江界河大橋病害檢測(cè)及成因分析

蘇 龍，劉 祥

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550003)

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江界河大橋病害檢測(cè)及成因分析

蘇 龍，劉 祥

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550003)

對(duì)運(yùn)營(yíng)20余年的江界河大橋外觀病害進(jìn)行全面檢測(cè)，獲得該橋的技術(shù)狀況等級(jí)。使用橋梁博士軟件對(duì)該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，確定其靜動(dòng)載試驗(yàn)的各種最不利工況及加載載位，并根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)靜動(dòng)載試驗(yàn)，得出其各加載工況下的相應(yīng)撓度、應(yīng)變等參數(shù)?；诓『z測(cè)結(jié)果對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)定，并對(duì)該橋的病害成因進(jìn)行分析。

江界河大橋；病害檢測(cè)；病害成因

1 工程概況

江界河大橋是貴州省甕安縣境內(nèi)馬(場(chǎng)坪)甕(安)遵(義)公路上橫跨烏江的一座特大預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋。橋梁全長(zhǎng)461 m，孔跨布置為20 m+25 m+30 m+330 m+30 m+20 m。該橋至今已運(yùn)營(yíng)20余年，橋面系和上部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的病害。為全面評(píng)估橋梁使用功能并確保其運(yùn)營(yíng)安全，采用裂縫測(cè)寬儀及靜動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)等儀器對(duì)該橋進(jìn)行了外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)[1]。橋梁全貌如圖1所示。

2 成橋幾何狀態(tài)測(cè)量

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

為得到凈跨徑和凈矢高等參數(shù)，對(duì)江界河大橋幾何形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，包括如下內(nèi)容：采用水準(zhǔn)儀測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)縱向橋面相對(duì)線形；采用全站儀測(cè)測(cè)量橋面高程時(shí)，采用電子水準(zhǔn)儀及2 m銦瓦條形碼水準(zhǔn)標(biāo)尺按2等水準(zhǔn)施測(cè)綱要進(jìn)行測(cè)量。橋面左右側(cè)的2條測(cè)線實(shí)測(cè)高程分布如圖3所示。經(jīng)測(cè)量，江界河大橋橋面線形較為平順，左右側(cè)測(cè)線基本對(duì)稱(chēng)，其偏差在-22～+11 cm范圍內(nèi)。

圖1 江界河大橋全貌

量主拱圈線形。橋面和主拱圈線形測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2.2 橋面高程測(cè)試

圖2 橋面和主拱圈測(cè)點(diǎn)布置示意

圖3 橋面高程曲線

2.3 主拱幾何參數(shù)測(cè)試

由于江界河大橋橋址附近無(wú)平面控制點(diǎn)，主拱幾何參數(shù)測(cè)量采用假定坐標(biāo)系(X-Y-Z坐標(biāo)系)。具體為：在江界河大橋甕安下游方向選取固定點(diǎn)Q1，假定其坐標(biāo)為X=0，Y=0，Z=0；在甕安岸橋面一側(cè)下游方向選取固定點(diǎn)Q2，假定Q1至Q2為東方向，用極坐標(biāo)法分別測(cè)出甕安一側(cè)下游的Q2、遵義一側(cè)下游的Q3坐標(biāo)作為本次測(cè)量的起始點(diǎn)。本次測(cè)量設(shè)站于Q1，采用極坐標(biāo)法測(cè)出主拱圈坐標(biāo)，共設(shè)置34個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量曲線如圖4所示。

圖4 主橋拱軸線測(cè)量曲線

根據(jù)竣工資料，該橋成橋預(yù)拱度值為60 cm。經(jīng)檢測(cè)，該橋拱頂預(yù)拱度值僅剩7.8 cm。

3 外觀檢測(cè)[2-3]

江界河大橋目前結(jié)構(gòu)外觀現(xiàn)狀較差，存在諸多嚴(yán)重病害，尤其是存在較多超規(guī)范限值裂縫，結(jié)構(gòu)局部損傷嚴(yán)重，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性和使用安全造成嚴(yán)重影響，需引起足夠重視。該橋主要病害表現(xiàn)在以下幾方面：

1) 拱圈內(nèi)部各室立柱與斜桿交界處下弦頂板出現(xiàn)多條縱向、斜向裂縫，最大縫寬0.8 mm，最大縫長(zhǎng)4.5 m；腹板出現(xiàn)豎向、斜向裂縫，最大縫寬0.3 mm，最大縫長(zhǎng)1 m；拱頂實(shí)腹段底面出現(xiàn)橫向、縱向裂縫，最大縫寬0.21 mm，最大縫長(zhǎng)8 m。

2) 上弦頂?shù)装宕嬖跈M向裂縫、滲水、泛堿現(xiàn)象，最大縫寬0.15 mm，最大縫長(zhǎng)3.6 m；腹板出現(xiàn)縱向、斜向裂縫，最大縫寬0.25 mm，最大縫長(zhǎng)3 m。

3) 立柱出現(xiàn)斜向、豎向、橫向、環(huán)狀裂縫并露筋，最大縫寬0.35 mm，最大縫長(zhǎng)12 m；斜桿出現(xiàn)橫向、豎向裂縫，最大縫寬0.5 mm，最大縫長(zhǎng)2.5 m；立柱及斜桿的橫系梁出現(xiàn)豎向貫通裂縫，最大縫寬0.2 mm。

4) 引橋上弦存在橫向、縱向、斜向裂縫，最大縫寬0.2 mm，最大縫長(zhǎng)3.25 m；斜桿出現(xiàn)斜向裂縫和網(wǎng)狀裂縫，縫寬0.25 mm，最大縫長(zhǎng)4 m；14#橋臺(tái)出現(xiàn)豎向貫通裂縫，最大縫寬0.5 mm。

5) 橋面多處出現(xiàn)橫向開(kāi)裂、坑槽；伸縮縫堵塞、膠條斷裂、混凝土破損、失效；人行道挑梁鋼筋銹脹，人行道板破損、移位。

根據(jù)JTG H11—2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》，江界河大橋技術(shù)狀況評(píng)分為56.8，技術(shù)狀況評(píng)定為3類(lèi)，屬于較差的狀態(tài)。

4 靜載試驗(yàn)

橋梁靜力荷載試驗(yàn)[4]的目的是測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形和內(nèi)力，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)活載作用下的正常使用要求。為驗(yàn)證各關(guān)鍵截面是否滿(mǎn)足承載能力要求，對(duì)江界河大橋進(jìn)行了靜力荷載試驗(yàn)。

4.1 計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)-超20級(jí)。

結(jié)構(gòu)材料：上部構(gòu)造為C60混凝土，下部構(gòu)造(橋臺(tái)基礎(chǔ)、邊孔腹桿基礎(chǔ)、拱座、墩上立柱)為C40混凝土。

汽車(chē)荷載系數(shù)：雙向2車(chē)道橫向折減系數(shù)為1.00。

4.2 計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)，采用橋梁博士軟件對(duì)江界河大橋進(jìn)行有限元分析。江界河大橋全橋模型劃分為803個(gè)節(jié)點(diǎn)、446個(gè)單元，其計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 江界河大橋計(jì)算模型

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

江界河大橋共設(shè)置了15個(gè)變形測(cè)點(diǎn)，采用高精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。全橋設(shè)置13個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面，具體截面位置如圖6所示。測(cè)試時(shí)，采用在混凝土表面粘貼阻值為120 Ω、靈敏系數(shù)為2.06、標(biāo)距為10 cm的電阻應(yīng)變片并匹配DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

4.4 加載工況

本次荷載試驗(yàn)對(duì)部分影響線相近的工況進(jìn)行了合并，各試驗(yàn)工況[5]及荷載效率系數(shù)[6]見(jiàn)表1。

注：1.從甕安至遵義方向橋臺(tái)或立柱依次編號(hào)為0#橋臺(tái)、1#～13#立柱、14#橋臺(tái)，其中6#和9#為雙立柱；2.單位：cm。

工況編號(hào)控制截面及試驗(yàn)工況單元號(hào)節(jié)點(diǎn)號(hào)控制彎矩/(kN·m)試驗(yàn)彎矩/(kN·m)控制軸力/kN試驗(yàn)軸力/kN荷載效率系數(shù)1J1截面最大負(fù)彎矩偏載加載305314-891-768--0.862J2截面最大負(fù)彎矩偏載加載344353-3760-3470--0.923J2截面最大負(fù)彎矩中載加載344353-3760-3470--0.924J3截面最大正彎矩偏載加載36237171706930--0.975J3截面最大正彎矩中載加載36237171706930--0.976J4截面最大正彎矩偏載加載747698809610--0.977J4截面最大正彎矩中載加載747698809610--0.978J5截面最大正彎矩偏載加載59601510013800--0.919J5截面最大正彎矩中載加載59601510013800--0.9110J6截面最大正彎矩偏載加載565743004040--0.9411J6截面最大正彎矩中載加載565743004040--0.9412J7截面最大負(fù)彎矩偏載加載1919-2700-2660--0.9913J8截面最大負(fù)彎矩偏載加載444801-787-649--0.8214J8截面最大負(fù)彎矩中載加載444801-787-649--0.8215J9截面最大軸力偏下游加載230235---2050-18100.8816J10截面最大正彎矩偏載加載393934503440--1.0017J11截面最大正彎矩偏載加載141431703280--1.0318J12截面最大正彎矩偏載加載8828202900--1.0319J13截面最大正彎矩偏載加載4414801490--1.01

4.5 測(cè)試結(jié)果

1) 各工況測(cè)試截面主要撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)介于0.35～1.00之間，均不大于1，結(jié)構(gòu)剛度滿(mǎn)足試驗(yàn)評(píng)定荷載等級(jí)的要求。

2) 各靜載試驗(yàn)工況滿(mǎn)載時(shí)J1、J2、J3、J5、J7、J9、J10、J12、J13截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.28～0.94，截面受力狀態(tài)正常，截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足試驗(yàn)評(píng)定荷載等級(jí)要求。上弦及主拱圈截面邊室的應(yīng)變值比中室大，表明截面中室參與共同工作的性能較差。

3) 應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果表明，J6截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.36～1.61，平均值為0.95，小于1，截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿(mǎn)足試驗(yàn)評(píng)定荷載等級(jí)要求，但應(yīng)變分布離散性大，最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)達(dá)到1.61，截面整體工作性能較差；J4截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.83～1.45之間，平均值為1.03，大于1；J8截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.85～1.44之間，平均值為1.04，大于1；J11截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.71～1.76之間，平均值為1.25，大于1。由此可知，J4、J8、J11截面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿(mǎn)足試驗(yàn)評(píng)定荷載等級(jí)的要求。

4) 靜載試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)選定的裂縫觀測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行了觀測(cè)，未見(jiàn)裂縫擴(kuò)展。

5) 實(shí)測(cè)相對(duì)殘余應(yīng)變、相對(duì)殘余撓度均在JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)具有良好的線彈性狀態(tài)。

5 動(dòng)載試驗(yàn)

江界河大橋動(dòng)載試驗(yàn)[7-8]測(cè)試內(nèi)容主要包括脈動(dòng)試驗(yàn)、20、30、40 km/h無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)和20、30 km/h剎車(chē)試驗(yàn)。主橋無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)和剎車(chē)試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)分別布置在J2、J4、J10截面下緣和J3截面上緣。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出該橋前3階豎向頻率和沖擊系數(shù)結(jié)果，分別闡述如下。

5.1 頻率

通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)得到了江界河大橋前3階豎向頻率，并將其計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，江界河大橋第1階實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率比值為1.07，故橋梁自振頻率評(píng)定標(biāo)度為2。

5.2 沖擊系數(shù)

對(duì)江界河大橋進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到主橋各截面沖擊系數(shù)隨行車(chē)和剎車(chē)速度的變化曲線，如圖7所示。圖7中，J2、J3、J4和J10截面動(dòng)載試驗(yàn)沖擊系數(shù)分別為0.258、0.168、0.321和0.223，沖擊系數(shù)均大于計(jì)算得出的規(guī)范允許值(0.05)，表明該橋沖擊系數(shù)較大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力及行車(chē)安全有影響，過(guò)大的振動(dòng)容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷并加劇結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。沖擊系數(shù)超出規(guī)范值主要是由于橋面多處坑槽、伸縮縫附近橋面嚴(yán)重缺損所致。

表2 前3階豎向計(jì)算頻率和實(shí)測(cè)頻率對(duì)比

注：工況1～3分別代表20、30、40 km/h無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)；工況4～5分別代表20、30 km/h剎車(chē)試驗(yàn)。

圖7 動(dòng)載試驗(yàn)沖擊系數(shù)變化曲線

6 病害成因分析

1) 弦桿端部節(jié)點(diǎn)裂縫：主要原因是不同立柱相鄰2節(jié)間的位移不相等，上弦桿端部凸桿與橋臺(tái)、墩柱搭接處角位移不協(xié)調(diào)，致使該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)豎向剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫。

2) 實(shí)腹段底板裂縫：橋梁實(shí)腹段厚度較小、彎矩較大，使得實(shí)腹段容易產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致雨水、潮濕空氣侵入，鋼筋銹蝕。

3) 拉桿開(kāi)裂：混凝土收縮、徐變致使拱片撓度增大，偏離設(shè)計(jì)合理位置，桿件截面應(yīng)力不均勻度增大導(dǎo)致其出現(xiàn)開(kāi)裂。

4) 立柱橫向裂縫：立柱橫向裂縫主要出現(xiàn)在立柱與上下弦桿連接處，應(yīng)力集中。橋梁兩側(cè)日照時(shí)間差異及日照產(chǎn)生的溫度梯度也是橋梁產(chǎn)生裂縫的原因之一。江界河大橋所處位置為峽谷地區(qū)，風(fēng)荷載產(chǎn)生橋梁的振動(dòng)加劇了橋梁橫向裂縫的發(fā)展。

5) 橫系梁、橫拉桿、橫隔板豎向開(kāi)裂：主要原因是原橋設(shè)計(jì)截面較小，橫向聯(lián)系較弱，而近10年來(lái)交通量增大且超載車(chē)輛比例大，致使桁架豎向變形量大且出現(xiàn)豎向裂縫。

6) 上弦底板裂縫、橋面板裂縫、破碎：隨著汽車(chē)載重及超載違章車(chē)輛的增加，對(duì)橋面板有重大影響的單車(chē)重力或車(chē)輪荷載已超過(guò)了其設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。另外，汽車(chē)沖擊影響致使橋面鋪裝層開(kāi)裂，若不及時(shí)維修,當(dāng)橋面出現(xiàn)坑洞甚至上弦頂部破壞的話則會(huì)影響行車(chē)安全。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文采用裂縫測(cè)寬儀及靜動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)等儀器對(duì)江界河大橋進(jìn)行了外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的病害進(jìn)行了原因分析。其檢測(cè)結(jié)果不僅為該橋后續(xù)維修加固設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，也為同類(lèi)型橋梁病害檢測(cè)和成因分析提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)檢測(cè)中心．遵義至甕安公路江界河大橋檢測(cè)報(bào)告[R].貴陽(yáng)：貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)檢測(cè)中心，2014.

[2] 劉自明．橋梁工程檢測(cè)手冊(cè)[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[3] 陜西省公路局.公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范：JTG H11—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程：JTG /T J21—2011[S]．北京：人民交通出版社，2011.

[5] 蘇 龍，肖 池，胡章立.六盤(pán)水市白鶴高架橋荷載試驗(yàn)及分析[J]. 公路工程，2010(10)：121-123．

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[7] 徐日昶．結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試[M]．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，1993．

[8] 姜增國(guó)，瞿偉廉．跑車(chē)試驗(yàn)測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的理論及應(yīng)用[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(8)：57-59．

Jiangjiehe Bridge Disease Inspection & Cause Analysis

SU Long, LIU Xiang

This paper introduces overall inspection to appearance disease of Jiangjiehe Bridge that has been operating for 20 years, so to acquire technical status of this bridge. We use Dr. Bridge software to carry out finite element analysis to structure of this bridge and determine the most unfavorable conditions and loading positions with static/dynamic load tests. Based on site static/dynamic load tests, we get relative flexibility and strain parameters under all loading conditions. Based on disease inspection, we give evaluation to bridge bearing capability and give analysis to cause of the disease.

Jiangjiehe Bridge; disease inspection; cause of disease

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.020

2016-01-04

蘇 龍(1981-)，男，湖南省益陽(yáng)市人，碩士，高工。

1009-6477(2016)05-0086-05

U445.7+1

A