焦明東 宋 玉

(上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司 上海 200092)

0 引言

雙曲拱橋由拱架、拱波、拱板等主要部件組成，拱肋通過(guò)橫系梁連接形成拱架，拱架上澆筑混凝土或砌筑橫向棚磚形成拱波，拱波上澆筑混凝土形成拱板，使得各個(gè)部分共同作用形成雙曲拱橋。雙曲拱橋在傳統(tǒng)石拱橋的基礎(chǔ)上考慮了混凝土結(jié)構(gòu)的裝配式施工，多采用分段預(yù)制和組裝完成主拱圈的施工[1，2]，具有施工簡(jiǎn)便、取材方便和造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)60年代一經(jīng)推廣便得到了廣泛的應(yīng)用，截至80年代末期我國(guó)共修建了4000余座雙曲拱橋，總長(zhǎng)約35萬(wàn)余延米。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料選擇和施工水平等原因，雙曲拱橋具有拱圈配筋不足、肋間橫向聯(lián)系弱、拱圈整體性差、設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低和成橋質(zhì)量離散性大等先天缺陷，隨交通量和車(chē)輛超載的不斷增加，現(xiàn)存雙曲拱橋幾乎都出現(xiàn)了不同程度的病害和損傷，尤其以開(kāi)裂和破損現(xiàn)象較為普遍，降低了橋梁的耐久性和使用壽命，甚至發(fā)展為危橋[3，4]。對(duì)于現(xiàn)存雙曲拱橋，若全部拆除重建，經(jīng)濟(jì)上是不可行的，最好的選擇是對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的檢測(cè)，合理評(píng)定其當(dāng)前服役現(xiàn)狀，為進(jìn)一步的改造升級(jí)提供技術(shù)支持[5-7]。

以我國(guó)西部某雙曲拱橋?yàn)楸尘埃疚母鶕?jù)實(shí)地調(diào)查，對(duì)于其外觀、材質(zhì)狀況和結(jié)構(gòu)線形、尺寸等因素進(jìn)行了調(diào)查分析，在上述基礎(chǔ)上計(jì)算了主拱圈的承載能力，結(jié)果顯示關(guān)鍵截面抗壓承載能力滿足設(shè)計(jì)和當(dāng)前承載要求。本文系統(tǒng)研究了雙曲拱橋的承載能力評(píng)價(jià)過(guò)程，對(duì)于未來(lái)類(lèi)似項(xiàng)目提供一定的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

某雙曲拱橋位于西藏自治區(qū)昌都市，跨越扎曲河，修建于1980年左右(圖1、2)。橋梁全長(zhǎng)為91.0m，跨徑組合為(14.0+60.0)m，其中1號(hào)孔計(jì)算跨徑14.0m，2號(hào)孔計(jì)算跨徑為60.0m，2號(hào)橋臺(tái)長(zhǎng)17.0m；1號(hào)孔和2號(hào)孔為雙曲拱結(jié)構(gòu)，1號(hào)孔拱圈上部5個(gè)腹拱，2號(hào)孔拱圈上部14個(gè)腹拱；0號(hào)臺(tái)為重力式橋臺(tái)，2號(hào)臺(tái)為齒坎式橋臺(tái)。橋?qū)?.0m，橋面橫向布置為1.1m(欄桿+人行道)+6.8m(行車(chē)道)+1.1m(欄桿+人行道)。據(jù)調(diào)查，1號(hào)孔拱肋、2號(hào)孔拱肋和橫系梁已于2002年加固。

圖1 橋梁立面圖 圖2 跨中斷面示意圖(尺寸單位：cm)

隨著服役年限的增長(zhǎng)和交通荷載的持續(xù)增加，橋梁產(chǎn)生了許多病害，其中1號(hào)孔和2號(hào)孔拱波、立墻(立柱)產(chǎn)生了不同程度的裂縫、滲水問(wèn)題，為了確保橋梁的健康、安全服役，需要對(duì)該橋進(jìn)行承載能力評(píng)定，對(duì)于制定加固維修方案提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 橋梁外觀技術(shù)狀況調(diào)查及評(píng)定

2.1 橋梁病害狀況

根據(jù)規(guī)范《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)和本項(xiàng)目橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境，對(duì)于本項(xiàng)目雙曲拱橋進(jìn)行了外觀技術(shù)狀況調(diào)查，主要存在如下病害。

2.1.1 主拱肋

作為雙曲拱橋的重要構(gòu)成部分，拱肋與拱圈共同承擔(dān)上部荷載，是結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件。如果拱肋出現(xiàn)抗彎強(qiáng)度和剛度不足的情況，則會(huì)造成結(jié)構(gòu)承載能力下降，引起自身及相關(guān)構(gòu)件的破壞[8]。調(diào)查結(jié)果顯示，本項(xiàng)目拱橋共4個(gè)主拱肋，1號(hào)孔主拱肋、橫向聯(lián)系均有粘鋼加固，外觀總體良好，未見(jiàn)明顯病害；2號(hào)孔在距離兩端拱腳5.0m處主拱肋、橫向聯(lián)系有粘鋼加固，未見(jiàn)明顯病害。

2.1.2 主拱波、橫系梁、橫隔板

對(duì)于雙曲拱橋結(jié)構(gòu)的受力，橫向聯(lián)系主要起到連接主拱肋、保證拱肋共同受力、提高拱肋橫向剛度的作用[9-11]。一旦橫向聯(lián)系強(qiáng)度不足產(chǎn)生破壞，拱波的波腹頂部會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫，甚至形成橫橋向的裂縫。調(diào)查結(jié)果顯示，1號(hào)孔和2號(hào)孔拱腳處拱波波腹產(chǎn)生了長(zhǎng)度不等的縱向裂縫，寬度均≤0.12mm，部分裂縫有滲水痕跡。

2.1.3 腹拱立柱、橫墻

對(duì)于雙曲拱橋結(jié)構(gòu)而言，腹孔拱板與主拱肋、拱波連接，共同承擔(dān)上部立柱傳遞過(guò)來(lái)的荷載。由于上部荷載的不均勻和結(jié)構(gòu)變形的不協(xié)調(diào)，腹孔拱板連接位置多數(shù)產(chǎn)生縱向裂縫。調(diào)查結(jié)果顯示，伸縮縫處的橫墻(頂、底)鋼筋均嚴(yán)重銹蝕，混凝土大面積剝落，沿主筋方向混凝土脹裂，嚴(yán)重區(qū)域甚至發(fā)生箍筋銹斷現(xiàn)象。

2.1.4 橋臺(tái)、拱座

對(duì)于雙曲拱橋而言，由于自重較大，對(duì)于拱座和橋臺(tái)的水平推力的承載能力要求較高，一旦橋臺(tái)和拱座出現(xiàn)水平位移，將會(huì)導(dǎo)致拱圈下沉、開(kāi)裂，拱肋與拱波分離，側(cè)墻與拱肋分離或立柱嚴(yán)重開(kāi)裂等現(xiàn)象。調(diào)查結(jié)果顯示，西側(cè)橋臺(tái)臺(tái)帽有鋼筋外漏銹蝕、混凝土崩落現(xiàn)象，上游至中部區(qū)段部分區(qū)域出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土崩落，豎向存在裂縫，縫寬約0.05mm。

2.1.5 橋面系

橋面系欄桿除裝飾層有脫落外，其他無(wú)明顯病害；橋面鋪裝出現(xiàn)較為明顯的麻面和橫向裂縫，局部混凝土破損。

2.2 技術(shù)狀況評(píng)定

結(jié)合橋梁外觀技術(shù)狀況調(diào)查，根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H 21-2011)的規(guī)定，橋梁橋面系評(píng)定4類(lèi)，上部結(jié)構(gòu)評(píng)定為3類(lèi)，下部結(jié)構(gòu)評(píng)定為1類(lèi)，全橋評(píng)定為2類(lèi)，具體情況見(jiàn)表1。

表1 橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果

3 本橋現(xiàn)況無(wú)損狀況檢測(cè)

3.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

作為反映結(jié)構(gòu)承載能力的重要技術(shù)參數(shù)，混凝土抗壓強(qiáng)度值采用數(shù)字式混凝土回彈儀BY2002HT進(jìn)行抽檢。鑒于《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)的統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線適用于齡期為14～1000d的混凝土，因此檢測(cè)結(jié)果僅作為橋梁檢算時(shí)的參考，具體如表2 所示。

表2 混凝土強(qiáng)度抽測(cè)結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)表2可知，混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明橋梁經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間服役，主體結(jié)構(gòu)仍可以繼續(xù)工作，滿足原設(shè)計(jì)要求。

3.2 保護(hù)層厚度檢測(cè)

保護(hù)層厚度采用HC-GY61鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)儀抽檢，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼筋混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)值(單位：mm)

由表3可知，從鋼筋保護(hù)層檢測(cè)結(jié)果上看，目前為止主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)層滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 拱軸線測(cè)量

為了得到該橋?qū)嶋H拱軸線形，采用全站儀測(cè)量拱圈實(shí)際線形，測(cè)量數(shù)據(jù)為拱圈下邊緣的相應(yīng)數(shù)值，在實(shí)際計(jì)算分析時(shí)，將測(cè)量數(shù)值換算為拱軸線位置相應(yīng)值，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 雙曲拱橋拱軸線測(cè)量結(jié)果

根據(jù)圖7可知，雙曲拱橋拱軸線線形較好，未發(fā)現(xiàn)明顯突變和變形，說(shuō)明主拱圈未發(fā)生較大的變形，具有一定的承載潛力。

4 橋梁承載能力評(píng)價(jià)

橋梁承載能力鑒定，即通過(guò)檢定該橋是否滿足原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工作性能和承載能力要求，是否具有挖潛承載能力可能，從而為舊橋養(yǎng)護(hù)維修、改造加固決策提供技術(shù)支持。

4.1 分項(xiàng)檢算系數(shù)

根據(jù)橋梁缺損狀況檢查及評(píng)定、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)評(píng)定結(jié)果，并依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中對(duì)承載能力檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、混凝土結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)及鋼筋的截面折減系數(shù)進(jìn)行取值，2號(hào)孔分項(xiàng)檢算系數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 2號(hào)孔橋梁分項(xiàng)檢算系數(shù)

4.2 主拱圈承載能力評(píng)定

為了全面評(píng)價(jià)本橋梁的承載能力，需要對(duì)于主拱圈承載能力進(jìn)行評(píng)定，本問(wèn)選取外觀較差的2號(hào)孔作為檢測(cè)對(duì)象。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的基本組合，并考慮活載影響修正系數(shù)：

γ0Nd=γ0(1.2S恒+1.0S收縮+1.4S汽ξq+0.7(1.4S人群ξq+1.4S溫度)

(1)

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)規(guī)定，鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁承載能力檢算公式如下：

γ0Nd≤(fcd,ξcad)Z1

(2)

關(guān)于檢算橋孔2號(hào)孔的正截面承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 構(gòu)件截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果匯總表

根據(jù)表5可知，主拱圈抗壓承載能力滿足承載要求。外觀調(diào)查顯示，主拱拱頂位置受壓體系部分已經(jīng)遭到破壞，其原因在于超載車(chē)輛多次的通過(guò)，導(dǎo)致其主拱拱頂部位產(chǎn)生了橫向裂縫，這也是橋梁承載能力下降的原因，應(yīng)及時(shí)封閉裂縫和補(bǔ)強(qiáng)處理。

5 結(jié)論

橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)加固是一項(xiàng)較為困難的事情，尤其是對(duì)于雙曲拱橋一類(lèi)的偏心受壓結(jié)構(gòu)，如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)現(xiàn)存承載能力的評(píng)價(jià)更是加固維修的基礎(chǔ)?；谀澄髂系貐^(qū)雙曲拱橋項(xiàng)目，本文首先對(duì)橋梁外觀技術(shù)狀況進(jìn)行了評(píng)定，然后對(duì)于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)橋梁拱軸線形進(jìn)行了測(cè)量分析，最后根據(jù)規(guī)范，對(duì)于雙曲拱橋的主拱圈抗壓承載能力進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)果顯示雙曲拱橋能夠滿足當(dāng)前狀況承載要求，且有一定的承載潛力。