钢筋混凝土拱桥的检测与评估研究

司秀勇，王高续，施 洲

(1.燕山大学，河北 秦皇岛 066004;2.中华人民共和国武装警察部队 交通第七支队，河北 秦皇岛 066004;3.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

1 混凝土桥梁检测评估研究进展

既有桥梁的检测评估问题早在20个世纪50年代就已提出，在1976年由西方24个国家组成的经济合作与发展组织(OECD)完成相关桥梁检测、承载能力评估及桥梁养护的研究报告。自1988年，日本召开了混凝土结构的重新评估的国际会议;英国则于1990，1993，1996年三次召开国家桥梁检测评估为内容的管理会议。近年来，欧美等国家对于桥梁工程领域的研究重点早已转移至既有桥梁的评估、养护维修、加固等方面的研究。

在工程实践应用方面，丹麦、芬兰、法国、德国等国家都具备大量而详尽的桥梁检测标准，包括检测规范、维护修复手册和指南。法国的检测周期为每9年至少一次，其它大多数欧洲国家的检测周期为5年—6年，短于欧洲国家一般规定的最大周期，从长期来看，这种高频率的桥梁检测保证了人力和资金的合理分配［1］。国内在公路、铁路均有详细的养护与检测评定规范，规定了桥梁的养护检测方法与相应的养护周期等。

桥梁由于受结构设计、施工质量、承受荷载、周围环境中温度、湿度、风、环境侵蚀等各种因素的影响，桥梁的病害与损伤是非常复杂的。对于混凝土桥梁，混凝土材料本身受众多因素的影响使得混凝土易于开裂、碳化、剥落等。因此，混凝土桥梁的检测评估问题更为复杂。既有混凝土桥梁数目巨大，所处环境复杂使得评估工作量巨大且难以准确评定桥梁技术状况，目前，在全世界范围内已成为工程领域的难题。

2 桥梁评估内容

2.1 桥梁评估的定义

桥梁评估是评定承载能力、确定材料现有强度或对结构构件条件状况的分类［2］。英国于1993年颁布实行的桥梁评估文件中对评估的定义是“调查并根据规定的车辆荷载等级确定结构的承载能力”［3］。由于桥梁评估涉及的范围和考虑因素较多，大部分评估的重点是桥梁承载能力。一种较为全面的定义是利用特定信息，分析既有桥梁可靠性并作出工程决策的过程。

2.2 桥梁评估内容

桥梁评估内容包括安全性、适用性、耐久性三个方面的要求。结构可靠度定义是在设计基准期限和规定条件(正常设计、施工和使用)内完成预定功能的概率，预定功能是指能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力(即安全性);在正常使用时具有良好的工作性能(即适用性);在正常维护下具有足够的耐久性能(耐久性)。

影响结构可靠度的因素主要有荷载、材料强度、施工误差和环境侵蚀损伤等，这些因素一般都是随机的，因此，为了保证结构具有应有的可靠度，仅仅在设计上加以控制是远远不够的，必须同时加强维护管理，对材料和桥梁构件的生产质量进行控制和验收，对在役结构进行周期性检测评估，以保持正常的结构使用条件。

桥梁结构的承载能力与结构或构件的极限强度、稳定性能等因素有关。承载力评估的目的是确定结构的实际安全储备，以免使用阶段中出现灾难性后果。适用性评估包括对结构或构件正常使用中出现的变形、裂缝和振动评估等。它对确定工作条件和指导日常维护十分重要。耐久性评估主要针对结构损伤、损伤成因、损伤对物理材料特性的影响，其结果有助于预测结构使用寿命。

桥梁评估基本分为资料收集、分析评价和方案决策三大部分。桥梁评估的前期工作是收集资料，主要包括计算书和图纸、既有桥梁加固维修资料，甚至通过荷载试验等手段获得结构相应资料等。依据所得资料分析桥梁结构的通行能力或损伤状况等，从而通过结构分析确定桥梁承载力。根据承载力是否满足要求，确定是否需要进一步确定材料特性并再次评估承载力。最后限制荷载等级、选择加固方案或者拆除重建。

3 既有桥梁评估的方法

3.1 基于外观调查的方法

基于外观调查的方法是根据我国《公路桥涵养护规范(JTG H11—2004)》，由有经验的技术人员根据旧桥外观评定桥梁实际技术状态的方法。外观调查主要通过桥梁检查人员的目测及有关量测仪器对桥梁进行观测，同时需要测量主要承重结构的几何尺寸，对于钢筋混凝土桥梁，还需要检查钢筋布置情况以及混凝土材料的有关性能，依据桥梁的缺陷和损伤分析其成因。

3.2 专家意见调查

专家意见调查通过直接收集、分析、归纳专家意见，对某一桥梁的承载能力等技术状况作出量化评估的方法。在缺乏相关资料的情况下，可以凭借专家经验对新评估事件给出有价值的估计，该方法可以用于辅助性的桥梁评估。由于在调查中存在着主观性偏差，这种偏差可分为动机偏差和认识偏差，前者是专家对被调查的事物有冲突，在提供意见时因主观意识产生的偏差，后者则是在形成意见中无意产生的偏差，来源于知识局限性以及个人习惯。可以用匿名调查方式减少动机偏差，加强情况介绍与讨论以减少认识偏差，在综合分析中取出离散性数值。但目前该方法应用较少。

3.3 荷载试验法

根据荷载作用性质的不同，荷载试验可分为静载试验和动载试验。

静载试验:静载试验的内容一般包括强度(应力)测试和刚度(挠度)测试，其目的是推算对应的荷载等级和承载能力。如果试验荷载过小，产生的结构响应不明显，由此推出的结构承载能力误差可能较大。相反，如果试验荷载过大，可能出现较为严重的结构损伤甚至结构性破坏，带来不利后果。因此，试验荷载的大小应该在某一个固定的范围之内，即试验荷载效应为设计荷载效应的0.85～1.05倍。

动载试验:动载试验内容包括脉动试验、行车试验和跳车试验，从试验得到的行车和跳车冲击系数可以判断出加固措施是否有效。脉动试验通过对结构自振特性的测定，得出结构的自振频率、阻尼比。进而计算出整体结构的横向和纵向刚度。行车试验是指在桥面无任何障碍的情况下，用1辆重载汽车沿试验跨桥面中轴线，以逐级递增的均匀速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应。跳车试验方法与行车试验相似。不同的是，需在桥跨结构测试截面处桥面设置三角形木板等障碍物，模拟桥面铺装局部损伤状态，以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应，同时限定车速在合适范围内(通常小于行车速度)。

荷载试验法由于其理论基础为结构静力学与动力学，思路清晰。对强度、刚度、动力特性等承载能力的评定具备准确性强，易操作等优点，因此在既有桥梁评估中应用十分广泛。但是需要指出，荷载试验仍然具有如下限制性:动载试验确定的冲击系数与桥梁的承载能力目前仍缺乏更加直接的联系;荷载试验费用较大;可能带来结构性损伤或者影响正常交通运营。

3.4 基于设计规范的方法

桥梁评估阶段能够获取更加准确的实际荷载和材料强度收集更多的信息。并且桥梁设计通常采用弹性分析确定荷载效应，在承载能力极限状态下使用叠加原理偏于保守。而在评估过程中，采用非线性分析和极限分析能够保证更精确和合理的分析。这些信息差别和分析方法的差异影响到荷载等级、抗力及结构分析等差异的量化方面。

4 钢筋混凝土拱桥的检测评定实例

4.1 工程概况

某钢筋混凝土拱桥为一高速公路桥梁，是一座跨度为3×60 m的空腹式肋拱桥，桥梁宽度为24.5 m，纵向坡度为3.88%，分上下行车道，当时设计荷载等级为汽超—20，验算荷载为挂—120。该桥竣工运营数年后，通过检测发现桥梁伸缩缝与横置桥面板处的桥梁铺装层产生裂缝等病害，并产生较大的冲击，检测决定进行桥面系的加固改造，一年后针对该桥又对主拱肋进行了加固改造，在两次加固改造前后分别对该桥进行了检测及荷载试验。以该桥为例，介绍国内桥梁检测、评估及加固等决策特点。

4.2 加固前检测与试验

在按照桥梁养护规范对桥梁各构件进行检测，发现桥跨结构存在如下所述的一些病害。

1)桥面系:大部分桥面板存在明显的开裂现象，桥面板的支承不平整，部分桥面板与立柱纵向连续梁之间未铺砂浆或其它垫层，板梁间最大间隙达4 cm;大部分桥面板之间的铰缝不密实，并有部分铰缝仅用木条填塞或未制作，形成单板受力的不利状态;中跨靠第一跨拱顶纵墙起始位置处桥面板损坏严重，其下翼缘混凝土有部分脱落，有2根主钢筋已露出。桥面铺装层多处出现裂缝，部分位置处的铺装层已经破坏。在伸缩缝及变形缝附近的桥面均有不同程度的开裂，伸缩缝及变形缝已有较严重的损坏。

2)拱上连续梁:第一跨端部上、下游连续梁的支座处于固结状态，其它位置处的橡胶支座工作状态不良，为点式接触或局部接触;大部分立柱位置处连续梁上缘有裂缝，其裂缝形式如图1所示。

图1 拱上连续梁裂缝的分布

3)墩台:第一跨起1#桥台顶面中央位置附近出现0.8 mm宽的通长裂缝，裂缝深度23.4 cm左右;2#桥墩顶面中央位置附近出现1.8 mm宽的通长裂缝，并向两侧延伸达90 cm，顶面裂缝深度3 cm左右。

4)构件强度:用超声回弹综合法对桥梁各构件(包括拱肋、立柱、连续梁及桥面板)的混凝土强度进行检测，结果表明连续梁、桥面板、立柱混凝土强度均大于设计的 C30级，拱肋部分区域混凝土强度小于C40级。

5)除常规检测外，还对该桥第二跨及第三跨进行了静力加载试验以及动力性能试验。试验结果表明:桥跨主拱结构卸载后基本无残余变形，说明结构尚处于弹性受力状态。拱圈实测应力值均小于计算值，应力结构效验系数介于0.59～0.97之间，基本在合理范围内。拱圈实测挠度结构校验系数介于0.84～1.23之间，部分超出正常范围，表明与设计受力状态相比，主拱圈刚度发生了变化。对桥跨结构自振特性测试表明:主拱结构竖向基频为2.402 Hz，横向基频为1.338 Hz，表明主拱结构具有足够的竖向刚度，与同类型桥梁相比而言横向刚度偏小。实测主拱行车冲击系数峰值为1.68，跳车冲击系数峰值为2.95，冲击作用较为明显。

4.3 检测后的加固措施

针对检测发现的问题，为修改与提高桥梁结构的适用性，对该桥进行加固改造，对拱上结构及拱肋进行加固。

拱上结构加固改造措施如下:为保证铰缝的传力强度及桥面铺装参与受力，取消原沥青混凝土面层，桥面铺装施作10 cm厚钢纤维混凝土，并设加强的桥面铺装钢筋网;针对桥面板的刚度不足，尤其是伸缩缝处的 1#、2#、3#板受力大，挠度大，为此废除原 1#、2#、3#板，重新预制、安装用工字钢加强的边板，并改善伸缩缝的结构，采用 CD-60型型钢伸缩缝;对于强度不足的纵梁，采用粘贴钢板的方式加强纵梁的承载能力;将桥面板的支点全部改为板式橡胶支座，每块板支垫四块支座。

拱肋加固措施如下:拱脚截面加固在拱脚处外弧长度为8.5 m的范围内原拱肋截面基础上外包一定厚度的新混凝土，施工时采用旧混凝土表面凿毛、清洗、涂界面剂并植入钢筋的方法来加强新老混凝土的结合受力。拱顶截面加固在拱顶处内弧长度为24 m的范围内进行粘贴钢板的方法加固，加固过程中，选择合适厚度的钢板，并进行钢板与混凝土的表面处理后粘贴钢板，最后对钢板外侧进行防腐涂装。拱肋的加固如图2、图3示意。

图2 拱脚拱肋截面加固布置示意(单位:cm)

图3 拱顶拱肋截面加固布置示意(单位:cm)

4.4 加固处治后的检测与试验评估

1)加固后静载试验

在加固后检测中，未发现结构异常情况。在加固后静动力试验中，将试验结果与加固前进行对比分析。

主拱结构强度静态试验中，拱顶截面(A-A)及右拱脚(C-C)截面实测应力结果与对比分析如表1所示。其中应力值以压应力为正，拉应力为负。表1中实测数据是两片拱肋的实测平均值。可见，拱上结构加固改造后，拱顶截面加载下缘应力校验系数有所减小而上缘基本无变化，说明桥面系改造后桥面参与拱顶截面受力程度有所增大;右拱脚截面上下缘应力及校验系数均显著降低，说明拱上结构的加强使得荷载传布范围更大，因此拱脚实际受力有一定程度下降。

表1 左副桥第二跨拱圈加固前后各试验工况应力结构校验系数比较

主拱结构刚度的静载试验中，加固前后第二跨拱顶及右拱脚加载工况下实测挠度值对比情况见表2。挠度值以向下为正，向上为负。表中实测数据同样是以两片拱肋的实测平均值。桥跨结构加固前拱顶及右拱脚加载工况挠度校验系数分别为0.89和1.17，表明主拱肋结构刚度已明显不足。加固后A-A及C-C加载工况挠度校验系数均有不同程度的减小，分别为0.72和0.88，已处于合理范围。可见加固后结构刚度得到较为有效的改善。

表2 左副桥第二跨拱圈加固前后各试验工况挠度结构校验系数比较

全桥经过荷载效率系数为0.85～1.05的静载试验后，得到以下结论:由于拱顶处拱肋截面及拱上建筑具有一定的联合受力作用，而在理论计算中难以准确考虑此因素，因而导致计算值与实测值有一定差异，其余试验测试截面的应力结构校验系数均在合理范围内。通过对比拱肋加固前后的应力测试结果，可以看出，拱肋加固方法效果明显，结构强度得到一定改善。各试验加载工况挠度结构校验系数均在合理范围内。通过对比加固前后拱肋挠度测试结果，可以看出，拱肋加固后，结构刚度得到较为有效的改善。

2)加固后动力试验

自振特性的测试采用环境激励法，各阶自振频率对应的阻尼比利用功率谱进行估算。

实测第二跨拱圈结构竖向、横向一阶频谱图见图4、图5。主拱圈各阶自振频率及对应的阻尼比见表3，竖向横向一阶振型图见图6、图7。实测横向一阶频率由加固前的1.387 Hz提高至1.440 Hz，实测竖向一阶频率由加固前的2.471 Hz提高至2.568 Hz。

图4 第二跨拱圈竖向一阶实测频谱图

图5 第二跨拱圈横向一阶实测频谱图

表3 自振频率及对应阻尼比

行车激振试验的动载加载形式分为无障碍行车试验及跳车试验，用一辆载重汽车作为加载荷载，无障碍行车车速10～60 km/h，跳车试验行车车速5～30 km/h。

桥跨加固后拱顶截面的冲击系数有明显改善。行车冲击系数在加固前后基本在1.00～1.13之间。加固前跳车冲击系数介于1.57～2.91之间，加固后跳车冲击系数介于1.16～1.70之间。通过对比加固前后的对应冲击系数峰值可以看出，拱圈截面加固后实测行车冲击系数及跳车冲击系数均整体上明显减小，表明加固效果较好，拱圈整体受力性能得到加强。

图6 桥跨拱圈实测竖向一阶振型图

图7 桥跨拱圈实测横向一阶振型图

5 结论

介绍桥梁评估的方法，以某钢筋混凝土拱桥为例，详细介绍桥梁检测试验、加固和加固后试验的全过程。检测与荷载试验发现，该桥桥面板开裂与铰接缝破损等病害、拱上连续梁开裂，以及行车冲击显著，均为拱桥整体刚度不足所致。在检测试验的基础上，进行了桥面板、拱上连续梁及拱肋的加固处理，加固后又进行了荷载试验，结果表明，桥梁结构刚度显著提高，结构整体性加强，行车冲击作用明显降低。

［1］李亚东.既有桥梁评估初探［J］.桥梁建设，1997(3):18-21.

［2］杨文渊，徐犇.桥梁维护与加固［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［3］白光亮，蒲黔辉，薛爱.某双曲拱桥静动载试验与加固方法［J］.铁道建筑，2008(9):39-42.