基于现场荷载试验的桥梁稳定性分析

田启滨

（四川华腾公路试验检测有限责任公司，四川 成都 610000）

1 工程概况

崇州大桥横跨西河，中心里程为6×40m 的上承式刚架拱桥，桥长272.4m，桥宽31m。设计荷载为汽车-20 级，挂车-100。本桥拱片、微弯板、横系梁、现浇桥面铺装层均采用30#混凝土，栏杆和墩台基础均采用20#混凝土，墩台拱座、桩柱、连系梁、墩上立柱及盖梁均采用25#混凝土，桥台台身采用15#混凝土。该桥竣工于1994 年12 月，目前两侧桥头设有限高架（限高3m）及限载牌（15t）。

上部结构：采用6×40m 钢筋混凝土刚架拱（矢跨比f0/L0=1/10），每跨横向由10 片钢筋混凝土拱片组成，拱片间铺设预制微弯板，并设置横系梁。上部构造设计除桥面板（每孔桥面板按桥梁纵向中轴线分两板现浇）、填平层及接头为现浇混凝土外，其余均为预制构件，且各构件间连接均采用钢筋焊接现浇混凝土接头。此外，为保证拱片与微弯板整体受力，拱片凸出部分与桥面填平层一并浇筑。

下部结构：桥台采用明挖柱式墩和U 型桥台的组合结构，桥墩采用明挖圆柱式桥墩，墩台基础均采用矩形基础，且置于中粗沙砾石层上（按崇州→元通方向将墩台依次编号为0#桥台、1#～5#桥墩、6#桥台）；桥墩墩柱上设置拱座、立柱及盖梁，且均预埋钢筋进行连接；其中3#桥墩为制动墩，拱座下设置10 根墩柱（墩柱直径为1.6m），其余墩台拱座下均设置5 根墩柱（墩柱直径为1.6m）；桥址两岸均设置人工整治后的浆砌卵石护岸。根据相关检测报告资料和现场探勘发现，本桥于2017 年对主河道中的桥墩进行了旋喷帷幕防护，具体整治措施为：在桥墩墩周设40cm 厚的C15 混凝土铺砌层（3#墩铺砌层纵桥向长16m、横桥向长39.2m；其余墩铺砌层纵桥向长13.6m、横桥向长39.2m），且在铺砌层四周设置1 圈长7.4mφ50cm 的旋喷帷幕桩。

桥面系：桥面为双向8 车道，桥面横向组成：栏杆（0.5m）+非机动车道（5.1m）+机动车道（19.8m）+非机动车道（5.1m）+栏杆（0.5m）。桥面铺装采用水泥混凝土；桥面设有排水孔，并结合车行道双向横坡（1.5%进行排水）；两侧栏杆采用钢筋混凝土结构，且栏杆表面涂装有装饰层，栏杆高1m；桥面设有中央隔离栏；桥面在对应各墩台位置处均设有1 道U 型镀锌铁皮型伸缩缝，全桥共计7 道伸缩缝；桥面上、下游两侧各设有7 盏路灯；桥面未设置标线用以划分人行道和车行道。

2 检测目的

为了评定崇州大桥目前的结构稳定性和工作性能，主要分为如下3 个方面。1）通过对桥梁结构现状及专项检查收集必要的资料，全面掌握桥梁各结构现有状况、破损程度、明确桥梁的病害原因，初步确定桥梁工作状态及使用性能，对桥梁进行技术状况评定[1]。2）通过动-静荷载试验，全面分析不同工况作用下的桥梁稳定性和工作状态，并评价桥梁的实际工作状态。3）根据实际测量结果，与动静荷载分析试验进行比较，对桥梁的稳定性进行综合评价，为桥梁改建和处置提供依据。

3 检测评定内容及方法

采用表观检测法和动-静荷载试验对崇州大桥的结构稳定性和工作性能进行评价，采用的主要技术手段和方法简要概述如下：1）采用现场目测和仪器检测相结合的方法，对主体桥梁进行外观性、材质状态、材料状态参数等进行检查，对桥梁各构件的缺损进行位置、特性等定性描述，然后辅以专业设备对缺损进行定量描述[2]。2）桥梁静载试验，主要采用电阻应变片法（半桥）对静态应变（应力）进行测试，来测量静力荷载作用下的桥梁变形情况，从而了解桥梁的实际使用性能，根据设计荷载等级要求在桥面布置一定数量的加载车辆，然后测量桥跨结构的响应，包括挠度测量、应力测试、支点沉降测试以及裂缝开展等情况，以此评定桥跨结构的实际工作状况和承载能力[3]。3）桥梁动荷载试验，采用磁电感应法测试桥梁振动速度，主要测试内容为：模态参数（自振频率、振型、阻尼比）、动应变、冲击系数等。本次选择主桥的2#跨和3#跨进行动荷载试验。

4 检测结果与分析

根据桥梁的检测内容，可分别得到崇州大桥的外观型检测结果，静荷载试验结果和动荷载试验结果，现对这三类结果分别进行总结分析。

4.1 外观缺损状况检测结果

各跨拱片在斜撑及主拱腿根部存在大量环向裂缝，最大缝宽0.46mm；拱片的大节点和小节点均出现大量裂缝，部分裂缝已延伸至拱片侧面，裂缝宽约0.05～0.28mm；多处弦杆在大、小节点附近出现环向裂缝，环状裂缝几乎均由顶面延伸至侧面，侧面裂缝主要以斜向为主。多部分存在锈胀露筋、混凝土剥落、露筋锈蚀现象。同时，该桥微弯板和拱片前期已进行过环氧砂浆修补，修补部分未看到新裂缝发展。下部结构表观缺损主要表现为：大多数拱片弦杆位置所对应的桥墩盖梁出现不同程度的混凝土剥落、露筋病害，共计75 处；个别桥墩盖梁上方存在建渣堆积现象；部分桥台存在着大型竖向裂缝，裂缝最大长度0.7m，缝宽0.3mm；侧墙存在2 条纵向裂缝，长1.8m、1.5m，最大缝宽2mm。桥面系及附属设施表观缺损主要表现为：桥面铺装高低不平，存在4 处坑槽，最大面积2m×0.17m；5 条裂缝，裂缝长2m～21.5m，最大缝宽0.8mm，且裂缝普遍为修补后再次开裂；此外，桥面铺装、护栏等多处存在磨光、粗集料外露现象；伸缩缝和防排水系统破损严重，存在轻微积水病害。

4.2 静荷载试验结果

4.2.1 计算模型

采用有限元软件Midas/Civil 建立有限元模型，进行恒载计算及活载分析[4]。

4.2.2 有限元模型建立

崇州大桥上部结构采用6×40m 钢筋混凝土刚架拱，每跨横向由10 片钢筋混凝土拱片组成，拱片间铺设预制微弯板，并设置横系梁。依据合同要求，本次选取2#、3#跨作为试验跨，建立有限元模型见图1。

图1 全桥有限元模型

4.2.3 荷载条件分析

（1）本次计算将护栏和铺装仅考虑为荷载作用，不参与结构受力，边界条件设置按照实际荷载进行设置；（2）计算模型中有关桥体的几何参数、材料参数以及荷载参数均采用现场实测值；（3）计算模型中的材料自重和设计荷载按要求取值，桥面荷载折合为线荷载加载进行计算[5]。

4.2.4 试验工况

结合试验桥跨的结构特点，按照规范要求，同时结合现场测试条件，模拟时大的桥2#、3#跨静载试验各设置8 个工况，静载试验工况及测试项目详见下表1。

表1 无铰拱桥静载试验工况设置及控制截面

4.3 测试手段

4.3.1 裂缝观测

在荷载试验过程中，对主要承重构件是否产生裂缝进行监测，主要用裂缝宽度仪和钢卷尺检测裂缝的分布位置、走向、形态、长度、最大宽度。

4.3.2 静态应变（应力）

采用电阻应变片法（半桥）对静态应变（应力）进行测试。将电阻应变片粘贴在构件上，当构件受力变形时，电阻丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生微小的电阻变化。经过信息处理，将电阻变化转化为构件的应变值，计算出构件测点的应力变化。

4.3.3 挠度和墩台支点沉降测试采用光（电）学测量法中的高精度电子水准仪对静态挠度及支点沉降进行测试。采用高精度电子水准仪测量，其原理是利用水准仪提供的水平视线，读取竖立于前后视点上的水准尺的读数，来测定两点间的高差，再根据已知点高程计算待定点高程，或计算测点高程变化量，进而把其转化为支点的沉降量。

4.3.4 试验结果

在计算时采用分级加载，根据情况分3 或4 级加载，卸载过程分2 级进行，通过对各工况静载试验数据进行整理及分析，得出以下结论：1）在各工况加卸载过程中，试验跨控制截面实测应变和挠度与理论计算值基本呈线形关系，且卸载后基本恢复至初始状态，主要控制测点相对残余应变、挠度介于1.8%～12.4%之间，均小于20%，满足规范要求，试验跨结构处于线弹性工作状态。2）在跨中工况作用下，在设计荷载作用（汽车-20 级）下，试验跨不能满足设计要求；在拱脚工况作用下，试验跨控制截面的应变校验系数介于0.79～0.88 之间，挠度校验系数介于0.82～0.92 之间，处于正常范围。3）在各工况作用下，控制截面各片拱片实测应变和挠度的横向分布情况与理论计算基本一致，实测横向增大系数与理论计算值也较为接近，表明上部结构横向传力性能良好，整体性满足要求。

4.4 动荷载试验结果

试验严格按照加载条件进行，对试验数据进行整理并进行初步检查，得到动荷载作用下的试验结果如下：1）试验跨实测振型与计算振型基本一致，桥梁阻尼比正常，2#跨上部结构基频实测值和3#跨上部结构基频实测值小于理论计算值，表明2#、3#跨拱片刚度不满足设计要求。2）当无障碍行车车速为50km/h 时，2#跨跨中截面出现最大试验冲击系数为1.25，3#跨跨中截面出现最大试验冲击系数为1.25；结果表明当车速为40、50km/h 时，2#、3#跨试验冲击系数较理论计算值偏大。

5 结论

通过对崇州大桥的外观性检测和现场检查，同时结合动-静荷载试验，得到以下主要结论。1）崇州大桥的完好状态等级属于D 级桥梁，仅下部结构状况指数较好，整体上处于不合格状态。2）在静力荷载作用下，在4 级工况作用下，试验跨控制截面的应变校验系数介于0.93～0.96 之间，挠度检验系数大于1，试验跨结构处于线弹性工作状态，已不能满足正常使用要求。3）在动荷载作用下，桥梁阻尼比正常，试验跨2#、3#拱的刚度不满足设计（汽车-20 级）要求，已属于不合格危险桥。因此建议立即封锁交通，进行应急处置，建议对该桥进行拆除重建。