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為例，該案例為廢棄舊橋重新啟用改造，因此為礦區工作人員及非機動車通行，需對該橋梁病害狀況進行全面檢測，在病害檢測的基礎上對該橋承載能力進行進一步檢算分析，以驗證其是否滿足現行荷載的通行要求。采用病害檢測技術狀況評定，結合承載能力評估，為橋梁后期加固提供科學依據。

關鍵詞：鋼筋混凝土肋拱橋；病害檢測；承載能力檢算

中圖分類號：U448 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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毛坪礦山，該橋為凈跨徑45 m雙肋拱橋，拱肋為鋼筋混凝土結構，兩肋之間通過橫系梁進行連接。拱肋為高1.2 m、寬0.5 m矩形結構，兩側橋臺為重力式U型橋臺。橋梁原設計荷載為汽車-15級，橋面凈寬度為5.5 m。

該橋建于1990年左右，于2012年經歷5.7級地震及下游新橋建成后，老橋封閉通行。現毛坪礦山業主需重新利用老橋進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，需對老橋進行病害檢測和承載能力進行評定，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合儀器觀測進行，主要是記錄病害位置、病害范圍和病害嚴重程度。

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件進行特別項目調查、測試混凝土強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度、鋼筋銹蝕電阻率等，以確定構件的缺損程度、范圍和產生原因，分析各種缺損、損傷對結構帶來潛在危害后果或危險程度[1]。

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

第四，橋梁真正承載力評價。通過橋梁結構檢算，就橋梁結構的關鍵承重構件，在一般情況下使用極限狀態做相關的驗算，和對其承載能力極限狀態作用下的相關指標做驗算，從而通過計算結果，對橋梁結構的真正承載能力做出相關判斷、評價。

第五，對橋梁結構自振特性進行測試，測得在橋跨結構在地球脈動狀況下的固有振動特性，進而判別結構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、結構檢算、自振特性等檢測，就橋梁的承載能力和相關技術狀況進行判斷、評價。

第七，對于檢測發現的相關橋梁病害，就其出現的原因做好分析，制定出針對性的相關加固措施，從而為維修加固以及后面的養護提供相關檢測依據。

2 檢測結果

2.1 病害檢測結果

在橋梁結構方面存在的問題有：拱肋底板現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象，伸縮縫處蓋梁有比較嚴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象發生。

在橋梁形象環境方面存在的問題有：橋梁東、西岸橋臺側墻灌木雜草生長、側墻砌石表層脫落、側墻滲水。橋面板外側雜草滋生、橋面現多處網裂、伸縮縫遭破壞、多處護欄扶手、立柱混凝土破損露筋、部分護欄扶手斷裂、部分護欄立柱與扶手連接構造失效。

2.2 橋梁線軸形狀況測量結果

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。實測線形見圖1，圖2。

2.3 橋梁材質狀況檢測結果

第一，回彈強度檢測結果可以看出，檢測按比例抽檢的主要受力構件呈現比較好的狀態。

第二，混凝土碳化深度狀況檢測結果可以看出，檢測按比例抽檢的構件碳化深度對結構強度影響范圍較少，碳化深度均低于鋼筋混凝土保護層設計厚度。

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

3 橋梁技術狀況評定

根據部件缺損評定方法，結合《公路橋涵養護規范》（JTG H11－2004）對毛坪礦山老橋技術狀況進行綜合評定[3]。依據全橋總體技術狀況評定方法（采用考慮橋梁各部件權重的綜合評定方法），得到全橋結構的最終評分為34.93分，總體技術狀況評定為四類。

4 橋梁承載能力檢算

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）（下文簡稱為《評定規程》）的要求和毛坪礦山老橋質量檢測評價結果，從結構安全使用性能出發，考慮構件的病害特征對橋梁抗力性能的影響[4]。

4.1 檢算系數

4.1.1 承載能力檢算系數Z1的計算

按式（1）計算確定結構或構件承載能力檢算系數評定標度D。

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

式中：αj為某項檢測指標權重值； Σαj為1，按《評定規程》取值；Dj為結構、構件某項檢測指標的評定標度。

根據橋梁結構的承載能力檢算系數評定標度D，查表可得：Z1=1.08。

4.1.2 截面折減系數ζc的計算

依據材料物理與化學損傷、材料風化、材料碳化等3項檢測指標的評定標度，按式（2）計算確定結構、構件截面損傷的綜合評定標度R。

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

式中：Rj為某項檢測指標評定標度；αj某項檢測指標權重值；Σαj為1，按《評定規程》取值。

根據截面損傷的綜合評定標度R，查表得：ζc=0.99。

4.2 承載能力檢算公式

毛坪礦山老橋為鋼筋混凝土肋拱橋梁，依照橋梁的檢算結果，根據式（3）進行相關計算、評定。

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

式中：γ為結構的重要性系數；R（fd，ζc，ad）為抗力效應函數方程；S為荷載效應函數；fd為材料設計強度；ad為結構尺寸；Z1為承載能力檢算系數；ζc為截面折減系數。

4.3 承載能力檢算結果

本橋后期主要規劃為人行橋，通過建模分析，按公路橋涵通用規范輸入滿人荷載（3 kN/m2）及荷載組合系數及檢算系數驗算不利組合工況下主要承重結構承載能力。經過驗算，承載能力極限狀態下，拱肋結構控制截面正截面抗彎強度大于該截面的最不利內力組合值[5]；拱肋結構斜截面抗剪強度大于該截面的最不利內力組合值；拱肋結構偏心抗壓強度大于該截面的最不利內力組合值[6]。表明最不利內力組合工況下，本橋結構承載能力滿足設計規范要求，同時也表明本橋拱肋結構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，在頻域中進行譜分析，在時域中進行時程分析。毛坪礦山老橋豎向一階基頻計算值見圖3，實測豎向一階基頻見圖4所示。

6 檢測結論

第一，依據《公路橋涵養護規范》（JTG H11-2004），毛坪礦礦山老橋的總體技術狀況評定等級為四類橋梁，承重結構主拱肋劃分為三類。建議對橋梁結構存在的主要病害構件進行針對性的維修處治后，方可開放橋梁人行交通。

第二，經過承載能力檢算，最不利內力組合工況下，本橋結構承載能力滿足設計規范要求。同時也表明本橋拱肋結構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、分析結果能夠知道，該橋的豎向振動實測基礎頻率是大于理論基礎頻率的，表示該橋在實際結構豎向動剛度上是大于理論計算動剛度的，說明老橋橋梁結構動剛度略有富余，滿足兩輪摩托車正常行駛要求。

7 結語

橋梁病害檢測需要結合現行規范要求，采用相應檢測手段進行全面檢測及技術狀況評定。

舊橋橋梁承載力評定宜在荷載試驗和承載能力檢算兩種方法進行對比，以選出比較合理、經濟的檢測方案。

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

參考文獻

[1] 劉讓汝.超齡服役橋梁實際承載能力評定方法探討[J].公路工程，2019，44（1）：216-221.

[2] 劉士俊，劉洪濤.鋼筋混凝土桁架拱橋的承載能力檢測與評估[J].公路交通科技（應用技術版），2011（8）：240-243.

[3] JTG H11－2004.公路橋涵養護規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4] JTG/T J21-2011.公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 張俊玲.鋼筋混凝土板橋承載力及技術狀況評定[J].湖南交通科技，2017，43（1）：132-136.

[6] 王汝明，金學哲.既有勁性骨架混凝土拱橋承載能力評估方法研究[J].公路交通科技（應用技術版），2017（5）：167-169.