三角式桁架拱橋技術(shù)狀況及承載力評(píng)定

張毅

摘要 對(duì)于三角式桁架拱橋，通過技術(shù)狀況評(píng)定與荷載試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定橋梁承載能力。通過測(cè)量混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化、混凝土鋼筋銹蝕電位、混凝土鋼筋保護(hù)層厚度、外觀缺陷，利用軟件計(jì)算對(duì)作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)進(jìn)行比較；再通過荷載試驗(yàn)判定橋梁是否滿足現(xiàn)行規(guī)范及技術(shù)要求。結(jié)果表明，靜撓度及靜應(yīng)變部分校驗(yàn)系數(shù)超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定值，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求；結(jié)合技術(shù)狀況評(píng)定為三類以及荷載試驗(yàn)結(jié)論，綜合評(píng)定該橋承載能力不滿足設(shè)計(jì)等級(jí)的要求。

關(guān)鍵詞 技術(shù)狀況評(píng)定；承載力評(píng)定；材質(zhì)狀況；荷載試驗(yàn)

中圖分類號(hào) U445.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0108-03

0 引言

橋梁承載力評(píng)定是對(duì)橋梁在規(guī)劃使用期限內(nèi)的使用功能和承載能力作出的評(píng)價(jià)。承載能力評(píng)定主要通過荷載試驗(yàn)對(duì)橋梁整體承載力進(jìn)行測(cè)試，通過靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)合模型的計(jì)算對(duì)橋梁承載力作出評(píng)價(jià)，其內(nèi)容應(yīng)包括安全性、耐久性和適用性三個(gè)方面。該文通過某三角式桁架拱橋技術(shù)狀況以及承載力的評(píng)定，取得橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)，為橋梁使用功能、使用價(jià)值和結(jié)構(gòu)承載力的綜合評(píng)定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 概述

1.1 依托工程概況

某三角形式桁架拱橋是某國(guó)道的重要交通橋梁，是過境大型載重車輛通過的重要線路，其對(duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及過境車輛繞行起著至關(guān)重要的作用。該橋建成于2003年，由于常年超重車輛通行導(dǎo)致病害較多，于2014年進(jìn)行了維修加固。該橋全長(zhǎng)103.32 m，上部結(jié)構(gòu)為1～70 m的混凝土桁架拱，拱軸線為二次拋物線，橋梁采用1/6的矢跨比，采用轉(zhuǎn)體法施工；橋?qū)挒?2.50 m，形式為1.75 m（人行道）+9.00 m（行車道）+1.75 m（人行道），橋面設(shè)置雙面2%橫坡；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)為重力式臺(tái)，采用C15片石混凝土砌筑，基礎(chǔ)為兩臺(tái)階的擴(kuò)大基礎(chǔ)，拱腳采用鋼筋混凝土樁柱式基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20、掛車-100，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100[1]。

1.2 該桁架拱橋現(xiàn)狀

該橋外觀缺陷如表1所示。

1.3 技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果

該橋技術(shù)狀況評(píng)定情況如表2所示。

2 橋梁缺損材質(zhì)狀況檢查

2.1 橋梁材質(zhì)強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)定

該橋材質(zhì)狀況評(píng)定標(biāo)度匯總?cè)绫?所示。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè)評(píng)定

該橋自振頻率評(píng)定結(jié)果如表4所示。

3 荷載試驗(yàn)

3.1 靜態(tài)測(cè)點(diǎn)

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置：1#截面為拱頂（L/2處）截面，2#截面為拱腳截面，共布置2個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面；靜態(tài)撓度測(cè)點(diǎn)布置：1#截面為拱頂（L/2處）截面，布置1個(gè)撓度測(cè)試截面。

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)

（1）沖擊系數(shù)。根據(jù)規(guī)范計(jì)算該橋沖擊系數(shù)：μ=0.176 7lnf?0.015 7=0.171。

（2）基頻。在1#截面處布設(shè)2個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，1#截面處橋面上布設(shè)2個(gè)豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。通過Midas Fea3.6計(jì)算分析，該橋的基頻為2.87 Hz。

3.3 試驗(yàn)工況及加載方案

該橋采用橋梁通用分析程序Midas Civil建立橋梁計(jì)算模型。其中，桁架、橫梁、上弦桿、腹桿及剪刀撐均采用梁?jiǎn)卧M，橋面板則采用板單元模擬，理論計(jì)算采用有限元模型[4]。

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，車輛雙向行駛時(shí)應(yīng)按2車道布載對(duì)移動(dòng)荷載加載分析，以最不利彎矩控制設(shè)計(jì)[5]。該橋靜載試驗(yàn)分為四個(gè)試驗(yàn)工況，每種工況分四級(jí)進(jìn)行偏載、中載加載，各工況均采用兩列車隊(duì)加載。工況1：三車輛橫向加載位置如圖1所示；工況2：四車輛橫向加載位置距人行道2.05 m起算，其他位置如圖1所示。工況1、工況2對(duì)應(yīng)的1#截面（拱頂截面）測(cè)試，1#截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及1#截面的撓度加載位置，縱向布載在距拱腳35 m位置和30.5 m位置，如圖2所示。工況3、工況4：對(duì)應(yīng)的2#截面（拱頂截面）測(cè)試，2#截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變加載位置從伸縮縫位置起算16.5 m和21.5 m位置。

4 橋梁承載力評(píng)定

4.1 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1.1 結(jié)構(gòu)撓度-變形

（1）工況1荷載作用下，所有撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值大于理論撓度值，平均校驗(yàn)系數(shù)為1.207；工況2荷載作用下，1-2#拱肋測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值大于理論撓度值，平均校驗(yàn)系數(shù)為1.024，說明橋梁剛度不滿足要求。

（2）工況1荷載作用下，相對(duì)殘余撓度最大值為18.9%，平均值為15.9%；工況2荷載作用下，相對(duì)殘余撓度最大值為11.5%，平均值為10.3%，符合橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)時(shí)相對(duì)殘余撓度不大于20%的規(guī)定。

4.1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變特性

（1）工況1偏載荷載作用下，拱頂截面共有6個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，校驗(yàn)系數(shù)最大值為1.867，平均值為0.910；工況2中載作用下，拱頂截面共有5個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，校驗(yàn)系數(shù)最大值為2.158，平均值為1.012。

（2）工況3偏載荷載作用下，拱腳截面共有4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，校驗(yàn)系數(shù)最大值為1.333，平均值為0.604；工況4中載作用下，拱腳截面共有4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，校驗(yàn)系數(shù)最大值為1.750，平均值為0.671。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果如表5所示，動(dòng)應(yīng)變所測(cè)試得出的沖擊系數(shù)平均值為0.048，小于理論值0.171，說明該橋整體在正常工作狀態(tài)下的動(dòng)力性能良好。

4.3 自振頻率

從自振頻率實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的對(duì)比、頻域分析曲線可以看出：

①振動(dòng)曲線符合連續(xù)梁的振動(dòng)方式。②振動(dòng)加速度時(shí)域曲線合理。③從環(huán)境激勵(lì)法測(cè)試頻域分析曲線，可以得出實(shí)測(cè)頻率為3.56 Hz，大于理論計(jì)算值2.87 Hz，說明橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能滿足要求[6]。

4.4 承載力評(píng)定結(jié)果

4.4.1 基本幾何尺寸

經(jīng)測(cè)量，該鋼筋混凝土桁架工橋梁總長(zhǎng)度、橋面寬度、橋梁跨徑組合、主要構(gòu)件幾何尺寸與設(shè)計(jì)基本一致。

4.4.2 橋面線形及拱軸線

橋面線形：左車道、中線、右車道橋面線形基本一致，數(shù)據(jù)吻合。橋面線形總體圓滑，無明顯折線、突變。

拱軸線：各個(gè)測(cè)點(diǎn)擬合得到的1-1#、1-2#拱肋拱軸曲線圓滑、無折線、無突變、拱軸線正常。

4.4.3 材質(zhì)強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)定

對(duì)該橋1-1#拱片、1-2#拱片、左側(cè)1-1#斜撐、右側(cè)1-1#斜撐進(jìn)行回彈強(qiáng)度測(cè)定，依據(jù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件實(shí)測(cè)強(qiáng)度最小值或測(cè)區(qū)平均換算強(qiáng)度推定值最小為35.7 MPa，大于設(shè)計(jì)值30 MPa，確定混凝土強(qiáng)度的評(píng)定標(biāo)度為1。

4.4.4 混凝土鋼筋銹蝕電位檢測(cè)評(píng)定

混凝土中鋼筋銹蝕電位采用半電池電位法，電極采用硫酸銅電位電極，在每個(gè)測(cè)區(qū)布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)。并根據(jù)混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的概率和銹蝕活動(dòng)性，按照銹蝕區(qū)銹蝕電位最低值進(jìn)行評(píng)定。然后，根據(jù)混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的概率和銹蝕活動(dòng)性，對(duì)該橋1-1#拱片、1-2#拱片、左側(cè)1-1#斜撐、右側(cè)1-1#斜撐位置進(jìn)行鋼筋銹蝕電位檢測(cè)，按照銹蝕區(qū)銹蝕電位的最低值評(píng)定標(biāo)度為2。

4.4.5 碳化狀況檢測(cè)評(píng)定

混凝土碳化深度的方法如下：

（1）回彈值測(cè)量完畢后，在有代表性的位置上測(cè)量碳化深度值，測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于構(gòu)件測(cè)區(qū)數(shù)的30%。取所有碳化深度測(cè)點(diǎn)測(cè)值的平均值，作為該構(gòu)件每測(cè)區(qū)的碳化深度值。

（2）當(dāng)各個(gè)碳化深度測(cè)點(diǎn)的碳化深度測(cè)值的差值大于2.0 mm時(shí)，可能表示該構(gòu)件混凝土強(qiáng)度不均勻，因此應(yīng)對(duì)每一回測(cè)區(qū)均進(jìn)行碳化深度的測(cè)量。

根據(jù)以上原則對(duì)1-1#拱肋、1-2#拱肋進(jìn)行碳化深度檢測(cè)，依據(jù)測(cè)區(qū)混凝土碳化深度平均值與實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度平均值的比值，混凝土碳化評(píng)定標(biāo)度為2。

4.4.6 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)評(píng)定

用電磁感應(yīng)法測(cè)試鋼筋位置，對(duì)已進(jìn)行過混凝土碳化深度專門測(cè)量的部位或者鋼筋銹蝕電位測(cè)試結(jié)果表明鋼筋可能銹蝕活化的部位進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)構(gòu)件或部位的鋼筋保護(hù)層厚度特征值與設(shè)計(jì)值的比值，對(duì)1-1#拱肋測(cè)定值為0.81的評(píng)定標(biāo)度為3，對(duì)1-2#拱肋測(cè)定值為0.18的評(píng)定標(biāo)度為5，取其中的最小值，故確定鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度為5，鋼筋易失去堿性保護(hù)、發(fā)生銹蝕。

4.4.7 結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè)評(píng)定

采用環(huán)境激勵(lì)法對(duì)該橋自振頻率進(jìn)行測(cè)試。在橋面安置高靈敏的速度傳感器，通過測(cè)定由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)激勵(lì)引起的橋梁微幅振動(dòng)，識(shí)別結(jié)構(gòu)的自振特性，對(duì)采集的長(zhǎng)樣本信號(hào)進(jìn)行能量平均以便消除隨機(jī)因素影響。一般檢測(cè)時(shí)間在25 min以上才能消除隨機(jī)影響，避免不需要的能量信號(hào)干擾最終結(jié)果。

該橋上部結(jié)構(gòu)理論計(jì)算自振頻率為2.87 Hz，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)自振頻率為3.56 Hz，橋梁自振頻率評(píng)定標(biāo)度為1。

5 結(jié)論

近年大量的桁架拱橋出現(xiàn)了不同程度的病害，由于產(chǎn)生原因的復(fù)雜性導(dǎo)致表現(xiàn)形式多種多樣。該文研究案例在加固后運(yùn)行十年，又出現(xiàn)以下病害：該橋斜撐環(huán)向裂縫；橋面板混凝土破損、露筋、水蝕等病害主要位于護(hù)欄底面挑梁部位，未更換部分橋面板；橫梁、挑梁混凝土剝落、露筋、鋼筋保護(hù)層厚度不足，維修加固施工時(shí)，由于碰撞等導(dǎo)致混凝土破損、露筋。

技術(shù)狀況以及無損檢測(cè)表明，該橋主要受力構(gòu)件如拱肋鋼筋，銹蝕電位檢測(cè)顯示有銹蝕活動(dòng)性，但銹蝕狀態(tài)不確定，可能銹蝕；且有輕微碳化現(xiàn)象，鋼筋易失去堿性保護(hù)，發(fā)生銹蝕，且粘貼鋼板也受滲水侵蝕影響。

荷載試驗(yàn)表明，該橋加固后運(yùn)行十年橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，橋梁安全儲(chǔ)備不足。結(jié)合技術(shù)狀況評(píng)定為3類以及荷載試驗(yàn)結(jié)論，綜合評(píng)定該橋承載能力不滿足公路Ⅱ級(jí)要求，建議對(duì)過往車輛采取限載限速通行措施，對(duì)該橋進(jìn)行加固或改造。

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