許祥順 陳永亮 張立濤 戴江濤++樊新舟

【摘要】隨著既有橋涵數(shù)量越來越多和人們對橋涵安全意識的增強(qiáng)，國內(nèi)外相續(xù)開展了橋涵檢測、健康評定的研究，提出了許多理論和方法，一部分理論已很成熟并被應(yīng)用在橋涵的檢測和評定方面。

【關(guān)鍵詞】石拱橋涵；檢測；評定；檢查；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，F(xiàn)an 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. 橋涵檢測

1.1橋涵的檢測目的和內(nèi)容。

1.1.1檢測的目的。

病害橋涵的維修利用、加固改造、提高荷載等級或者需要通過超重車輛等。

1.1.2橋涵檢測的內(nèi)容。

1.1.2.1外觀檢查。

按橋涵的構(gòu)件分為：橋面系外觀檢查、橋涵上部結(jié)構(gòu)檢查、支座檢查、墩臺檢查、墩臺基礎(chǔ)檢查；

按檢測對象分為：裂縫檢查、混凝土碳化深度檢查、混凝土強(qiáng)度檢查、鋼筋銹蝕檢查、混凝土保護(hù)層厚度檢查以及鋼筋分布檢查等。

1.1.2.2荷載試驗檢查。

（1）作用力的大小，包括試驗荷載的大小、構(gòu)件的內(nèi)力、支座的反力、推力等；

（2）結(jié)構(gòu)截面上各種應(yīng)力、應(yīng)變的分布狀態(tài)及其大小；

（3）結(jié)構(gòu)的各種靜態(tài)變形，包括水平位移、豎向撓度、相對位移、轉(zhuǎn)角等；

（4）結(jié)構(gòu)局部的損壞現(xiàn)象，如裂縫的分布及其寬度、深度等；

（5）動力特性，如橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的強(qiáng)迫振動特性，如沖擊系數(shù)、強(qiáng)迫振動頻率、動位移和動應(yīng)力，以及橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性等。

1.2橋涵的檢測方法。

橋涵在長期的使用過程中不免會發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷，原因可能是人為因素，也可能是自然災(zāi)害。隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸量大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，由于超載而造成橋涵結(jié)構(gòu)的損傷繼而加劇其自然老化。這些因素均導(dǎo)致了橋涵承載能力和耐久性的降低，甚至影響到運(yùn)營的安全，由此而引起的一系列問題都需要相應(yīng)的維修、改造和加固來解決，而這些工作又必須在對橋涵結(jié)構(gòu)詳細(xì)和系統(tǒng)的檢測的基礎(chǔ)上才能妥善進(jìn)行。

橋涵的檢測從方法上來講分為橋涵一般調(diào)查、檢測和靜、動荷載試驗。

1.2.1橋涵檢查。

1.2.1.1橋涵調(diào)查。

橋涵調(diào)查可分為兩個方面：一是向原橋涵設(shè)計和施工部門收集設(shè)計、施工、竣工文件，包括設(shè)計圖紙、設(shè)計變更圖紙、施工方案、質(zhì)量檢驗及材料試驗、竣工圖紙等資料；二是向養(yǎng)護(hù)和管理部門了解橋涵運(yùn)營狀況，包括交通量的變化，重載車輛的通過，現(xiàn)有的交通情況，以及橋涵的養(yǎng)護(hù)、維修和過去所作橋涵加載試驗資料情況，還要了解橋涵己有的缺陷及其發(fā)展歷程等；三是對于缺乏設(shè)計資料和養(yǎng)護(hù)、維修、加固等記錄的橋涵，要進(jìn)行實橋調(diào)查和線形測量，做好圖示記錄，以備分析采用。

1.2.1.2橋涵的一般檢查。

（1）橋涵的總體及細(xì)部尺寸的復(fù)核：對照竣工圖，對橋涵總長總寬、上部構(gòu)造高度、主梁尺寸等進(jìn)行丈量和測量，并注意復(fù)核結(jié)果與原設(shè)計圖的差異。

（2）橋面系的檢查：主要檢查全橋各孔的橋面標(biāo)高及實際縱橫坡和橋面平整度；橋面鋪裝層有無開裂、水泥混凝土面層有無磨耗、瀝青面層有無老化；伸縮縫是否損壞，泄水孔能否正常使用等。

（3）主要承重構(gòu)件的檢查：主要檢查主梁、橋面板、橫隔板（梁）和結(jié)合面的狀況。對主梁如發(fā)現(xiàn)恒載撓度明顯過大，應(yīng)量測恒載撓度。重點(diǎn)檢查主梁跨中附近的垂直裂縫，記錄其部位、走向、長度、寬度、間距、向上延伸的高度，向下有無在梁底穿透；應(yīng)檢查支座附近的斜向裂縫，主要記錄其寬度和分布部位、有無延伸到結(jié)合面，并判明裂縫的性質(zhì)；檢查支座的功能、檢查混凝土的外觀是否有剝落、水漬、露筋等。對預(yù)制橋面板，應(yīng)重點(diǎn)檢查微彎板跨中有無縱向裂縫，記錄其寬度、長度，有無橫向裂縫和斜裂縫；預(yù)制橋面板安裝時的砂漿是否飽滿等。如設(shè)有橫隔板（梁）時，應(yīng)檢查其跨中有無裂縫，其與主梁的連接有無損壞銹蝕等。預(yù)制橋面板和預(yù)制主梁間的砂漿接縫安裝時砂漿是否飽滿，是否有開裂，應(yīng)檢查裂縫的長度和寬度等。

1.2.1.3橋涵的特殊檢查。

根據(jù)實際情況，在一般檢查的基礎(chǔ)上選擇較重要的結(jié)構(gòu)部位或具有典型病害的部位抽樣進(jìn)行特殊檢查。

（1）鋼筋現(xiàn)狀的檢查：主要檢查混凝土內(nèi)鋼筋的分布，估測鋼筋直徑，探測混凝土保護(hù)層的厚度。

（2）混凝土強(qiáng)度檢測：使用超聲儀和回彈儀檢測，根據(jù)回彈一超聲綜合法來檢測混凝土的抗壓強(qiáng)度及內(nèi)部缺陷測試。

（3）鋼筋銹蝕狀況的檢查：一是對露筋的混凝土，測試其鋼筋與混凝土之間存在的電位，根據(jù)電位的水平來判明鋼筋的銹蝕狀況；二是測量混凝土的電阻率，根據(jù)電阻率的高低，來判斷鋼筋的銹蝕狀況；三是測量混凝土的碳化深度，如碳化深度小于保護(hù)層厚度，則表明鋼筋能受到較好的堿性保護(hù)；四是混凝土中氯化物的測定，是否足以誘發(fā)鋼筋銹蝕。

1.2.2荷載試驗檢測法。

1.2.2.1靜載試驗檢測方法。

靜載試驗檢測法是通過對橋涵進(jìn)行靜載試驗，量測與橋涵結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的參數(shù)。與橋涵工作性能相關(guān)的主要參數(shù)，有變形、撓度、應(yīng)變、裂縫等。通過靜載試驗，可測出這些參數(shù)，從而分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，據(jù)此評定橋涵的承載能力狀況。

橋涵的靜載試驗，一般需進(jìn)行以下測試內(nèi)容：

（1）結(jié)構(gòu)的豎向撓度、側(cè)向撓度和扭轉(zhuǎn)變形。每個跨度內(nèi)至少有3個測點(diǎn)，并取得最大的撓度及變形值，同時觀測支座下沉值。為了驗證所采用的計算理論試驗，要實測控制截而的內(nèi)力、撓度縱向和橫向影響線。

（2）控制截面的應(yīng)力分布、偏載特性。沿截面高度不少于5個測點(diǎn)，包括上、下緣和截面突變處。有些結(jié)構(gòu)需測試支點(diǎn)及附近、橫隔板附近剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，此時需將應(yīng)變計布成應(yīng)變花。

（3）支座的伸縮、轉(zhuǎn)角，支座的沉降；墩頂位移及轉(zhuǎn)角。

（4）觀察初始作用荷載下是否己出現(xiàn)裂縫，仔細(xì)標(biāo)明裂縫出現(xiàn)的位置、方向、角度、寬度及卸載后閉合情況。如果結(jié)構(gòu)的控制截面變形、應(yīng)力或裂縫擴(kuò)展，在尚未加到預(yù)計最大試驗荷載前，已提前達(dá)到或超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的允許值，應(yīng)即停止加載，同時注意觀察裂縫擴(kuò)展情況，撤離儀器和人員。

（5）觀察卸載后的殘余變形。對于特殊結(jié)構(gòu)而言，如懸索橋和斜拉橋，尚需觀察索力和塔的變位并進(jìn)行支座的測定。

1.2.2.2動載試驗檢測方法。

動力荷載試驗的目的在于研究橋涵結(jié)構(gòu)的動力性能，該性能是判斷橋涵運(yùn)營狀況和承載能力的重要標(biāo)志之一。動力系數(shù)是確定車輛荷載對橋涵動力作用的重要技術(shù)參數(shù)，直接影響到設(shè)計橋涵的安全與經(jīng)濟(jì)性能；橋涵過大的振動可引起乘客和行人的不舒適；橋涵自振頻率處于某些范圍時，可由外荷載引起共振的危險。近年來，研究者擴(kuò)大動力檢測方法的范圍和功能。結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)（剛度、阻尼和內(nèi)部荷載）的改變。恰當(dāng)?shù)毓烙嬤@些變化，就能給結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評定提供一個量化的方法。利用振動方法對橋涵進(jìn)行損傷檢測的基礎(chǔ)是從橋涵振動模態(tài)的變化中能夠估計出橋涵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。橋涵振動模態(tài)通?？捎贸Ｒ?guī)的試驗?zāi)B(tài)分析測試方法得到。在橋涵的不同位置布置測點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)損傷前后由這些測點(diǎn)記錄的信息可提取出的橋涵振動模態(tài)特性參數(shù)的變化，以此來確定結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置、大小及結(jié)構(gòu)損傷的類型。

2. 橋涵評定

2.1橋涵評定的內(nèi)容。

橋涵評定是利用特定信息，分析既有橋涵可靠性并為使橋涵保持一定水平的可靠性而做出相應(yīng)工程決策的過程。在實際評定過程中，對中小橋涵與大型橋涵采取不同的評價方法，橋涵評定的方法大致可分為兩大類：一類是以承載能力評價為主的方法，一類是以狀態(tài)評價為主的綜合評價方法。中小橋涵由于數(shù)量多分布廣，一般通過定期或不定期的檢測手段，對橋涵的承載能力做出評價。

2.2橋涵評定的依據(jù)。

檢測評定工作一定要有據(jù)進(jìn)行，不得偏離被檢測評定橋涵的現(xiàn)狀和具有法規(guī)效力的依據(jù)。

（1）委托方與被委托方簽訂的有效合同、協(xié)議及其附件。

（2）被檢測評定橋涵所在地政府、政府主管部門及質(zhì)檢部門對該橋有關(guān)的指令、意見和要求等。

（3）委托方向被委托方提供該橋的原設(shè)計文件、施工文件及竣工驗收文件等。

（4）國家部、委頒布的有關(guān)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。

2.3橋涵評定的方法。

既有橋涵承載力評定方法大體上分為以下5種：綜合評定方法、計算機(jī)智能分析方法、荷載試驗方法、理論分析計算方法和基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的評定方法。

2.3.1綜合評定方法。

目前，綜合評定方法主要有以下三種：

（1）外觀調(diào)查法

根據(jù)外觀調(diào)查進(jìn)行評定的方法，就是由有經(jīng)驗的橋涵技術(shù)人員對既有橋涵外觀進(jìn)行詳細(xì)的檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果對橋涵質(zhì)量進(jìn)行評定。此種方法僅能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性評定，不能給出定量的損傷程度，且人為主觀因素較多。

（2）層次分析法。

層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家在上世紀(jì)七十年代提出的。層次分析方法認(rèn)為影響橋涵結(jié)構(gòu)狀況的因素非常多，有些因素影響雖小，但積累到一定程度就會發(fā)生質(zhì)變，從而危及整個結(jié)構(gòu)的使用狀況。橋涵安全性評定不能單純地考慮重要構(gòu)件，也要兼顧次要構(gòu)件，但也不能主次不分，使評定工作量大而繁雜。把定性因素定量化，并能在一定程度上檢驗和減少主觀影響，使評價更趨于客觀。目前在國內(nèi)已逐步受到重視，并得到了一些實際應(yīng)用。

（3）模糊綜合評定法。

該方法是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，對實際問題進(jìn)行模糊判斷的綜合評定方法。它以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評定的方法。為考慮多種因素對橋涵結(jié)構(gòu)安全性的影響，將影響因素分為施工質(zhì)量、材料和環(huán)境等三個方面及多個影響因素；建立評價結(jié)構(gòu)安全性的指標(biāo)體系，對各因素分別建立其對結(jié)構(gòu)安全性影響的隸屬函數(shù)，把模糊數(shù)學(xué)與層次分析法結(jié)合起來，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行單因素評價，用層次分析法計算確定各層次因素間相對權(quán)重，最后對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行模糊綜合評價。

2.3.2計算機(jī)智能方法。

2.3.2.1專家系統(tǒng)評定法。

（1）專家系統(tǒng)評定方法就是用具有相當(dāng)于專家知識和經(jīng)驗水平的計算機(jī)系統(tǒng)對既有橋涵進(jìn)行評定。在橋涵領(lǐng)域，無論是在設(shè)計、施工還是管理方面，均存在一些不確定性的因素，這些因素大多難以用數(shù)值模型進(jìn)行計算，但采用專家系統(tǒng)則可很好的解決。

（2）專家系統(tǒng)評定方法又可分為專家系統(tǒng)和專家意見調(diào)查兩種類型。專家系統(tǒng)是利用計算機(jī)模擬經(jīng)驗豐富的專家的決策機(jī)理，對既有橋涵進(jìn)行綜合評定的智能軟件系統(tǒng)，對損傷橋涵進(jìn)行綜合評定。專家意見調(diào)查，是指直接收集、分析、歸納專家意見，對橋涵安全性能作出評定的方法。

2.3.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、有大量處理單元組成的非線性自適應(yīng)動態(tài)系統(tǒng)，它具有學(xué)習(xí)能力、記憶能力、計算能力及智能處理功能，能在不同程度和層次上模仿大腦的信息、處理機(jī)理，具有非線性、非局域性、非定常性和非凸性等特點(diǎn)。其研究成果廣泛應(yīng)用于模式識別、自動控制、圖像處理、語言識別等領(lǐng)域。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可降低評定過程中的人為因素，能較好地保證評定結(jié)果的客觀性，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)需要大量的樣本，如果積累的資料較少，其結(jié)果的準(zhǔn)確性將存在一定的局限性。

2.3.3現(xiàn)場荷載試驗方法。

現(xiàn)場荷載試驗的方法有靜力荷載試驗方法和動力荷載試驗方法，前者反映橋涵在靜載作用下的結(jié)構(gòu)工作性能而后者反映橋涵結(jié)構(gòu)的動力性能。通過現(xiàn)場荷載試驗可直接檢測結(jié)構(gòu)的實際承載力，其主要優(yōu)點(diǎn)是直觀，但試驗設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，經(jīng)費(fèi)支出大。在既有橋涵的評定中，它又多用于橋涵工作狀態(tài)不明確情況下的評定和研究工作，以彌補(bǔ)根據(jù)外觀調(diào)查評定和以分析計算為主的評定方法的不足。

2.3.4理論計算分析方法。

（1）基于設(shè)計規(guī)范的方法。

基于設(shè)計規(guī)范的評定方法以分析計算為主，在現(xiàn)場詳盡的外觀調(diào)查、資料收集（設(shè)計、施工、維修和加固資料）的基礎(chǔ)上，對既有橋涵材料取樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗或無破損測定，以確定材料的實際抗壓、抗拉強(qiáng)度、混凝土標(biāo)號或石料標(biāo)號，鋼筋的銹蝕程度、結(jié)構(gòu)的實際尺寸等，引入橋涵檢算系數(shù)、耐久性惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載修正系數(shù)分別對極限狀態(tài)方程中結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正，運(yùn)用現(xiàn)行設(shè)計方法重新計算橋涵的承載能力，并通過比較以判定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力狀況，從而對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力做出評定。

（2）基于損傷力學(xué)和疲勞斷裂的方法。

損傷力學(xué)認(rèn)為材料內(nèi)部某點(diǎn)出現(xiàn)損傷是由于該點(diǎn)應(yīng)變值超過了臨界值，所造成的變形不能愈合，由此帶來能量耗散。目前損傷力學(xué)在復(fù)合材料中應(yīng)用比較成功，但用損傷能量釋放率來評定混凝土材料的失效尚需更細(xì)致的試驗和理論研究。相比之下，斷裂力學(xué)在鋼橋的安全評定中的應(yīng)用則成熟得多。其中原因除了彈塑性斷裂力學(xué)分析技術(shù)己經(jīng)比較成熟外，主要是鋼橋失效大多是由一條主裂紋失穩(wěn)增長而造成，并且鋼橋設(shè)計也比較多的考慮了線性損傷累積規(guī)則，這與斷裂力學(xué)的理論基礎(chǔ)是一致的。

2.3.5基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的方法。

以上四大類方法都是確定性的方法，可是對于影響橋涵承載力的很多因素都是不確定的和隨機(jī)的，所以用確定性的方法來研究不確定性的問題就存在了一定的不合理性?？煽啃岳碚撌前呀Y(jié)構(gòu)的影響因素考慮為隨機(jī)因素，然后按照一定的概率分布求結(jié)構(gòu)的可靠性或其可靠指標(biāo)。由于既有橋涵的隨機(jī)因素和不確定因素比較多，所以應(yīng)可靠度理論來求解橋涵可靠度是一種很好的方法，同時也是橋涵評定的的發(fā)展趨勢。

3. 橋涵評定的不足

石拱橋涵的評定是一項非常復(fù)雜和困難的工作，目前還沒有被廣泛認(rèn)可的結(jié)構(gòu)評定程序。影響石拱橋涵的結(jié)構(gòu)行為的參數(shù)較多，而且這些參數(shù)的改變會產(chǎn)生什么影響，現(xiàn)在很難給予定量考慮。另外，石拱橋涵結(jié)構(gòu)中有許多無法從外部直接判定的內(nèi)部構(gòu)件。

目前可用于石拱橋涵承載能力評定的計算方法，包括簡化的平面桿系模型和大型實體仿真有限元分析。但它們常常低估圬工拱橋的承載力，以至于可能為了橋涵重建、維護(hù)而采取不必要或不經(jīng)濟(jì)的解決方法。

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[基金項目]河北省教育廳科技項目（Z2017037）.

[文章編號]1619-2737（2017）05-17-902