某城市旧桥检测评估与承载能力分析

辛宁

（山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250000）

1 工程概况

某桥位于某县城北路上，为单跨石拱桥，为Ⅲ类，Ⅰ等养护的城市桥梁。由于桥梁设计图纸缺失，根据现场尺寸调查，上部结构采用1×16.0m（净跨径）的等截面实腹式斜交石拱结构，斜交角为14.0o桥面宽度为21.85m，由2.35m（人行道+栏杆）+17.10m（车行道）+2.40m（人行道+栏杆）组成，拱圈正交宽度20.60m，净矢高为3.055m，净矢跨比为1/5.237，主拱圈厚度为0.70m；下部结构为浆砌块石重力式桥台；桥面采用沥青混凝土铺装。

2 检测目的

在南方某些地区圬工拱桥存在的数量很多，这些拱桥一般在运行了几十年甚至上百年后依然是屹立不倒，但不能忽略这些桥梁的结构性能，因为它们事关人们的出行安全。通过对某拱桥进行定期检测、静载试验、承载能力检算，以达到以下目的：

一是由于没有图纸资料，需要现场测量对其进行图纸还原，了解桥梁结构基本尺寸信息，并对桥梁做一个桥梁卡录入桥梁的大数据系统，方便以后对其相关信息的查阅。

二是通过对桥梁的外观和强度等方面的检查，对桥梁进行一次“全身的体检”，并对其外观进行技术状况评定，确定桥梁的等级状况，来判断桥梁的特性、损坏程度等，以此为基础得出桥梁的结构性能和耐久性。

三是测量桥梁在等效的设计荷载效应下的工作状态，判断桥梁是否满足设计的荷载要求，是否具有安全的使用条件。

3 病害情况调查

通过定期检查发现，桥面系主要存在以下病害。一是桥面铺装：0#台下游侧桥面铺装距0#台拱脚2.6m 处存在1 条横向非贯通裂缝，缝长约7.0m。二是桥头平顺：经现场检查，两侧桥头基本平顺。三是伸缩装置：经现场检查，桥面未见伸缩装置。四是排水系统：经现场检查，全桥采用纵横坡排水，排水基本顺畅。五是人行道：经现场检查，人行道累计存在5条横向裂缝，缝内沉积物堵塞。六是栏杆：经现场检查，栏杆未见明显病害。七是附属设施：经现场检查，纵桥向过桥管线托架未见明显病害，横桥向管线托架存在锈蚀现象[1]。上部结构主要存在以下病害。一是主拱圈：经现场检查，主拱圈累计存在5 处渗水痕迹。二是拱上建筑：经现场检查，下游侧墙累计14 处生长杂草。下部结构主要存在以下病害。一是桥台：经现场检查，0#台、1#台台身均受雨水浸蚀。二是翼墙：经现场检查，该桥翼墙未发现明显病害。三是基础：该桥基础无明显被河水冲刷或者被掏空情况，基础无明显的病害，通过观察桥面和桥台，桥台和桥面没有出现因不均匀沉降而产生的开裂，可以判断基础的技术状况良好，没有安全隐患[2]。根据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)，该桥技术状况评定结果按分层综合法评定为2 类，即桥梁有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响。

4 拱圈块石强度检测

采用钻孔取芯法对桥梁块石强度进行检测。由于钻芯法属于破损法检测，而主拱圈是拱桥的主要受力构件，因此此次取芯位置避开主拱圈，结合现场施工条件，在材料相近的侧墙上进行钻孔取芯。检测结果如表1所示，所检岩石芯样轴向抗压强度范围在83.1～86.2MPa 之间。

表1 岩石强度检测结果表

5 砂浆强度检测

采用贯入法对主拱圈砌筑砂浆进行检测。所检主拱圈砂浆贯入深度平均值为3.30mm，砂浆抗压强度换算值为12.7MPa。具体检测结果见表2。

表2 砂浆强度检测结果表

6 静载试验

6.1 静载试验工况及测试项目

根据石拱桥结构特点，设置三个静载试验工况，工况设置及相应测试内容见表3。

表3 静载试验测试内容

6.2 静载试验效率及车辆布置

该桥所在道路为某县主干道，设计图纸缺失，桥梁设计荷载等级不详，经与业主协商并结合《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）第10.0.3 条，试验按城-A 级荷载等级进行等效加载，静载试验荷载效率ηq按式（1）计算：

6.3 测点布置

通过挠度测试数值与计算数据的比较判断桥梁整体刚度，对桥梁做出是否达到设计要求与是否满足使用要求的判断。挠度采用精密水准仪进行测试。具体测点布置见图1。

图1 挠度测点布置图（单位：cm）

6.4 静载试验过程描述

在加载前要制订加载计划，分配好每个人的任务，有哪些人指挥交通，哪些人负责采集数据等，确保在安全的情况下，把数据采集完毕。

试验前准备工作，主要包括挠度测点处理、测试仪器安装及调试，静载试验安排在夜间（深夜至黎明前）近乎恒温的条件下进行。为减小塑性变形对荷载试验结果的影响，先对桥梁进行预加载，加载时间在20 分钟左右。预加载后，撤出加载车辆，在变形恢复并且稳定后，在进行正式加载。在进入正式荷载试验时，要分级进行加载。加载前先对数据进行清零，然后每级加载后持续几分钟，等待数据稳定后才进行读数。在加载的过程中，如果发现应变或者位移变化速度过快或者产生的裂缝超限并有继续扩展的迹象，便可以终止加载，以确保安全[3]。

6.5 试验结果与计算分析比较

6.5.1 计算分析

（1）空间有限元模型的建立

采用迈达斯软件对桥梁进行模拟，采用杆系模型，通过同时期的有资料的桥梁进行参考，对材料的参数进行模拟，用接近实际情况的模型得出最接近的理论数据，具体见图2。

图2 桥梁有限元模型

（2）汽车荷载的施加

利用有限元程序计算的汽车加载用CAD 图画出来，标明车辆的位置和数量，以及加载重量，以方便现场的加载。

（3）材料特性

计算中结构材料特性根据现场检测结果确定。

6.5.2 理论计算结果与实测结果的比较：

第一，在各工况下测量的挠度的实测值与理论值的比值范围在0.35～0.80 范围内，均小于1，符合规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的要求。

第二，卸载后，结构的位移恢复到原位，通过计算残余挠度与弹性位移的比值为5.56%，小于规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)规定的限值。得出该次荷载试验的理论值与残余变形值均符合要求。

6.5.3 裂缝观测

在各工况试验荷载作用下，通过对相应控制截面进行观测，结果表明加载过程中控制截面石块及砌缝均未见明显肉眼可见的新增裂缝及错位现象。

7 承载能力检算

7.1 荷载标准

该桥所在道路为某县主干道，设计图纸缺失，桥梁设计荷载等级不详，参考《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）第10.0.3 条，该报告优先选择城-A级荷载进行极限承载能力检算。

7.2 检算项目

第一，验算强度的截面有三个位置，如图3所示。

图3 验算强度的截面位置示意图

第二，圬工拱桥的稳定性验算。

7.3 截面材料及尺寸

第一，经现场检测，拱圈采用粗料石砌体，参考第4 节和第5 节材料检测结果，拱圈材料按MU80 石材和M10 砂浆考虑，依据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61—2005)第3.3.3 条，材料特性取值如下：

轴心抗压设计强度fcd= 5.844MPa；弯曲抗拉强度设计值ftmd= 0.059MPa；弹性模量E= 7300MPa。

第二，根据现场检测结果，截面尺寸，主拱圈厚度d=0.70m，宽度w=20.60m。

7.4 城-A 级荷载等级承载能力检算

7.4.1 荷载效应计算

通过用迈达斯模拟桥模型，得出各个验算截面的理论内力，用于验算拱圈截面极限强度。

按桥梁规范进行组合，当自重内力与活载内力同号时：

当自重内力与活载内力异号时：

7.4.2 截面抗力计算与验算

根据承载能力规范第7.1.2 条规定，在计算圬工结构承载能力极限状态的抗力效应时，应根据检测结果，采用引入检算系数或截面折减系数ξc的方法进行修正。根据检测状况，本文引入检算系数、截面折减系数ξc的方法进行修正[4]。

（1）承载能力检算系数Z2

试验结果表明该桥控制截面主要测点挠度校验系数最大值为0.8，根据检测评定规程《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的规定，Z2得值。

Z2=1.0

（2）截面折减系数ξc

结合桥梁外观检测及无损检测结果，本报告对截面折减系数ξc取值如下：

ξc= 0.98

（3）主拱圈截面强度验算

考虑承载力折减后，拱圈砌体截面的承载能力验算按式（4）进行：

截面强度验算汇总表见表4

表4 截面强度验算汇总表

从验算结果可以看出，该拱桥截面强度符合规范要求，桥梁承载能力满足城-A 级荷载等级使用要求。

8 结论

通过对跨石拱桥的定期检测、静载试验、承载能力检算，具体结论如下：

8.1 技术状况评定

《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)规定中，该桥技术状况评定结果按分层综合法评定为2 类，即桥梁有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响。

8.2 拱圈块石强度检测

采用钻孔取芯法对桥梁块石强度进行检测。由于钻芯法属于破损法检测，而主拱圈是拱桥的主要受力构件，因此取芯位置避开主拱圈，结合现场施工条件，在材料相近的侧墙上进行钻孔取芯。检测结果表明：所检岩石芯样轴向抗压强度在83.1～86.2MPa之间。

8.3 砂浆强度检测

所检主拱圈砂浆贯入深度平均值为3.3mm，砂浆抗压强度换算值为12.7MPa。

8.4 静载试验

第一，在各工况下测量的挠度的实测值与理论值的比值范围在0.35～0.80 范围内，均小于1，符合规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的要求。

第二，卸载后，结构的位移恢复到原位，通过计算残余挠度与弹性位移的比值为5.56%，小于规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)规定的限值。得出次荷该载试验的理论值与残余变形值均符合要求。

8.5 承载能力检算

在自重、城-A 级荷载和人群荷载效应基本组合作用下，该拱桥截面强度符合规范要求，桥梁承载能力满足城-A 级荷载等级使用要求。