基于山区石拱桥涵的检测和评定方法

许祥顺 陈永亮 张立涛 戴江涛++樊新舟

【摘要】随着既有桥涵数量越来越多和人们对桥涵安全意识的增强，国内外相续开展了桥涵检测、健康评定的研究，提出了许多理论和方法，一部分理论已很成熟并被应用在桥涵的检测和评定方面。

【关键词】石拱桥涵；检测；评定；检查；方法

Detection and Evaluation Method of Stone Arch Bridge Based on Mountain Area

Xu Xiang-shun1，Chen Yong-liang2，Zhang Li-tao2，Dai Jiang-tao2，Fan Xin-zhou2

（1.Xingtai City Local Road Management OfficeXingtaiHebei054000；

2.Xingtai City Highway Engineering Management OfficeXingtaiHebei054000）

【Abstract】With the increasing number of bridge and culverts and the increasing awareness of bridge and culvert safety， the research on bridge and culvert detection and health assessment has been carried out at home and abroad. Many theories and methods have been put forward. Some theories have been mature and applied in bridge Detection and assessment.

【Key words】Stone arch bridge；Detection；Assessment；Inspection；Method

1. 桥涵检测

1.1桥涵的检测目的和内容。

1.1.1检测的目的。

病害桥涵的维修利用、加固改造、提高荷载等级或者需要通过超重车辆等。

1.1.2桥涵检测的内容。

1.1.2.1外观检查。

按桥涵的构件分为：桥面系外观检查、桥涵上部结构检查、支座检查、墩台检查、墩台基础检查；

按检测对象分为：裂缝检查、混凝土碳化深度检查、混凝土强度检查、钢筋锈蚀检查、混凝土保护层厚度检查以及钢筋分布检查等。

1.1.2.2荷载试验检查。

（1）作用力的大小，包括试验荷载的大小、构件的内力、支座的反力、推力等；

（2）结构截面上各种应力、应变的分布状态及其大小；

（3）结构的各种静态变形，包括水平位移、竖向挠度、相对位移、转角等；

（4）结构局部的损坏现象，如裂缝的分布及其宽度、深度等；

（5）动力特性，如桥跨结构在车辆荷载下的强迫振动特性，如冲击系数、强迫振动频率、动位移和动应力，以及桥跨结构的自振特性，如自振频率、振型和阻尼特性等。

1.2桥涵的检测方法。

桥涵在长期的使用过程中不免会发生各种结构损伤，原因可能是人为因素，也可能是自然灾害。随着我国交通建设的迅速发展，交通运输量大幅度增加，行车密度及车辆载重越来越大，由于超载而造成桥涵结构的损伤继而加剧其自然老化。这些因素均导致了桥涵承载能力和耐久性的降低，甚至影响到运营的安全，由此而引起的一系列问题都需要相应的维修、改造和加固来解决，而这些工作又必须在对桥涵结构详细和系统的检测的基础上才能妥善进行。

桥涵的检测从方法上来讲分为桥涵一般调查、检测和静、动荷载试验。

1.2.1橋涵检查。

1.2.1.1桥涵调查。

桥涵调查可分为两个方面：一是向原桥涵设计和施工部门收集设计、施工、竣工文件，包括设计图纸、设计变更图纸、施工方案、质量检验及材料试验、竣工图纸等资料；二是向养护和管理部门了解桥涵运营状况，包括交通量的变化，重载车辆的通过，现有的交通情况，以及桥涵的养护、维修和过去所作桥涵加载试验资料情况，还要了解桥涵己有的缺陷及其发展历程等；三是对于缺乏设计资料和养护、维修、加固等记录的桥涵，要进行实桥调查和线形测量，做好图示记录，以备分析采用。

1.2.1.2桥涵的一般检查。

（1）桥涵的总体及细部尺寸的复核：对照竣工图，对桥涵总长总宽、上部构造高度、主梁尺寸等进行丈量和测量，并注意复核结果与原设计图的差异。

（2）桥面系的检查：主要检查全桥各孔的桥面标高及实际纵横坡和桥面平整度；桥面铺装层有无开裂、水泥混凝土面层有无磨耗、沥青面层有无老化；伸缩缝是否损坏，泄水孔能否正常使用等。

（3）主要承重构件的检查：主要检查主梁、桥面板、横隔板（梁）和结合面的状况。对主梁如发现恒载挠度明显过大，应量测恒载挠度。重点检查主梁跨中附近的垂直裂缝，记录其部位、走向、长度、宽度、间距、向上延伸的高度，向下有无在梁底穿透；应检查支座附近的斜向裂缝，主要记录其宽度和分布部位、有无延伸到结合面，并判明裂缝的性质；检查支座的功能、检查混凝土的外观是否有剥落、水渍、露筋等。对预制桥面板，应重点检查微弯板跨中有无纵向裂缝，记录其宽度、长度，有无横向裂缝和斜裂缝；预制桥面板安装时的砂浆是否饱满等。如设有横隔板（梁）时，应检查其跨中有无裂缝，其与主梁的连接有无损坏锈蚀等。预制桥面板和预制主梁间的砂浆接缝安装时砂浆是否饱满，是否有开裂，应检查裂缝的长度和宽度等。

1.2.1.3桥涵的特殊检查。

根据实际情况，在一般检查的基础上选择较重要的结构部位或具有典型病害的部位抽样进行特殊检查。

（1）钢筋现状的检查：主要检查混凝土内钢筋的分布，估测钢筋直径，探测混凝土保护层的厚度。

（2）混凝土强度检测：使用超声仪和回弹仪检测，根据回弹一超声综合法来检测混凝土的抗压强度及内部缺陷测试。

（3）钢筋锈蚀状况的检查：一是对露筋的混凝土，测试其钢筋与混凝土之间存在的电位，根据电位的水平来判明钢筋的锈蚀状况；二是测量混凝土的电阻率，根据电阻率的高低，来判断钢筋的锈蚀状况；三是测量混凝土的碳化深度，如碳化深度小于保护层厚度，则表明钢筋能受到较好的碱性保护；四是混凝土中氯化物的测定，是否足以诱发钢筋锈蚀。

1.2.2荷载试验检测法。

1.2.2.1静载试验检测方法。

静载试验检测法是通过对桥涵进行静载试验，量测与桥涵结构性能相关的参数。与桥涵工作性能相关的主要参数，有变形、挠度、应变、裂缝等。通过静载试验，可测出这些参数，从而分析结构的强度、刚度及抗裂性能，据此评定桥涵的承载能力状况。

桥涵的静载试验，一般需进行以下测试内容：

（1）结构的竖向挠度、侧向挠度和扭转变形。每个跨度内至少有3个测点，并取得最大的挠度及变形值，同时观测支座下沉值。为了验证所采用的计算理论试验，要实测控制截而的内力、挠度纵向和横向影响线。

（2）控制截面的应力分布、偏载特性。沿截面高度不少于5个测点，包括上、下缘和截面突变处。有些结构需测试支点及附近、横隔板附近剪应力和主拉应力，此时需将应变计布成应变花。

（3）支座的伸缩、转角，支座的沉降；墩顶位移及转角。

（4）观察初始作用荷载下是否己出现裂缝，仔细标明裂缝出现的位置、方向、角度、宽度及卸载后闭合情况。如果结构的控制截面变形、应力或裂缝扩展，在尚未加到预计最大试验荷载前，已提前达到或超过设计标准的允许值，应即停止加载，同时注意观察裂缝扩展情况，撤离仪器和人员。

（5）观察卸载后的残余变形。对于特殊结构而言，如悬索桥和斜拉桥，尚需观察索力和塔的变位并进行支座的测定。

1.2.2.2动载试验检测方法。

动力荷载试验的目的在于研究桥涵结构的动力性能，该性能是判断桥涵运营状况和承载能力的重要标志之一。动力系数是确定车辆荷载对桥涵动力作用的重要技术参数，直接影响到设计桥涵的安全与经济性能；桥涵过大的振动可引起乘客和行人的不舒适；桥涵自振频率处于某些范围时，可由外荷载引起共振的危险。近年来，研究者扩大动力检测方法的范围和功能。结构损伤的发生必然导致结构参数（刚度、阻尼和内部荷载）的改变。恰当地估计这些变化，就能给结构损伤状态的评定提供一个量化的方法。利用振动方法对桥涵进行损伤检测的基础是从桥涵振动模态的变化中能够估计出桥涵结构参数的变化。桥涵振动模态通常可用常规的试验模态分析测试方法得到。在桥涵的不同位置布置测点，通过结构损伤前后由这些测点记录的信息可提取出的桥涵振动模态特性参数的变化，以此来确定结构损伤发生的位置、大小及结构损伤的类型。

2. 桥涵评定

2.1桥涵评定的内容。

桥涵评定是利用特定信息，分析既有桥涵可靠性并为使桥涵保持一定水平的可靠性而做出相应工程决策的过程。在实际评定过程中，对中小桥涵与大型桥涵采取不同的评价方法，桥涵评定的方法大致可分为两大类：一类是以承载能力评价为主的方法，一类是以状态评价为主的综合评价方法。中小桥涵由于数量多分布广，一般通过定期或不定期的检测手段，对桥涵的承载能力做出评价。

2.2桥涵评定的依据。

检测评定工作一定要有据进行，不得偏离被检测评定桥涵的现状和具有法规效力的依据。

（1）委托方与被委托方签订的有效合同、协议及其附件。

（2）被检测评定桥涵所在地政府、政府主管部门及质检部门对该桥有關的指令、意见和要求等。

（3）委托方向被委托方提供该桥的原设计文件、施工文件及竣工验收文件等。

（4）国家部、委颁布的有关技术规范、标准等。

2.3桥涵评定的方法。

既有桥涵承载力评定方法大体上分为以下5种：综合评定方法、计算机智能分析方法、荷载试验方法、理论分析计算方法和基于结构可靠性理论的评定方法。

2.3.1综合评定方法。

目前，综合评定方法主要有以下三种：

（1）外观调查法

根据外观调查进行评定的方法，就是由有经验的桥涵技术人员对既有桥涵外观进行详细的检查，并根据检查结果对桥涵质量进行评定。此种方法仅能对结构进行定性评定，不能给出定量的损伤程度，且人为主观因素较多。

（2）层次分析法。

层次分析法是美国运筹学家在上世纪七十年代提出的。层次分析方法认为影响桥涵结构状况的因素非常多，有些因素影响虽小，但积累到一定程度就会发生质变，从而危及整个结构的使用状况。桥涵安全性评定不能单纯地考虑重要构件，也要兼顾次要构件，但也不能主次不分，使评定工作量大而繁杂。把定性因素定量化，并能在一定程度上检验和减少主观影响，使评价更趋于客观。目前在国内已逐步受到重视，并得到了一些实际应用。

（3）模糊综合评定法。

该方法是以模糊数学理论为基础，对实际问题进行模糊判断的综合评定方法。它以模糊数学为基础，应用模糊关系合成原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，进行综合评定的方法。为考虑多种因素对桥涵结构安全性的影响，将影响因素分为施工质量、材料和环境等三个方面及多个影响因素；建立评价结构安全性的指标体系，对各因素分别建立其对结构安全性影响的隶属函数，把模糊数学与层次分析法结合起来，应用模糊数学进行单因素评价，用层次分析法计算确定各层次因素间相对权重，最后对结构安全性进行模糊综合评价。

2.3.2计算机智能方法。

2.3.2.1专家系统评定法。

（1）专家系统评定方法就是用具有相当于专家知识和经验水平的计算机系统对既有桥涵进行评定。在桥涵领域，无论是在设计、施工还是管理方面，均存在一些不确定性的因素，这些因素大多难以用数值模型进行计算，但采用专家系统则可很好的解决。

（2）专家系统评定方法又可分为专家系统和专家意见调查两种类型。专家系统是利用计算机模拟经验丰富的专家的决策机理，对既有桥涵进行综合评定的智能软件系统，对损伤桥涵进行综合评定。专家意见调查，是指直接收集、分析、归纳专家意见，对桥涵安全性能作出评定的方法。

2.3.2.2神经网络方法。

（1）神经网络是一类模拟生物神经系统结构、有大量处理单元组成的非线性自适应动态系统，它具有学习能力、记忆能力、计算能力及智能处理功能，能在不同程度和层次上模仿大脑的信息、处理机理，具有非线性、非局域性、非定常性和非凸性等特点。其研究成果广泛应用于模式识别、自动控制、图像处理、语言识别等领域。

（2）神经网络法可降低评定过程中的人为因素，能较好地保证评定结果的客观性，但神经网络的学习需要大量的样本，如果积累的资料较少，其结果的准确性将存在一定的局限性。

2.3.3现场荷载试验方法。

现场荷载试验的方法有静力荷载试验方法和动力荷载试验方法，前者反映桥涵在静载作用下的结构工作性能而后者反映桥涵结构的动力性能。通过现场荷载试验可直接检测结构的实际承载力，其主要优点是直观，但试验设备复杂，技术难度高，经费支出大。在既有桥涵的评定中，它又多用于桥涵工作状态不明确情况下的评定和研究工作，以弥补根据外观调查评定和以分析计算为主的评定方法的不足。

2.3.4理论计算分析方法。

（1）基于设计规范的方法。

基于设计规范的评定方法以分析计算为主，在现场详尽的外观调查、资料收集（设计、施工、维修和加固资料）的基础上，对既有桥涵材料取样进行强度试验或无破损测定，以确定材料的实际抗压、抗拉强度、混凝土标号或石料标号，钢筋的锈蚀程度、结构的实际尺寸等，引入桥涵检算系数、耐久性恶化系数、截面折减系数和活载修正系数分别对极限状态方程中结构抗力效应和荷载效应进行修正，运用现行设计方法重新计算桥涵的承载能力，并通过比较以判定结构或构件的承载能力状况，從而对结构或构件的承载能力做出评定。

（2）基于损伤力学和疲劳断裂的方法。

损伤力学认为材料内部某点出现损伤是由于该点应变值超过了临界值，所造成的变形不能愈合，由此带来能量耗散。目前损伤力学在复合材料中应用比较成功，但用损伤能量释放率来评定混凝土材料的失效尚需更细致的试验和理论研究。相比之下，断裂力学在钢桥的安全评定中的应用则成熟得多。其中原因除了弹塑性断裂力学分析技术己经比较成熟外，主要是钢桥失效大多是由一条主裂纹失稳增长而造成，并且钢桥设计也比较多的考虑了线性损伤累积规则，这与断裂力学的理论基础是一致的。

2.3.5基于结构可靠性理论的方法。

以上四大类方法都是确定性的方法，可是对于影响桥涵承载力的很多因素都是不确定的和随机的，所以用确定性的方法来研究不确定性的问题就存在了一定的不合理性。可靠性理论是把结构的影响因素考虑为随机因素，然后按照一定的概率分布求结构的可靠性或其可靠指标。由于既有桥涵的随机因素和不确定因素比较多，所以应可靠度理论来求解桥涵可靠度是一种很好的方法，同时也是桥涵评定的的发展趋势。

3. 桥涵评定的不足

石拱桥涵的评定是一项非常复杂和困难的工作，目前还没有被广泛认可的结构评定程序。影响石拱桥涵的结构行为的参数较多，而且这些参数的改变会产生什么影响，现在很难给予定量考虑。另外，石拱桥涵结构中有许多无法从外部直接判定的内部构件。

目前可用于石拱桥涵承载能力评定的计算方法，包括简化的平面杆系模型和大型实体仿真有限元分析。但它们常常低估圬工拱桥的承载力，以至于可能为了桥涵重建、维护而采取不必要或不经济的解决方法。

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参考文献

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[4]湛润水，胡钊芳，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例.北京：人民交通出版社，2002.

[基金项目]河北省教育厅科技项目（Z2017037）.

[文章编号]1619-2737（2017）05-17-902