剛桁架拱橋無損檢測與承載能力評定

趙曉川，趙子雪

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

無損檢測是在不損傷被測材料的情況下，檢查材料的內在或表面缺陷，或測定材料的某些物理量、性能、組織狀態等的檢測技術。無損檢測技術目前已在土木工程領域廣泛應用，其一般借助現代的技術和設備器材，對試件內部及表面的結構、性質、狀態進行檢查和測試?，F代電子技術和計算機技術的發展和其它學科介入無損檢測領域，使無損檢測技術得到飛速發展。對于橋梁結構，通過某鋼筋混凝土桁架拱橋的無損檢測和荷載試驗，獲取結構的主要技術參數后，可對橋梁結構運營使用狀況，承載能力檢測評定提供基礎數據。

1 橋梁概況

1.1 橋梁結構布置

某城市橋梁建成于1992年，橋梁設計為三跨上承式鋼筋混凝土桁架拱橋，橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置/mm

該橋上部結構每跨均由11榀桁架拱片、微彎板和橫梁組成，相鄰桁架拱片中心間距為2.8 m，桁架上弦桿采用凸字形截面，高0.4 m，底寬0.3 m；下弦桿采用矩形截面，高0.5 m，寬0.3 m；腹桿分為豎桿及斜桿，均為矩形斷面，其中端豎桿截面尺寸為0.3 m×0.4 m，其余豎桿及斜桿截面尺寸為0.3 m×0.25 m。每跨相鄰兩桁架間均設置13道橫梁，其中上、下弦桿在節點處設4道拉桿及隔板，實腹段設5道隔板，在兩端拱腳、1/4及3/4跨處各設一道剪刀撐。橋梁下部結構橋臺為重力式橋臺，橋墩采用薄壁式空心墩，基礎采用21根直徑1.2 m的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長為13.5 m。

1.2 主要設計技術標準

橋梁桁架拱片混凝土設計強度等級為40#混凝土，橫系梁混凝土設計強度等級為25#混凝土，微彎板及拱座混凝土設計強度等級均為30#混凝土，橋臺臺身、橋墩墩身及鉆孔灌注樁混凝土設計強度等級均為20#混凝土。該橋設計橋面總寬30.0 m，橋寬布置如下：0.25 m欄桿基座+2.75 m人行道+24.0 m車行道+2.75 m人行道+0.25 m欄桿基座。橋面鋪裝采用鋼筋混凝土鋪裝層。全橋墩臺位置橋面采用型鋼伸縮裝置。兩側采用高1.0 m，基座寬為0.25 m的鋼筋混凝土花板欄桿。橋梁設計荷載為汽車-20級，掛-100。

2 橋梁無損檢測結果與分析

2.1 鋼筋保護層厚度檢測

混凝土保護層可以有效阻止外界腐蝕介質、氧氣及水分等滲入，從而保護鋼筋免遭侵蝕或延緩鋼筋的腐蝕，混凝土的保護層厚度是影響鋼筋耐久性的一個重要因素。因此，通過檢測鋼筋的混凝土保護層厚度可以把握鋼筋的耐久性。

檢測抽取了6片主拱肋和一個3#橋臺拱座進行主筋混凝土保護層厚度檢測，根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/TJ21—2011）有關規定進行標度評定。6片主拱肋主筋混凝土保護層厚度平均值為27.8～34.1 mm，均滿足設計所采用的拱肋底板主筋保護層厚度27.5 mm的要求，Dne/Dn為0.85～1.10，其中2片拱肋評定標度為1，表明這些拱肋混凝土保護層厚度對鋼筋耐久性影響不顯著，3片拱肋評定標度為2，表明這些拱肋混凝土保護層厚度對結構鋼筋耐久性有輕度影響，1片拱肋評定標度為3，表明該拱肋混凝土保護層厚度對結構鋼筋耐久性有影響。抽檢的橋臺拱座箍筋混凝土保護層厚度平均值為30.3 mm，不滿足設計所采用的橋臺拱座箍筋保護層厚度32.0 mm的要求，Dne/Dnd為0.77，評定標度為3，表明橋臺拱座混凝土保護層厚度對結構鋼筋耐久性有影響。

2.2 混凝土強度和碳化深度檢測

混凝土強度檢測選取了6片拱肋和3#橋臺拱座共7個構件，共70個測區進行混凝土強度檢測。抽檢的6片拱肋混凝土強度推定值介于41.1～52.7 MPa之間，均滿足設計所采用的拱肋混凝土強度等級40#（C38）的要求。抽檢的3#橋臺拱座混凝土強度推定值為34.4 MPa，滿足設計所采用的橋臺拱座混凝土強度等級30#（C28）的要求。

碳化深度對鋼筋銹蝕的影響，應根據測區混凝土碳化深度平均值與實測保護層厚度平均值之比進行評價。本次檢測通過在混凝土表面鉆孔，露出孔內新鮮混凝土內壁表面，并除凈表面粉塵，然后用1%酚酞酒精噴涂，檢測其變色與不變色的臨界面深度，確定混凝土的碳化深度，變紅表示混凝土未碳化，不變色則表示混凝土已經碳化。碳化深度測試僅在結構表面鉆較小的孔，并不對結構造成實質性損傷。本次選取強度測試的7個構件，共21個測區進行碳化深度檢測，抽檢的拱肋、橋臺拱座共7個構件混凝土保護層表面的平均碳化深度值為3.0～12.0 mm，比值Kc為0.10～0.40，表明本次抽檢的各構件混凝土碳化深度對鋼筋銹蝕無影響。

2.3 鋼筋銹蝕狀況檢測

當混凝土處于一個高堿性環境，混凝土中液體pH值為13左右時，會在表面形成一層保護膜，不會銹蝕；但當有氧氣和水分存在時，由于氯化物或碳化，這種保護膜會被破壞，發生銹蝕。銹蝕過程中，在表面形成陽極區和陰極區，導致離解，在陽極區生成膨脹的銹蝕物。腐蝕速率受鐵離子通過混凝土從陽極遷到陰極的便利程度的影響，因此，電勢越高，電阻率越低，通常腐蝕率也就越大。

橋梁銹蝕狀況檢測采用半電池電位銹蝕度測量法，該方法是目前在現場無損銹蝕度檢測中較先進的一種方法，使用的儀器是瑞士CANIN+銹蝕分析儀。瑞士CANIN+銹蝕分析儀能通過測量和混凝土表面之間的電位和電阻率，來評價腐蝕程度和保護層狀況，腐蝕程度由電勢的高低來判斷。電勢越高，腐蝕的可能性就越大；同時考慮電阻率的影響，電阻率低，表明混凝土孔中存在水分和氯化物，表現為電勢高；電阻率高，表現為電勢低。本次選取2片拱肋主筋作為檢測對象，其中一片拱肋檢測結果見圖2，抽檢的2片拱肋主筋無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，銹蝕概率小于10%。

圖2 拱肋電阻率檢測結果

3 橋梁荷載試驗檢測

3.1 橋梁靜載試驗

靜載試驗是檢驗橋梁結構在試驗荷載作用下橋梁工作狀態與運營性能的有效手段。通過 對橋跨結構進行靜荷載加載，測量試驗荷載作用下主梁控制截面的應變（應力）和撓度等指標，評定橋梁承載力是否滿足設計要求。本次試驗選取該橋西邊跨作為試驗跨，設拱頂、3L/4及西端拱腳共3個測試斷面，在各測試斷面布置應變、撓度測試儀器。

采用 Midas Civil橋梁有限元軟件建立橋梁單跨空間模型進行計算分析，根據無損檢測結構對模型參數進行修正。靜載試驗荷載采用兩輛重480 kN的四軸載重貨車作為試驗荷載，靜載試驗效率見表1。

表1 靜載試驗加載效率系數

在試驗荷載作用下拱頂斷面各測點的應變校驗系數在0.42～0.66之間，拱腳斷面各測點的校驗系數在0.41～0.57之間，均小于1，滿足《城市橋梁檢測與評定技術規范》（CJJ/T233—2015）規定的校驗系數小于1的要求；拱頂斷面各測點撓度校驗系數在0.42～0.64之間，3L/4斷面各測點撓度校驗系數在0.26～0.39之間，均小于1。該橋各工況下測試斷面應變相對殘余變形在0～11.11%之間，各工況下測試斷面撓度相對殘余變形在0～4.00%之間，均小于規范規定的相對殘余變形容許值20%。靜載試驗結果表明橋梁上部結構在正常使用極限狀態下滿足汽車-20級荷載的安全使用要求。

3.2 動載試驗

3.2.1 橋梁自振特性測試

通過有限元計算見圖3，橋梁理論計算豎向1階振動頻率為1.91。采用橋梁動態信號采集和振動測量系統測得結構豎向振動頻率為3.65。該橋實測豎向基頻大于理論計算豎向基頻，表明該橋實際剛度較理論要好。

圖3 橋梁豎向1階振型（f=3.65）

動載試驗橋梁沖擊系數測試，以一輛480 kN重車分別以行車速度10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h四個工況沿橋面勻速駛過橋面，采用DH5908型動靜態應變采集系統記錄拱肋動態測點的動應變時程信號。測試結構通過對動載試驗該測點應變動態時程曲線分析，可以得到該測點實測最大動應變及相應動態增量，測試結果見表2。

表2 橋梁沖擊系數測試結果

由表2測試結果可知，試驗車輛駛過橋面時引起拱肋應變沖擊系數在0.059～0.135之間，小于設計采用擊系數0.200，說明該橋抗沖擊性能較好，實際剛度好于理論計算剛度。

4 結語

橋梁無損檢測結果表明，部分構件的鋼筋保護層厚度不滿足設計要求，混凝土保護層厚度對結構鋼筋耐久性有影響；結構混凝土強度均滿足設計要求，混凝土碳化深度鋼筋銹蝕無影響；抽檢的2片拱肋主筋無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，銹蝕概率小于10%。靜載試驗結果表明在正常使用極限狀態下，目前該橋上部結構能夠滿足原設計汽車-20級荷載的正常使用要求；動載試驗測試結果表明該橋抗沖擊性能較好，該橋實測豎向基頻大于理論計算豎向基頻，表明該橋實際剛度較理論要好。該橋梁的試驗檢測方法和結果為同類橋梁的試驗檢測提供了參考，通過無損檢測和承載能力評定可掌握橋梁結構實際運營使用狀況，為橋梁的養護維修提供基礎數據。