城市桥梁技术状况检测和荷载试验方法研究

李超群

（上海同济检测技术有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着我国经济实力不断提升，我国交通流量也快速增大。桥梁作为交通工程的重要组成部分，其安全问题受到了极大的重视。据交通运输部统计，截至2016年年底，我国共有公路桥梁80.53万座，中国的桥梁事业也已融入了世界桥梁事业的整体发展格局。与此同时，一些桥梁也逐步进入养护阶段，目前，我国接近40%的桥梁已进入老化期[1]。近年来，我国桥梁事故频发，造成伤亡惨重，这些事故并不仅仅由于桥梁老化或者外界因素影响而发生，也有部分是由于安全检测手段的不足而产生的。因此，桥梁的安全管理受到了社会各界的广泛关注。为确保城市桥梁在运营阶段的安全，需要对桥梁进行技术状况检测。

本文以一个城市跨线桥为例，从桥梁缺损状况、梁端斜裂缝状态、桥面相对标高、墩柱竖直度、桥下净空、桥梁材质、桥梁结构自振特性、铰缝损伤，以及荷载各个方面进行检测分析[2]，使用内窥镜法和超声层析成像法着重对此跨线桥存在的斜截面裂缝状况检测，并对其进行铰缝损伤专项检测，提升了检测的可靠性，为存在类似状况的城市桥梁提供处理经验。

1 工程概况

该工程跨线桥修建于1998年。设计车辆荷载等级为汽车-20级，挂车-100。桥梁为18跨预应力混凝土简支空心板梁桥，跨径组成为5×22 m+（17.5+30+30+17.5）m+4×22 m+（2×22+25+2×22）m。各跨度空心板梁信息见表1所列。

表1 各跨度空心板梁信息统计表

桥面总宽为18.0 m，桥宽布置为：0.25 m栏杆+1.75 m人行道+14.0 m车行道+1.75 m人行道+0.25 m栏杆。桥面铺装采用8 cm厚钢筋混凝土垫层+5.5 cm厚沥青混凝土面层。

全桥空心板梁梁端底面均采用板式橡胶支座，下部结构采用双排桩轻型桥台，桩柱式桥墩。桥台基础为8根直径0.6 m的PHC桩。墩身除部分桥墩为2根直径1.5 m圆形立柱外，其余桥墩墩身为2根1.2 m×1.0 m的矩形立柱，采用8根直径0.6 m的PHC桩。其30 m跨板梁设计混凝土标号为50号，剩余各跨板梁混凝土标号均为40号。桥墩盖梁和桥台台帽混凝土标号为40号和25号。

图1为该桥侧面之实景。

图1 桥梁侧面之实景

通过桥梁定期检测发现，该桥存在诸多严重结构性病害，其中4片预应力梁底板存在横向受力裂缝，部分空心板梁端部侧面存在斜向裂缝。这些病害已严重影响桥梁的承载能力和运营安全。为进一步确定桥梁的病害分布情况，以及桥梁病害对桥梁承载能力的影响，并为维修加固提供依据，故对该桥梁进行技术状况检测与荷载试验。

2 检测方案设计

2.1 检测目的

（1）通过对桥梁上部结构、下部结构及桥面系等部件的缺损状况检查，查明缺损和病害的部位、性质、严重程度，分析缺损和病害产生的主要原因。

（2）通过对桥梁桥面相对标高的测量，确定桥梁桥面线形是否平顺；检测墩柱竖直度，确定墩柱是否倾斜。

（3）为了解空心板梁的损坏程度，对空心板梁间铰缝进行专项检测。

（4）对桥梁进行静荷载试验，并对桥梁上部结构的主要控制截面进行承载能力检算，确定桥梁的承载能力。

2.2 检测内容

检测、试验和检算内容如下：桥梁缺损状况检查（包括上部结构、下部结构、桥面系及附属设施等）；梁端斜截面裂缝专项检测；桥面相对标高测量；墩柱直度检测；桥梁净空测量；桥梁材质状况检测；桥梁自振特性测试；桥梁铰缝专项检测；桥梁技术状况评定；桥梁检算；桥梁静载试验；桥梁承载能力评定。

3 桥梁检测结果

3.1 桥梁缺损状况检查与材质状况检测

3.1.1 桥梁缺损状况检查

以目检为主，对桥梁进行全方位观测。经检测发现，此跨线桥存在钢筋锈胀、渗水、裂缝、桥面破损严重等问题。

3.1.2 桥梁材质状况检测

对桥梁材质状况检测包含了混凝土强度抽检、钢筋锈蚀状况抽检、钢筋保护层厚度抽检、钢筋锈蚀点位检测。

经检测获得如下结论，见表2所列。

表2 桥梁材质状况情况统计表

3.2 梁端斜截面裂缝专项检测

斜裂缝检测作为该项目重要环节，采用内窥镜法与超声层析成像法相结合的检测方法。

3.2.1 检测原理

3.2.1.1 内窥镜法检测原理

内窥镜可用于人眼无法直接观察等场所的观测，可在不拆卸或破坏组装及设备停止运行的情况下实现无损检测。

3.2.1.2 超声层析成像法检测原理

超声层析成像是指在不损伤检测“对象”内部结构的条件下，利用超声源，从其外部用检测设备获得的投影数据，选用适当的数学模型和重建成像技术，反演出其内部位置的某物理量，并生成二维或三维图像以重现其内部特征。

3.2.2 检测方案

3.2.2.1 检测方法

首先采用内窥镜法进行普查，发现裂缝等病害后以照片形式存储，同时附加钢尺辅助定位，以便于对裂缝的走向、规模及空间状态进行描述。对于有疑问的病害位置，采用超声扫描成像法进行复测及定位。

3.2.2.2 测区布置

依据板梁应力应变特征，梁体裂缝等病害一般最早呈现在梁端，因此其箱梁病害检测以梁端2.0～2.7 m为主要检测区域。梁端每0.1 m布置一条测线，沿垂直方向依次观测板梁两侧面裂缝分布情况。

3.2.3 检测结果

该项检测对该桥梁18孔共计300片预制板梁梁端斜裂缝进行检测，对梁端截面裂缝检测结果见表3所列。

表3 板梁斜裂缝存在情况统计表

3.3 桥面相对标高及墩柱直度检测

3.3.1 桥面相对标高检测

图3为桥面线形曲线图。

图3 桥面线形曲线图

在标高测点处做好标记，采用闭合水准路线进行测量。据图3可知，桥面曲线整体平顺。经计算桥梁正交段桥面平均横坡1.7%。

3.3.2 墩柱直度检测

采用垂球测量墩柱在全高范围内的竖直度。根据桥梁墩柱竖直度的测量结果，和相关规定可知，共有四个墩柱超限。根据检测结果和现场检查看，没有发现墩柱在运营过程中发生倾斜的其他迹象。

3.4 铰缝损伤专项检测

该跨线桥目前上部结构板梁间铰缝在长期荷载作用下，出现了严重的病害，表现在桥下渗水严重、桥面铺装层纵向裂缝及破损。为了解空心板梁的损坏程度，该项检测对空心板梁间铰缝进行了专项检测。

3.4.1 测量方法与仪器

该项检测通过测量铰缝跨中两侧板梁的位移，得到铰缝跨中两侧的板梁的相对位移。相对位移大时，铰缝损坏程度较大；铰缝相对位移小时，铰缝损坏程度小。引入无量纲参数α[3]，可得公式（1）：

式中：Δ为实测相对位移，m；L为跨径，m；10 000为系数。

当α＜0.14时，认为铰缝完好，当0.14≤α≤0.57时，认为铰缝损坏。当α＞0.57时认为铰缝已破坏。

铰缝的两侧梁体的竖向位移采用多点动态位移检测系统BJQN-V进行测量，测量铰缝在20～30 min内在社会车辆通行状态下的动挠度。

3.4.2 检测结果

该项检测测量了4孔共24条铰缝动挠度差。由检测数据可知，当铰缝处无渗水、桥面无纵向裂缝时，铰缝状态完好。当铰缝处渗水，或桥面有纵向裂缝，或桥面有破碎带时，铰缝受到损伤，状态处于损坏或破坏状态（见表4）。

表4 铰缝损失程度情况统计表

根据铰缝专项检测结果分析和外观检查结果进行分类，桥梁铰缝受到损伤的总数为129条，占总数282条的46%。

3.5 桥梁结构自振测试及荷载试验

3.5.1 桥梁结构自振特性测试

桥梁结构的自振特性是指桥梁结构各阶振动频率和振型。对该桥梁结构进行自振特性测试目的是用测试结果来校验计算结果，确定自振特性评定标度。

以其中一个孔为例（见表5）。据表5所列，可以看出，此孔第1阶竖向振型为对称弯曲，自振频率为4.7 4 Hz，评定标度为1。

表5 桥梁竖向振动参数及评定统计表

3.5.2 荷载试验

通过静载试验对桥梁施加静力荷载作用，测定桥梁结构在试验荷载作用下的结构响应，据此进行承载能力评定[4]。试验分别进行应力测试、位移测试和裂缝宽监测[5]。

据检测结果显示，抽检孔桥在试验荷载作用下具有较好的弹性回复能力[6]，但部分斜裂缝为受力裂缝，斜截面强度已经不能满足原设计荷载要求。

4 检测结论与建议

根据桥梁技术状况检测结果，结合相关规范[7]，可认为该桥技术状况为D级（不合格状态）。

通过该项检测，对该跨线桥可提出以下处理建议：

（1）桥梁原设计荷载已经不能满足目前实际通行的车辆数量、载重的要求，建议桥梁大修时，更换桥梁上部结构板梁，提高桥梁荷载等级，以满足目前车辆通行的要求。

（2）对桥梁墩台钢筋锈胀处进行除锈，并修复保护层。

（3）对混凝土剥落的墩柱和盖梁，建议凿除表层混凝土，然后植筋，外包混凝土进行加固。

（4）维修加固完成后对桥梁进行限载，并加强桥梁的日常巡查与养护。

5 结语

从近年来发生的各种桥梁事故中，人们应当吸取教训，意识到城市桥梁的安全问题需要被极度重视。保证桥梁的安全，既需要施工人员的建设，也需要运营管理阶段的精心维护，通过技术状况检测，可以及时对桥梁进行合理的维护，也能够有效地降低事故发生的概率。

本文通过对某跨线桥的安全检测和荷载实验，从桥梁缺损状况、梁端斜裂缝状态、桥面相对标高、墩柱直度、桥下净空、桥梁材质、桥梁结构自振特性、铰缝损伤，以及荷载各个方面进行检测分析，较为系统地阐述了该跨线桥在技术状况检测阶段的工作方案，并着重介绍了对梁端斜截面裂缝专项检测，以及铰缝损伤专项检测。通过检测得出结论并给出处理建议，为类似工程提供经验和参考。

[1]刘印.桥梁安全管理的分析[J].湖南工业职业技术学院学报，2009，9（4）：7-9.

[2]JGJ/T 152-2008，城市桥梁检测与评定技术规范[S].

[3]钱寅泉.基于相对位移法的铰缝破损程度检测[J].公路交通科技，2012，29（7）：76-81.

[4]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[5]郝宝永.城市桥梁裂缝成因分析及防治研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[6]JGJ/T 23-2011，回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 [S].

[7]CJJ99-2003，城市桥梁养护技术规范 [S].