鋼筋混凝土肋拱橋病害檢測與承載能力評估

田亞洪 趙其才

摘 要：以彝良縣毛坪礦山一舊鋼筋混凝土肋拱橋?yàn)槔摪咐秊閺U棄舊橋重新啟用改造，因此為礦區(qū)工作人員及非機(jī)動車通行，需對該橋梁病害狀況進(jìn)行全面檢測，在病害檢測的基礎(chǔ)上對該橋承載能力進(jìn)行進(jìn)一步檢算分析，以驗(yàn)證其是否滿足現(xiàn)行荷載的通行要求。采用病害檢測技術(shù)狀況評定，結(jié)合承載能力評估，為橋梁后期加固提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土肋拱橋；病害檢測；承載能力檢算

中圖分類號：U448 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0088-03

0 引言

毛坪礦老橋位于彝良縣洛澤河鎮(zhèn)毛坪礦山，該橋?yàn)閮艨鐝?5 m雙肋拱橋，拱肋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩肋之間通過橫系梁進(jìn)行連接。拱肋為高1.2 m、寬0.5 m矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)橋臺為重力式U型橋臺。橋梁原設(shè)計(jì)荷載為汽車-15級，橋面凈寬度為5.5 m。

該橋建于1990年左右，于2012年經(jīng)歷5.7級地震及下游新橋建成后，老橋封閉通行?，F(xiàn)毛坪礦山業(yè)主需重新利用老橋進(jìn)行行人及摩托車輛的通行，以緩解新橋交通壓力。為確定該橋是否滿足行人及摩托車輛的通行條件，需對老橋進(jìn)行病害檢測和承載能力進(jìn)行評定，以確定該橋是否滿足通行要求。

1 橋梁病害檢測評定內(nèi)容與方法

第一，橋梁病害檢查。橋梁病害檢查以人工目測觀察結(jié)合儀器觀測進(jìn)行，主要是記錄病害位置、病害范圍和病害嚴(yán)重程度。

第二，特殊檢查。特殊檢查是由檢測人員借助一定檢測手段對橋梁構(gòu)件進(jìn)行特別項(xiàng)目調(diào)查、測試混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕電阻率等，以確定構(gòu)件的缺損程度、范圍和產(chǎn)生原因，分析各種缺損、損傷對結(jié)構(gòu)帶來潛在危害后果或危險(xiǎn)程度[1]。

第三，拱軸線線形測量。借助全站儀采用免棱鏡測量方法，對主拱圈坐標(biāo)進(jìn)行測量，以確定拱肋線形狀態(tài)。本次測量測點(diǎn)取拱肋拱腳下緣（起拱線處）及每側(cè)立柱對應(yīng)的拱肋下緣部位進(jìn)行測量。

第四，橋梁真正承載力評價(jià)。通過橋梁結(jié)構(gòu)檢算，就橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承重構(gòu)件，在一般情況下使用極限狀態(tài)做相關(guān)的驗(yàn)算，和對其承載能力極限狀態(tài)作用下的相關(guān)指標(biāo)做驗(yàn)算，從而通過計(jì)算結(jié)果，對橋梁結(jié)構(gòu)的真正承載能力做出相關(guān)判斷、評價(jià)。

第五，對橋梁結(jié)構(gòu)自振特性進(jìn)行測試，測得在橋跨結(jié)構(gòu)在地球脈動狀況下的固有振動特性，進(jìn)而判別結(jié)構(gòu)動剛度是否滿足承載能力要求[2]。

第六，對橋梁做橋梁病害檢查、特殊檢查、線形測量、結(jié)構(gòu)檢算、自振特性等檢測，就橋梁的承載能力和相關(guān)技術(shù)狀況進(jìn)行判斷、評價(jià)。

第七，對于檢測發(fā)現(xiàn)的相關(guān)橋梁病害，就其出現(xiàn)的原因做好分析，制定出針對性的相關(guān)加固措施，從而為維修加固以及后面的養(yǎng)護(hù)提供相關(guān)檢測依據(jù)。

2 檢測結(jié)果

2.1 病害檢測結(jié)果

在橋梁結(jié)構(gòu)方面存在的問題有：拱肋底板現(xiàn)2條縱向裂縫，長度約0.8 m左右、裂縫主要呈順橋向沿拱肋邊緣延伸，局部混凝土破損、蜂窩麻面。西岸多處立柱底部開裂、混凝土剝落破損，局部有鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象，伸縮縫處蓋梁有比較嚴(yán)重滲水鈣化伴有青苔生長，表明伸縮縫處防水功能失效。全橋多處拱肋底板、腹板、立柱、蓋梁、系梁表明有水漬、局部伴有滲水鈣化現(xiàn)象發(fā)生。

在橋梁形象環(huán)境方面存在的問題有：橋梁東、西岸橋臺側(cè)墻灌木雜草生長、側(cè)墻砌石表層脫落、側(cè)墻滲水。橋面板外側(cè)雜草滋生、橋面現(xiàn)多處網(wǎng)裂、伸縮縫遭破壞、多處護(hù)欄扶手、立柱混凝土破損露筋、部分護(hù)欄扶手?jǐn)嗔?、部分護(hù)欄立柱與扶手連接構(gòu)造失效。

2.2 橋梁線軸形狀況測量結(jié)果

毛坪礦礦山老橋拱軸線形較為順滑，無突變截面，拱軸線形狀況良好。實(shí)測線形見圖1，圖2。

2.3 橋梁材質(zhì)狀況檢測結(jié)果

第一，回彈強(qiáng)度檢測結(jié)果可以看出，檢測按比例抽檢的主要受力構(gòu)件呈現(xiàn)比較好的狀態(tài)。

第二，混凝土碳化深度狀況檢測結(jié)果可以看出，檢測按比例抽檢的構(gòu)件碳化深度對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響范圍較少，碳化深度均低于鋼筋混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度。

第三，檢測按比例抽檢的混凝土中鋼筋銹蝕電位檢測結(jié)果能夠得知，鋼筋出現(xiàn)了銹蝕活動的情況，然而銹蝕情況不能確定，可能坑蝕。

3 橋梁技術(shù)狀況評定

根據(jù)部件缺損評定方法，結(jié)合《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11－2004）對毛坪礦山老橋技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評定[3]。依據(jù)全橋總體技術(shù)狀況評定方法（采用考慮橋梁各部件權(quán)重的綜合評定方法），得到全橋結(jié)構(gòu)的最終評分為34.93分，總體技術(shù)狀況評定為四類。

4 橋梁承載能力檢算

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）（下文簡稱為《評定規(guī)程》）的要求和毛坪礦山老橋質(zhì)量檢測評價(jià)結(jié)果，從結(jié)構(gòu)安全使用性能出發(fā)，考慮構(gòu)件的病害特征對橋梁抗力性能的影響[4]。

4.1 檢算系數(shù)

4.1.1 承載能力檢算系數(shù)Z1的計(jì)算

按式（1）計(jì)算確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度D。

D=ΣαjDj=2.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：αj為某項(xiàng)檢測指標(biāo)權(quán)重值； Σαj為1，按《評定規(guī)程》取值；Dj為結(jié)構(gòu)、構(gòu)件某項(xiàng)檢測指標(biāo)的評定標(biāo)度。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度D，查表可得：Z1=1.08。

4.1.2 截面折減系數(shù)ζc的計(jì)算

依據(jù)材料物理與化學(xué)損傷、材料風(fēng)化、材料碳化等3項(xiàng)檢測指標(biāo)的評定標(biāo)度，按式（2）計(jì)算確定結(jié)構(gòu)、構(gòu)件截面損傷的綜合評定標(biāo)度R。

R=Σj=1N Rjαj=1.25 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Rj為某項(xiàng)檢測指標(biāo)評定標(biāo)度；αj某項(xiàng)檢測指標(biāo)權(quán)重值；Σαj為1，按《評定規(guī)程》取值。

根據(jù)截面損傷的綜合評定標(biāo)度R，查表得：ζc=0.99。

4.2 承載能力檢算公式

毛坪礦山老橋?yàn)殇摻罨炷晾吖皹蛄?，依照橋梁的檢算結(jié)果，根據(jù)式（3）進(jìn)行相關(guān)計(jì)算、評定。

γ0S=R（fd，ζc，ad）Z1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：γ為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；R（fd，ζc，ad）為抗力效應(yīng)函數(shù)方程；S為荷載效應(yīng)函數(shù)；fd為材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度；ad為結(jié)構(gòu)尺寸；Z1為承載能力檢算系數(shù)；ζc為截面折減系數(shù)。

4.3 承載能力檢算結(jié)果

本橋后期主要規(guī)劃為人行橋，通過建模分析，按公路橋涵通用規(guī)范輸入滿人荷載（3 kN/m2）及荷載組合系數(shù)及檢算系數(shù)驗(yàn)算不利組合工況下主要承重結(jié)構(gòu)承載能力。經(jīng)過驗(yàn)算，承載能力極限狀態(tài)下，拱肋結(jié)構(gòu)控制截面正截面抗彎強(qiáng)度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值[5]；拱肋結(jié)構(gòu)斜截面抗剪強(qiáng)度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值；拱肋結(jié)構(gòu)偏心抗壓強(qiáng)度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值[6]。表明最不利內(nèi)力組合工況下，本橋結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)也表明本橋拱肋結(jié)構(gòu)滿足橋面滿人荷載通行的承載能力。

5 橋梁基頻測試

橋梁基頻測試方法一般采用脈動法，脈動法主要采用加速度傳感器，在頻域中進(jìn)行譜分析，在時(shí)域中進(jìn)行時(shí)程分析。毛坪礦山老橋豎向一階基頻計(jì)算值見圖3，實(shí)測豎向一階基頻見圖4所示。

6 檢測結(jié)論

第一，依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004），毛坪礦礦山老橋的總體技術(shù)狀況評定等級為四類橋梁，承重結(jié)構(gòu)主拱肋劃分為三類。建議對橋梁結(jié)構(gòu)存在的主要病害構(gòu)件進(jìn)行針對性的維修處治后，方可開放橋梁人行交通。

第二，經(jīng)過承載能力檢算，最不利內(nèi)力組合工況下，本橋結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。同時(shí)也表明本橋拱肋結(jié)構(gòu)滿足橋面滿人荷載通行的承載能力。

第三，由毛坪礦礦山老橋基頻測試、分析結(jié)果能夠知道，該橋的豎向振動實(shí)測基礎(chǔ)頻率是大于理論基礎(chǔ)頻率的，表示該橋在實(shí)際結(jié)構(gòu)豎向動剛度上是大于理論計(jì)算動剛度的，說明老橋橋梁結(jié)構(gòu)動剛度略有富余，滿足兩輪摩托車正常行駛要求。

7 結(jié)語

橋梁病害檢測需要結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，采用相應(yīng)檢測手段進(jìn)行全面檢測及技術(shù)狀況評定。

舊橋橋梁承載力評定宜在荷載試驗(yàn)和承載能力檢算兩種方法進(jìn)行對比，以選出比較合理、經(jīng)濟(jì)的檢測方案。

本橋采用病害檢測及承載能力評估，可以省去荷載試驗(yàn)檢測成本，并為橋梁后期加固提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)對同類橋梁技術(shù)狀況評定及承載能力評估可提供參考。

參考文獻(xiàn)

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