基于現(xiàn)場檢測的某空腹式圬工拱橋適應性評定

■俞 斌

（將樂縣農(nóng)村公路養(yǎng)護管理站，三明 353300）

0 引言

拱橋以受壓為主，可以充分利用抗拉性能較差而抗壓性能較好的圬工材料如石料、磚等來建造，這種橋梁稱為圬工拱橋。它具有就地取材、節(jié)省鋼材和水泥、構(gòu)造簡單、有利于普及等優(yōu)點，因而應用較廣。在我國主要以石拱橋為主，如世界上迄今尚存的跨徑最大的古代石拱橋——河北趙縣安濟橋，跨徑37.4m；目前世界上跨徑最大的圬工拱橋——山西晉城丹河新橋，凈跨徑達146m。圬工拱橋現(xiàn)在已極少修建，對大量在役圬工拱橋的評估、養(yǎng)護和維修加固仍是一項十分重要且艱巨的任務。

1 工程概述

某大橋，是水庫上通行橋，建于上個世紀80年代。全橋共10跨，為等跨連續(xù)空腹式圬工拱橋，其中5跨一聯(lián)，第5跨與第6跨中間為水庫舊發(fā)電機水槽。上部結(jié)構(gòu)單跨拱圈凈跨徑L0=16.0m，凈矢高F0=3.2m，凈矢跨比F0/L0=1/5；拱圈計算跨徑L=16.466m，計算矢高F=3.276m。主拱圈為板拱，厚度為0.75m，采用MU30石材、M5砌筑砂漿。拱上填料為砂、礫石。橋面鋪裝鋼筋混凝土，橋面全寬為7.50m（凈6.00m行車道+2×0.75m護輪帶）。下部結(jié)構(gòu)：橋墩為重力式橋墩，橋臺采用漿砌塊石U型臺。設計荷載：汽車-15級；結(jié)構(gòu)全景布置如圖1所示。洪水設計或然率為100年一遇。為了解橋跨主體結(jié)構(gòu)在交通車輛荷載作用下的實際受力狀態(tài)，評價結(jié)構(gòu)的工作性能狀態(tài)，需要對該橋進行適應性評定。

圖1 某空腹式圬工拱橋結(jié)構(gòu)總體布置圖（單位：m）

2 外觀病害情況

利用橋檢車對該橋進行詳細的外觀檢查，主要病害情況如下：

主拱圈1處砌石碎裂（見圖2），面積0.04m2；1處砌石脫落（見圖 3），面積 0.06m2；3處砂漿脫落，面積 0.08～0.60m2，總面積0.80m2；1處滲水流白灰，5處滲水長青苔。

腹拱圈2處縱向開裂（見圖4），縫寬均為1.00cm，縫長 6.00m 和 1.00m；5 處砌石脫落，面積 0.01～0.08m2，總面積0.23m2；1處砌石風化開裂，縫寬0.14mm，縫長0.40m；1條橫向裂縫流白灰，縫長1.00m；4條橫向裂縫，縫寬均為 1.00mm， 縫長 0.60～7.00m；1條縱向裂縫， 縫寬1.00mm，縫長 1.00m；1條斜向裂縫，縫寬 1.00mm，縫長1.50m。

橋面鋪裝共32處出現(xiàn)橫向開裂，縫寬2.00～5.00mm，縫長2.50～7.00m；2處橋面破損，總面積10.00m2；4處路緣石缺失；4處路緣石斷裂。

根據(jù)文獻[3]，該大橋綜合評分為67.1，總體技術(shù)狀況等級評定為三類。

圖2 主拱圈砌石碎裂

圖4 腹拱縱向開裂

3 荷載試驗結(jié)果及分析

3.1 靜載試驗

3.1.1 靜載試驗工況及檢驗對象

根據(jù)外觀檢查結(jié)果，選取第一聯(lián)為試驗對象。根據(jù)該橋施工設計圖紙和現(xiàn)場實測資料，應用MIDAS計算軟件進行建模計算，橋梁模型見圖5。以設計標準活載產(chǎn)生的該試驗項目的最不利效應值等效換算，確定所需的試驗荷載。然后根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點，確定各跨試驗工況，具體見表1，各跨主要測試截面見圖6。由表2可知，該橋的試驗荷載效率η滿足文獻[4]基本荷載試驗規(guī)定的要求 0.95≤η≤1.05。

3.1.2 測點布置

撓度測點布置：在各控制截面拱肋對應的橋面位置架設塔尺進行測量，各控制截面撓度測點布置見圖7。

裂縫觀測：對外觀檢查中發(fā)現(xiàn)的腹拱圈裂縫安裝加長桿進行觀測，同時觀測各試驗工況作用下相應截面的裂縫開展情況。

表1 試驗測試內(nèi)容

表2 靜載試驗荷載效率計算（內(nèi)力單位：kN.m）

圖5 橋梁第一聯(lián)模型圖

圖6 試驗測試截面示意圖

圖7 各控制截面撓度測點布置圖

3.1.3 靜載試驗結(jié)果及分析

在試驗加載工況作用下，各控制截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表3所示。

經(jīng)過橋梁靜載試驗，第1跨跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.84，相對殘余撓度最大值為17.5%，第1跨L/4和3L/4截面撓度絕對值之和的校驗系數(shù)為0.88，相對殘余撓度最大值為16.7%；第2跨跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.71，相對殘余撓度最大值為11.9%，第2跨L/4和3L/4截面撓度絕對值之和的校驗系數(shù)為0.73，相對殘余撓度最大值為10.3%。各測試截面撓度校驗系數(shù)均小于文獻[4]規(guī)定的限值1.00，相對殘余撓度最大值均小于文獻[4]規(guī)定值20%。

對1-1腹拱的橫向裂縫和1-0腹拱的縱向裂縫分別安裝加長桿進行觀測，在各試驗工況下，最大開展寬度為0.05mm，卸載后均恢復；各試驗工況作用下相應控制截面未見新裂縫產(chǎn)生。

表3 各控制截面撓度分析表（單位：mm）

3.2 動載試驗

3.2.1 自振特性試驗工況

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動響應，測試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比，以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

3.2.2 自振特性結(jié)果及分析

圖8 實測與計算豎向1階自振頻率及振型圖對比

在各跨八分點位置橋面上放置橫向和豎向脈動測點傳感器，實測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該橋?qū)崪y豎向1階自振頻率為6.46Hz，大于理論值5.62Hz，實測橫向1階自振頻率為1.21Hz，大于理論值1.08Hz，實測豎向和橫向振型與理論振型基本吻合，由此表明該橋豎向和橫向?qū)嶋H剛度比理論剛度大。該橋?qū)崪y和理論豎向1階自振頻率及振型對比見圖8，實測和理論橫向1階自振頻率及振型對比見圖9。

圖9 實測與計算豎向1階自振頻率及振型圖對比

4 結(jié)論

通過對該圬工拱橋的現(xiàn)場檢測，結(jié)論如下：

（1）該橋主要病害表現(xiàn)在主拱圈砌石碎裂、砌石和砂漿脫落，腹拱圈縱向開裂等，總體技術(shù)狀況等級評定為三類。

（2）各測試截面撓度校驗系數(shù)為 0.71～0.88，均小于規(guī)定限值1.00；相對殘余撓度最大值為10.3%～17.5%，均小于規(guī)定值20%。在各試驗工況下，腹拱觀測裂縫的最大開展寬度為0.05mm，卸載后均恢復；各試驗工況作用下相應控制截面未見新裂縫產(chǎn)生。

（3）該橋?qū)崪y豎向和橫向1階自振頻率均大于相應理論值，實測豎向和橫向振型與理論振型基本吻合，表明該橋豎向和橫向?qū)嶋H剛度比理論剛度大。

（4）綜上所述，該空腹式圬工拱橋?qū)嶋H承載能力能夠滿足汽-15級設計荷載等級要求，該橋適應性滿足要求?；谕庥^檢查和靜動載試驗相結(jié)合的現(xiàn)場檢測方式比較直接和高效，能夠用于橋梁的適應性評定。

[1]魏召蘭，蒲黔輝，高玉峰.圬工拱橋承載能力評估方法研究[J].四川建筑科學研究，2011.6，37（3）.

[2]賴國華，劉涉.淺析圬工拱橋產(chǎn)生裂縫的主要原因[J].黑龍江交通科技，2004，6.

[3]JTG/T H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況評定標準[S].

[4]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[5]JTGD61-2005，公路圬工橋涵設計規(guī)范[S].