了外觀技術狀況調查，主要存在如下病害。

2.1.1 主拱肋

作為雙曲拱橋的重要構成部分，拱肋與拱圈共同承擔上部荷載，是結構的主要受力構件。如果拱肋出現抗彎強度和剛度不足的情況，則會造成結構承載能力下降，引起自身及相關構件的破壞[8]。調查結果顯示，本項目拱橋共4個主拱肋，1號孔主拱肋、橫向聯(lián)系均有粘鋼加固，外觀總體良好，未見明顯病害；2號孔在距離兩端拱腳5.0m處主拱肋、橫向聯(lián)系有粘鋼加固，未見明顯病害。

2.1.2 主拱波、橫系梁、橫隔板

對于雙曲拱橋結構的受力，橫向聯(lián)系主要起到連接主拱肋、保證拱肋共同受力、提高拱肋橫向剛度的作用[9-11]。一旦橫向聯(lián)系強度不足產生破壞，拱波的波腹頂部會出現縱向裂縫，甚至形成橫橋向的裂縫。調查結果顯示，1號孔和2號孔拱腳處拱波波腹產生了長度不等的縱向裂縫，寬度均≤0.12mm，部分裂縫有滲水痕跡。

2.1.3 腹拱立柱、橫墻

對于雙曲拱橋結構而言，腹孔拱板與主拱肋、拱波連接，共同承擔上部立柱傳遞過來的荷載。由于上部荷載的不均勻和結構變形的不協(xié)調，腹孔拱板連接位置多數產生縱向裂縫。調查結果顯示，伸縮縫處的橫墻(頂、底)鋼筋均嚴重銹蝕，混凝土大面積剝落，沿主筋方向混凝土脹裂，嚴重區(qū)域甚至發(fā)生箍筋銹斷現象。

2.1.4 橋臺、拱座

對于雙曲拱橋而言，由于自重較大，對于拱座和橋臺的水平推力的承載能力要求較高，一旦橋臺和拱座出現水平位移，將會導致拱圈下沉、開裂，拱肋與拱波分離，側墻與拱肋分離或立柱嚴重開裂等現象。調查結果顯示，西側橋臺臺帽有鋼筋外漏銹蝕、混凝土崩落現象，上游至中部區(qū)段部分區(qū)域出現鋼筋銹蝕、混凝土崩落，豎向存在裂縫，縫寬約0.05mm。

2.1.5 橋面系

橋面系欄桿除裝飾層有脫落外，其他無明顯病害；橋面鋪裝出現較為明顯的麻面和橫向裂縫，局部混凝土破損。

2.2 技術狀況評定

結合橋梁外觀技術狀況調查，根據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H 21-2011)的規(guī)定，橋梁橋面系評定4類，上部結構評定為3類，下部結構評定為1類，全橋評定為2類，具體情況見表1。

表1 橋梁總體技術狀況評定結果

3 本橋現況無損狀況檢測

3.1 混凝土強度檢測

作為反映結構承載能力的重要技術參數，混凝土抗壓強度值采用數字式混凝土回彈儀BY2002HT進行抽檢。鑒于《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)的統(tǒng)一測強曲線適用于齡期為14～1000d的混凝土，因此檢測結果僅作為橋梁檢算時的參考，具體如表2 所示。

表2 混凝土強度抽測結果(單位：MPa)

根據表2可知，混凝土強度滿足設計要求，說明橋梁經過長時間服役，主體結構仍可以繼續(xù)工作，滿足原設計要求。

3.2 保護層厚度檢測

保護層厚度采用HC-GY61鋼筋保護層厚度檢測儀抽檢，具體結果見表3。

表3 鋼筋混凝土保護層厚度檢測值(單位：mm)

由表3可知，從鋼筋保護層檢測結果上看，目前為止主體結構的保護層滿足設計要求。

3.3 拱軸線測量

為了得到該橋實際拱軸線形，采用全站儀測量拱圈實際線形，測量數據為拱圈下邊緣的相應數值，在實際計算分析時，將測量數值換算為拱軸線位置相應值，測量結果如圖3所示。

圖3 雙曲拱橋拱軸線測量結果

根據圖7可知，雙曲拱橋拱軸線線形較好，未發(fā)現明顯突變和變形，說明主拱圈未發(fā)生較大的變形，具有一定的承載潛力。

4 橋梁承載能力評價

橋梁承載能力鑒定，即通過檢定該橋是否滿足原設計結構工作性能和承載能力要求，是否具有挖潛承載能力可能，從而為舊橋養(yǎng)護維修、改造加固決策提供技術支持。

4.1 分項檢算系數

根據橋梁缺損狀況檢查及評定、材質狀況與狀態(tài)參數檢測評定結果，并依據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中對承載能力檢算系數、承載能力惡化系數、混凝土結構截面折減系數及鋼筋的截面折減系數進行取值，2號孔分項檢算系數取值見表4。

表4 2號孔橋梁分項檢算系數

4.2 主拱圈承載能力評定

為了全面評價本橋梁的承載能力，需要對于主拱圈承載能力進行評定，本問選取外觀較差的2號孔作為檢測對象。根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，結構按承載能力極限狀態(tài)設計的基本組合，并考慮活載影響修正系數：

γ0Nd=γ0(1.2S恒+1.0S收縮+1.4S汽ξq+0.7(1.4S人群ξq+1.4S溫度)

(1)

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定，鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁承載能力檢算公式如下：

γ0Nd≤(fcd,ξcad)Z1

(2)

關于檢算橋孔2號孔的正截面承載能力檢算結果見表5。

表5 構件截面強度驗算結果匯總表

根據表5可知，主拱圈抗壓承載能力滿足承載要求。外觀調查顯示，主拱拱頂位置受壓體系部分已經遭到破壞，其原因在于超載車輛多次的通過，導致其主拱拱頂部位產生了橫向裂縫，這也是橋梁承載能力下降的原因，應及時封閉裂縫和補強處理。

5 結論

橋梁結構的檢測加固是一項較為困難的事情，尤其是對于雙曲拱橋一類的偏心受壓結構，如何進行結構現存承載能力的評價更是加固維修的基礎?；谀澄髂系貐^(qū)雙曲拱橋項目，本文首先對橋梁外觀技術狀況進行了評定，然后對于結構關鍵構件進行了無損檢測，并對橋梁拱軸線形進行了測量分析，最后根據規(guī)范，對于雙曲拱橋的主拱圈抗壓承載能力進行了評定，結果顯示雙曲拱橋能夠滿足當前狀況承載要求，且有一定的承載潛力。