基于桥梁特殊检测的普通钢筋混凝土刚架拱桥工作性能评价

■高 昊

(福建省福泉高速公路有限公司，福州 350000)

0 前言

刚架拱桥是指外形似斜腿刚架的拱桥，由刚架拱片、横系梁与桥面系组成。刚架拱片是拱肋与拱上建筑组成整体的承重结构，立面上略呈拱形，其间用横系梁和桥面系连接成整体共同受力。刚架拱桥是在双曲拱桥、桁架拱桥、肋拱桥和斜腿刚构桥等基础上，结合我国拱桥特点及无支架施工经验而发展起来的新桥型，属于有推力的高次超静定结构，其大部分构件偏心受压，无纯拉构件，可以充分利用混凝土抗压能力强的特点。

由于刚架拱桥结构线条简单、外形美观大方、施工简便、造价低，适用于地基较差的桥位处，所以在全国范围内得到广泛应用。但是刚架拱桥是预制安装，存在主拱肋微弯板、混凝土填平层及桥面铺装间的连接强度不足、横向和纵向刚度偏弱等缺点，再加上施工中采用的原材料不合格、施工过程不规范出现的质量问题，桥梁缺少养护或养护力度不够，以及这些年来日益增加的交通压力，原有的桥梁结构便出现了各种病害，无法满足现在交通的需求，影响了桥梁的使用和行车安全。

1 工程概况

本文工程实例为某省道上的一座普通钢筋混凝土刚架拱桥，桥梁全长60m，设计桥型为单孔刚架拱桥，净跨径为50m，净矢高为6.25m，矢跨比1/8。上部结构由4片刚架拱片、横系梁和微弯板组成，拱片曲线部分采用二次抛物线结构形式，微弯板采用6cm厚、F0/L0=1/10的结构形式，刚架拱拱片、横系梁采用搭架现浇，微弯板采用预制安装。桥面布置为净9.00m(行车道)+2×0.50m(安全带)，桥面铺装钢筋混凝土，厚度为桥中19.00cm，双向横坡1.50%。现浇桥面采用30#防水混凝土，上部结构各部件均采用40#混凝土，主筋采用Ⅱ级钢筋，其它采用Ⅰ级钢筋。下部构造为U型桥台、片石混凝土明挖扩大基础。台帽及拱座采用20#混凝土，台身采用7.5#水泥砂浆砌块、片石，外围采用7.5#水泥砂浆细料石镶石，基础采用15#片石混凝土。

桥梁设计荷载：汽车-20、挂车-100。洪水设计或然率为100年一遇。桥跨结构总体布置如图1所示。

为了解桥跨主体结构在荷载作用下的实际受力状态，检验结构是否满足公路Ⅰ级正常行车使用要求，我们对该桥进行了特殊检测，评价桥跨结构的工作性能。

图1 桥梁总体布置图及试验测试截面示意图

2 缺损状况检查及病害成因分析

2.1 缺损状况检查结果

根据施工设计图纸，对该桥现有桥面系、上部结构和下部结构等目所能及的部位进行外观检查。检查的外观病害情况如下：

(1)上部结构：刚架拱片出现混凝土掉块3处，共计面积S=0.23m2，水平裂缝1条，缝宽1.00mm，缝长 0.50m；微弯板出现混凝土掉块露筋2处，共计面积S=0.37m2，横向裂缝流白灰1条，长1.20m；横系梁出现混凝土麻面露筋2处，共计面积S=0.12m2。

(2)下部结构：桥台砌石出现断裂1处，长0.60m；渗水、流白灰1处，长1.00m；竖向裂缝2条，最大缝宽0.20mm，缝长1.20m；砌石勾缝脱落1处；桥台台身渗水、长草。

(3)桥面系：两端伸缩缝处下游侧路缘石均出现上下、左右错位，最大1.8cm；大里程侧桥头搭板处下游侧护栏，1处破损；桥头搭板坑槽2处，共计面积S=2.45m2；路缘石3处开裂，最大缝宽1.60mm，长0.90m；桥面横向裂缝10条，最大缝宽1.60mm，长5.00m；两端伸缩缝均橡胶体破损、砂土堆积。

根据 《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)，该桥总体技术状况等级评定为3类。

2.2 病害成因

(1)4#拱片大里程侧拱脚2处混凝土掉块是由于附近开挖施工时大石块撞击造成的；

(2)拱片、微弯板、横系梁局部存在蜂窝、麻面、掉块、露筋等现象，主要与施工时振捣不实或漏浆有关；

(3)1#桥台下游侧1处砌石断裂可能是由于在长期荷载作用下产生不均匀沉降以及土方堆积造成桥台侧土压力发生变化引起的；

(4)桥台出现不同程度流白灰主要与在渗水作用下混凝土内部渗出的石灰类附着物有关；

(5)大里程侧桥头搭板下游侧护栏存在1处破损是由于重车碰撞导致；

(6)两端伸缩缝橡胶体破损、砂土堆积是由于长期车辆荷载作用和养护不到位导致；

(7)全桥桥面铺装局部出现裂缝，是由于在长期车辆荷载作用下形成。

3 材质状况与状态参数检测

3.1 几何形态参数检测

采用全站仪分别对该桥各拱片下边缘线形进行测量(10等分，共11个截面)。以拱脚处高程为测量零点，测得各拱片线形对比如图2所示。

根据测量结果可知，拱片线形实测值与设计值偏差为0～18mm，在规范允许偏差±40mm范围内。考虑到施工误差、测量误差及车辆荷载的影响，该桥拱片线形与设计线形基本吻合。

3.2 钢筋保护层厚度检测

对各拱片底部主筋的保护层厚度进行检测，每个拱片1个测区20个测点，根据拱片钢筋保护层厚度特征值Dne与设计值Dnd的比值，确定钢筋保护层厚度评定标度。

检测结果表明，所测4片拱片的钢筋保护层厚度评定标度均为1，钢筋保护层厚度对结构钢筋耐久性影响不显著。

图2 各拱片线形对比图

3.3 材质强度和碳化状况检测

采用回弹法对各拱片进行混凝土强度回弹测试，每个拱片10个测区，并按比例进行混凝土碳化深度测试，根据碳化深度测试结果进行回弹强度修正。

根据构件实测强度推定值与强度设计值的比值，计算其推定强度匀质系数Kbt，确定混凝土强度评定标度。根据构件各测区混凝土碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值Kc，确定混凝土碳化评定标度。

检测结果表明，所测4片拱片的混凝土碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值Kc均小于0.5，碳化深度评定标度均为1；混凝土推定强度匀质系数Kbt均大于0.95，强度评定标度均为1，拱片材质强度状况良好。

3.4 钢筋锈蚀电位检测

采用半电池电位法对各拱片进行钢筋锈蚀电位水平检测，每个拱片1个测区20个测点，根据测区锈蚀电位水平最低值，确定钢筋锈蚀电位评定标度。

检测结果表明，所测4片拱片的电位水平最低值均处于（-200，-300]mV范围，钢筋锈蚀电位评定标度均为2，说明拱片钢筋具有锈蚀活动性，但锈蚀状态不确定，可能坑蚀。

4 荷载试验结果及分析

4.1 静载试验

4.1.1 静载试验工况及检验对象

根据该桥设计图纸和现场实测资料，应用MIDAS计算软件进行建模计算，模型见图3。根据各跨拱轴线变化后的桥跨结构受力特点，确定试验工况，具体见表1，主要测试截面见图1。以汽车-20，挂车-100活载产生的最不利效应值等效换算，确定所需试验荷载、加载车辆和轮位。

表1 试验测试内容

图3 刚架拱桥计算模型图

4.1.2 测点布置

应变测点：在跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)、L/4截面(Ⅱ-Ⅱ最大负弯矩)和拱脚截面(Ⅲ-Ⅲ)的各拱肋拱底位置粘贴混凝土应变片，各控制截面应变测点布置见图4。

图4 控制截面应变测点布置图

挠度测点：在跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)和L/4截面(Ⅱ-Ⅱ最大正弯矩)各拱片顶部中心对应桥面位置布设塔尺，各控制截面挠度测点布置见图5。

裂缝观测：观测各试验工况作用下相应截面的裂缝开展情况。

图5 控制截面挠度测点布置图

4.1.3 静载试验结果及分析

静载试验结果表明，跨中截面挠度校验系数为0.79～0.85，相对残余挠度最大值为10.7%；L/4截面(最大正弯矩)挠度校验系数为0.83～0.93，相对残余挠度最大值为12.1%。各测试截面挠度校验系数均小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)(以下简称 《规程》)规定的限值1.00，相对残余挠度最大值均小于《规程》规定的20%。说明该桥刚度总体上满足设计要求，结构处于弹性工作状态。

跨中截面应变校验系数为0.84～0.87，相对残余应变最大值为1.4%；L/4截面 (最大负弯矩)应变校验系数为0.72～0.93，相对残余应变最大值为1.7%；拱脚截面应变校验系数为0.82～0.98，相对残余应变最大值为10.2%。虽然各测试截面应变校验系数均小于 《规程》规定的限值1.00，相对残余应变最大值均小于《规程》规定的20%，但是拱脚截面的应变校验系数最大值达到0.98，接近于限值1.00，表明结构截面强度安全富余度较低。

各工况下相应控制截面未见新裂缝产生。

4.2 动载试验

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比，以分析桥跨结构自振特性。

4.2.1 竖向自振特性试验

在桥面八分点位置上放置脉动传感器，实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该桥竖向测点时域波形图和频谱图如图6所示，桥跨结构实测竖向1阶模态参数及其与理论值的比较如图7所示。

试验表明，该桥实测竖向前2阶自振频率分别为4.64Hz和8.11Hz，大于理论计算值4.44Hz和 7.85Hz，实测振型与理论计算振型一致。该桥跨结构竖向1阶频率实测值与理论值的比值为1.05，竖向自振频率评定标度为2。结构的动刚度满足要求。

4.2.2 横向自振特性试验

图6 竖向测点时域波形图和跨中测点频谱图

图7 实测与理论竖向自振频率及振型图比较

在桥面八分点位置上放置脉动传感器，实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该桥横向测点时域波形图和频谱图如图8所示，桥跨结构实测横向1阶模态参数及其与理论值的比较如图9所示。

图9 实测与理论横向自振频率及振型图比较

试验表明，该桥实测横向1阶自振频率为0.93Hz，大于理论计算值0.80Hz，实测振型与理论计算振型一致。该桥跨结构横向1阶频率实测值与理论值的比值为1.16，横向自振频率评定标度为1。结构的动刚度满足要求。

5 结论

通过对该刚架拱桥进行特殊检测，得到结论如下：

(1)桥梁总体技术状况等级评定为3类。

(2)拱片线形实测值与设计值偏差在规范允许偏差范围内，实测与设计线形基本吻合。

(3)拱片钢筋保护层厚度评定标度均为1，钢筋保护层厚度对结构钢筋耐久性影响不显著。

(4)拱片混凝土强度评定标度均为1，碳化深度评定标度均为1，混凝土强度状况良好。

(5)拱片钢筋锈蚀电位评定标度均为2，钢筋有锈蚀活动性，但锈蚀状态不确定，可能坑蚀。

(6)桥梁静载试验表明：该桥各测试截面挠度和应变校验系数均小于《规程》规定值1.00；各截面相对残余挠度和应变最大值为12.10%，小于《规程》规定值20%；但是校验系数最大值达到0.98，接近于规定限值1.00，表明结构截面强度安全富余度较低。

各工况下相应控制截面未见新裂缝产生。

(7)桥梁动载试验表明：该桥实测竖向和横向自振频率均大于相应理论计算值，实测振型与理论计算振型基本吻合，表明结构的动刚度满足要求。

综上所述，该刚架拱桥承载能力目前尚能满足公路Ⅰ级正常行车使用要求，但是承载能力富余度较低。

6 建议

为保证桥梁结构行车安全性和耐久性，需对桥梁病害进行修复或加固处理，具体建议如下：

(1)对桥梁构件做适当的保护措施，要求施工方在开挖过程中避免石头撞击事件再次发生，合理安排好土方的堆放，避免土方堆积对桥梁的正常使用造成影响；

(2)凿除蜂窝、麻面、流白灰、松散部位，采用环氧树脂砂浆修补；对漏筋处锈蚀钢筋进行除锈处理后采用环氧树脂砂浆修复；对裂缝做封闭处理；对护栏进行修复；

(3)今后营运中应注意加强对桥跨结构各受力控制截面支座等重要部件的检查和养护管理，建立永久性控制检测点，定期观测桥面挠度和桥台变位；

(4)条件允许情况下可对拱片进行加固处理；在加固之前，严格按原设计荷载等级要求通行，建议限载30t，严禁超限超载通行。