基于靜載試驗(yàn)的既有石拱橋技術(shù)狀態(tài)評(píng)定

陳俊，張宇勝，蘇永華

(1.山西省吉河高速公路建設(shè)管理處，山西臨汾041000;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

基于靜載試驗(yàn)的既有石拱橋技術(shù)狀態(tài)評(píng)定

陳俊1，張宇勝2，蘇永華2

(1.山西省吉河高速公路建設(shè)管理處，山西臨汾041000;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

修建于上世紀(jì)的石拱橋大部分已經(jīng)進(jìn)入超期服役階段，其技術(shù)狀態(tài)直接影響車(chē)輛通行安全，而結(jié)構(gòu)參數(shù)的變異性以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)理論值的不確定性給橋梁評(píng)定造成一定困難。本文以一座石拱橋?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象，提出了一套適用于既有石拱橋技術(shù)狀態(tài)的評(píng)定方法。該方法融合了外觀調(diào)查、靜載試驗(yàn)兩者的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)分析施加荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)程度推斷橋梁的承載能力。

石拱橋 技術(shù)狀態(tài) 靜載試驗(yàn) 承載力 外觀調(diào)查

20世紀(jì)50—60年代，我國(guó)在公路中修建了大量的石拱橋。隨著時(shí)間的推移，自然侵蝕作用使得這些石拱橋出現(xiàn)表面風(fēng)化、材料強(qiáng)度降低等現(xiàn)象，加之養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，結(jié)構(gòu)病害不斷出現(xiàn)。另一方面，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展使橋上交通流量、載重不斷增加。因此，石拱橋不斷下降的承載能力與日益增長(zhǎng)的交通需求之間矛盾越來(lái)越大。如何快速有效地評(píng)定這些石拱橋的技術(shù)狀態(tài)，成為目前研究的熱點(diǎn)［1-3］。

外觀調(diào)查、靜載試驗(yàn)是橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)定最為常用的兩種方法［4-5］。外觀調(diào)查只能掌握橋梁病害程度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)。靜載試驗(yàn)通過(guò)在橋梁指定位置施加靜荷載，測(cè)試關(guān)鍵截面的應(yīng)變、撓度等參數(shù)，將測(cè)試結(jié)果與理論值進(jìn)行對(duì)比，可以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的承載能力。

目前在役的石拱橋自身材料性能與成橋之初相比已經(jīng)發(fā)生很大變化，很難精確確定。另一方面，采用有限元模型又難以精確模擬既有石拱橋的受力狀態(tài)［6］。

本文以某石拱橋?yàn)楸尘?，提出了一套適用于既有石拱橋技術(shù)狀態(tài)的評(píng)定方法。首先，調(diào)查橋梁設(shè)計(jì)、施工以及維修養(yǎng)護(hù)資料;其次，對(duì)橋梁進(jìn)行檢查和檢測(cè)，掌握橋梁的整體技術(shù)狀況和病害程度;然后，綜合拱橋受力特點(diǎn)及病害檢查結(jié)果，確定靜載試驗(yàn)加載圖式，布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)在荷載下的響應(yīng)，分析響應(yīng)與荷載的關(guān)聯(lián)程度;最后，綜合評(píng)價(jià)橋梁的耐久性以及承載能力。

1 橋梁概況

該橋?yàn)橐蛔?孔石拱橋，全長(zhǎng)115 m，每孔凈跨為30 m，矢高6.6 m，每孔主拱上設(shè)6個(gè)跨度2.5 m的腹拱;橋面行車(chē)道寬9.0 m，兩側(cè)各設(shè)寬1.5 m人行道;橋下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)。橋梁采用“土牛拱胎”方法施工，于1959年5月建成。橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范采用1956年版《中華人民共和國(guó)公路工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，設(shè)計(jì)活載為汽—10。橋梁經(jīng)過(guò)數(shù)次大修，但維修資料缺失。截至2012年，橋梁已超過(guò)原設(shè)計(jì)壽命3年，通行荷載已超過(guò)最初設(shè)計(jì)，且呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。因此，評(píng)定橋梁的技術(shù)狀態(tài)，確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

2 外觀調(diào)查

橋面系涉及欄桿、人行道、行車(chē)道、伸縮縫等部分，典型病害為混凝土開(kāi)裂、路緣石混凝土缺失、鋪裝層凸凹不平、伸縮縫堵塞。

拱上結(jié)構(gòu)主要涉及立墻、腹拱等部分。除表面發(fā)生了一定風(fēng)化外，立墻基本完好。腹拱表面嚴(yán)重風(fēng)化，砂漿缺失，表面滲水并且出現(xiàn)白色結(jié)晶物。

主拱圈基本完好，無(wú)明顯豎向變形，未發(fā)現(xiàn)石塊斷裂、脫落等異?，F(xiàn)象。拱圈部分灰縫松散脫落，存在大范圍風(fēng)化現(xiàn)象，多處明顯滲水，并伴有晶體析出。中孔跨中截面下游側(cè)靠近泄水孔處存在兩條明顯的縱向裂縫，一條裂縫寬0.3 mm、長(zhǎng)3.0 m，另外一條裂縫寬0.5 mm、長(zhǎng)12.0 m。拱腳完好，未發(fā)現(xiàn)明顯位移。

中孔跨中主拱圈存在的兩條縱向裂縫屬于主要構(gòu)件上的較大缺損，對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力有著嚴(yán)重影響。因此，大橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為4類(lèi)［5］。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

選定清涼山側(cè)邊孔及中孔作為試驗(yàn)孔，測(cè)試截面選取如圖1所示。

具體測(cè)試項(xiàng)目如下:

1)結(jié)構(gòu)最大撓度，包括C—C截面(邊孔L/4截面)、D—D截面(邊孔L/2截面)、E—E截面(邊孔3L/4截面)、I—I截面(中孔L/4截面)、J—J截面(中孔L/2截面)。

2)結(jié)構(gòu)控制截面局部相對(duì)變形，包括B—B截面(邊孔拱腳截面)、C—C截面、D—D截面、E—E截面、F—F截面(邊孔拱腳截面)、H—H截面(中孔拱腳截面)、I—I截面、J—J截面。

圖1 橋梁靜載試驗(yàn)截面

3)墩臺(tái)沉降與拱腳水平位移，包括A—A截面、G—G截面、K—K截面。

在所有局部相對(duì)變形測(cè)試截面的下表面沿橋梁橫向均勻布置3只振弦式應(yīng)變計(jì)。由于石料強(qiáng)度、彈性模量遠(yuǎn)大于砂漿，相同荷載作用下其變形要比砂漿小得多。應(yīng)變計(jì)跨砂漿縫布置，在砂漿縫表面部分缺失的情況下，所測(cè)應(yīng)變值反映的是結(jié)構(gòu)局部相對(duì)變形而非材料本身的應(yīng)變。

在所有L/2撓度測(cè)試截面的下表面沿著橋梁橫向均勻布置3只撓度計(jì)。在所有L/4，3L/4撓度測(cè)試截面的下表面橋梁中線處布置1只位移計(jì)。在每個(gè)墩臺(tái)測(cè)試截面布置豎向、水平位移計(jì)2只。

鑒于橋梁實(shí)際通行荷載接近城A標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際試驗(yàn)加載效應(yīng)在汽—10與城A標(biāo)準(zhǔn)之間。試驗(yàn)采用3輛單車(chē)總重300 kN工程車(chē)(前軸距3.5 m，后軸距1.3 m)加載，如圖2所示。

圖2 加載車(chē)輛布置(單位:m)

B—B，H—H截面加載控制面均距截面5 m。兩截面荷載施加分為三級(jí)，每級(jí)增加對(duì)應(yīng)編號(hào)的車(chē)輛，實(shí)際最大加載負(fù)彎矩為1 631 kN·m，為城A標(biāo)準(zhǔn)的0.89倍。

F—F截面加載控制面距截面5 m(清涼山方向)。該截面荷載施加一級(jí)到位;實(shí)際最大加載負(fù)彎矩為1 710 kN·m，為城A標(biāo)準(zhǔn)的0.93倍。

C—C，I—I截面荷載施加均分為三級(jí)，每級(jí)增加對(duì)應(yīng)編號(hào)的車(chē)輛，實(shí)際最大加載正彎矩為1 027 kN·m，為城A標(biāo)準(zhǔn)的0.80倍。

E—E截面荷載施加一級(jí)到位，實(shí)際最大加載正彎矩為962 kN·m，為城A標(biāo)準(zhǔn)的0.75倍。

D—D，J—J截面荷載施加均分為三級(jí)，每級(jí)增加對(duì)應(yīng)編號(hào)的車(chē)輛;實(shí)際最大加載彎矩為826 kN·m，為城A標(biāo)準(zhǔn)的0.71倍。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 變形分析

將相同布置條件下實(shí)際加載車(chē)輛與一輛30 t標(biāo)準(zhǔn)車(chē)(前軸60 kN、雙軸240 kN)產(chǎn)生的理論撓度之比定義為撓度加載系數(shù)。圖3給出C—C截面撓度隨著撓度加載系數(shù)的變化曲線。其中，線性預(yù)測(cè)值是指依據(jù)第一級(jí)加載結(jié)果和撓度加載系數(shù)線性外推得到第二、三級(jí)加載的預(yù)測(cè)撓度值。從圖3可以看出:隨著撓度加載系數(shù)的增大，實(shí)測(cè)結(jié)果與線性預(yù)測(cè)值之間的差值變大。C—C截面最大撓度為1.31 mm，最大殘余撓度為0.07 mm，相對(duì)殘余變形為5%。

圖3 C—C截面撓度與撓度加載系數(shù)關(guān)系

E—E截面在最大試驗(yàn)荷載作用下的最大撓度為1.66 mm，最大殘余撓度為0.07 mm，相對(duì)殘余變形為4%。

表1給出了各級(jí)加載時(shí)D—D截面的撓度變化情況。其中，測(cè)點(diǎn)1，2，3分別布置于上游側(cè)、橋梁中線處、下游側(cè)。D—D截面最大相對(duì)殘余變形為8%。

圖4、圖5分別給出了D—D截面測(cè)點(diǎn)2的撓度、平均撓度值與撓度加載系數(shù)的關(guān)系曲線。

表1 D—D截面撓度變化mm

圖4 D—D截面測(cè)點(diǎn)2的撓度與撓度加載系數(shù)關(guān)系

圖5 D—D截面平均撓度與撓度加載系數(shù)關(guān)系

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，D—D截面撓度實(shí)測(cè)值與線性預(yù)測(cè)值差異隨著撓度加載系數(shù)的增大而增大。

表2給出了各級(jí)加載時(shí)J—J截面的撓度變化情況。從中可以看出，J—J截面在加載結(jié)束之后的相對(duì)殘余變形較小，最大為9%。

表2 J—J截面撓度變化mm

圖6、圖7分別給出了J—J截面測(cè)點(diǎn)2的撓度、平均撓度值與撓度加載系數(shù)的關(guān)系曲線。

從圖6、圖7可以看出:J—J截面中線撓度的實(shí)測(cè)值與線性預(yù)測(cè)值差異隨著撓度加載系數(shù)的增大而增大，而J—J截面撓度的實(shí)測(cè)均值與線性預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。值得注意的是，在各級(jí)荷載作用下測(cè)點(diǎn)3的撓度均明顯小于測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2。這可能是測(cè)點(diǎn)2，3之間存在的縱向裂縫降低了J—J截面橫向整體性能所致。

圖8給出I—I截面撓度隨著撓度加載系數(shù)的變化曲線。從中可以看出:I—I截面中線撓度的實(shí)測(cè)值與線性預(yù)測(cè)值差異隨著撓度加載系數(shù)的增大而增大。I—I截面最大撓度為1.46 mm，最大殘余撓度為0.02 mm，相對(duì)殘余變形為1%。

圖6 J—J截面測(cè)點(diǎn)2的撓度與撓度加載系數(shù)關(guān)系

圖7 J—J截面平均撓度與撓度加載系數(shù)關(guān)系

圖8 I—I截面撓度與撓度加載系數(shù)關(guān)系

在各個(gè)工況下，A—A，G—G，K—K截面的水平、豎向變位數(shù)值極小，可以認(rèn)為拱腳穩(wěn)定。

3.2.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

表3給出了各級(jí)荷載作用下B—B截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值。其中，S1，S2，S3分別對(duì)應(yīng)上游側(cè)、橋梁中線、下游側(cè)。從表3可以看出，B—B截面的相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?0%。

表3 B—B截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值10-6

圖9給出了B—B截面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與加載車(chē)數(shù)量的關(guān)系曲線。從中不難看出，B—B截面的局部相對(duì)應(yīng)變隨著加載車(chē)數(shù)量的增加近似呈線性增大。

圖9 B—B截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與加載車(chē)數(shù)量關(guān)系

表4給出了各級(jí)荷載作用下C—C截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值。從中不難看出，C—C截面的相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?%。

表4 C—C截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值10-6

圖10給出了C—C截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與加載車(chē)數(shù)量的關(guān)系。不難看出C—C截面的局部應(yīng)變隨著加載車(chē)輛的增加近似呈線性增大。

圖10 C—C截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與加載車(chē)關(guān)系

表5給出了各級(jí)荷載作用下D—D截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值。從中不難看出，D—D截面的相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?0%。

表5 D—D截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值10-6

圖11給出了D—D截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與加載車(chē)數(shù)量的關(guān)系曲線。從中不難看出，D—D截面的局部相對(duì)變形隨著加載車(chē)數(shù)量的增加近似呈線性增大。

圖11 D—D截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與加載車(chē)關(guān)系

表6給出了E—E，F(xiàn)—F，H—H截面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值。從中可以看出，E—E，F(xiàn)—F，H—H截面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變較小，最大分別為6%，5%，10%。

表6 三截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值10-6

表7給出了各級(jí)荷載作用下I—I截面實(shí)測(cè)應(yīng)變值，可見(jiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變較小，最大為3%。圖12給出了I—I截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與加載車(chē)數(shù)量的關(guān)系，可見(jiàn)截面的局部相對(duì)變形隨著加載車(chē)輛的增加近似呈線性增大。

表7 I—I截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值10-6

圖12 I—I截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與加載車(chē)關(guān)系

表8給出了各級(jí)荷載作用下J—J截面各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值，可見(jiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變較小，最大為5%。圖13給出了J—J截面實(shí)測(cè)應(yīng)變值與加載車(chē)數(shù)量的關(guān)系。從中不難看出，J—J截面的局部相對(duì)應(yīng)變隨著加載車(chē)輛的增加近似呈線性增大。

表8 J—J截面應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)值10-6

圖13 J—J截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與加載車(chē)關(guān)系

3.3 結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)估

1)試驗(yàn)荷載作用下橋梁墩臺(tái)變位極小，狀態(tài)比較穩(wěn)定。

2)各測(cè)試截面撓度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差異隨撓度加載系數(shù)的增大而增大。

3)各測(cè)試截面局部相對(duì)應(yīng)變與加載車(chē)數(shù)量大致成線性關(guān)系，相對(duì)殘余應(yīng)變較小。

綜上，本石拱橋承載能力評(píng)定結(jié)果表明，整體受力在試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)，滿足原汽—10設(shè)計(jì)要求，但不能滿足城A標(biāo)準(zhǔn)要求。中孔跨中主拱圈縱向開(kāi)裂后導(dǎo)致整體受力性能顯著降低。

4 結(jié)論

1)本石拱橋的承載能力不能滿足目前通行要求，需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行限載，允許通過(guò)車(chē)輛的單車(chē)總重不應(yīng)超過(guò)150 kN。

2)主拱圈是石拱橋的主要承重構(gòu)件，縱向開(kāi)裂后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載力出現(xiàn)下降，需采取措施進(jìn)行加固處理。

目前我國(guó)公路老齡石拱橋數(shù)量較多，部分橋梁的技術(shù)狀態(tài)不明確，運(yùn)營(yíng)安全存在不確定性。本文通過(guò)靜載試驗(yàn)評(píng)定既有石拱橋技術(shù)狀態(tài)的方法可以為類(lèi)似橋梁的技術(shù)評(píng)定提供參考。

［1］徐圣祥.既有圬工拱橋檢測(cè)和評(píng)定方法研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［2］蔡斌.服役石拱橋加固技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.

［3］刁硯，錢(qián)永久，王振領(lǐng).填芯法加固雙曲拱橋的有限元分析及運(yùn)用［J］.鐵道建筑，2010(7):30-32.

［4］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T H21—2011公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［6］聶建國(guó)，樊健生.700年石拱橋的靜力加載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，43(6):840-843.

Assessment on technical state of existing stone arch bridge based on static loading test

CHEN Jun1，ZHANG Yusheng2，SU Yonghua2
(1.Jihe Highway Construction Management Department of Shanxi Province，Linfen Shanxi 041000，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Stone arch bridge built last century has been used longer than their designed service life，and the problem of operation safety shall be noticed.It is difficult to evaluate the bridge since the variability of structure parameter and the uncertainty of structure response.In this paper，a stone arch bridge was studied.An approach was proposed for evaluation of existing stone arch bridges.T he method has the advantage of both observation and static load testing. T he bearing capacity of the bridge may be assessed through the relationship between the load and the structural response.

Stone arch bridge;T echnical state;Static loading test;Bearing capacity;Observation

U448.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.05

1003-1995(2015)02-0016-05

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-06-05;

2014-09-20

陳俊(1967—)，男，山西襄汾人，高級(jí)工程師。