海南省某双曲拱桥病害检测与承载力分析

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摘要：本文以海南省某地钢筋混凝土双曲拱桥为例，依据现场检测结果，描述其目前主要病害和形成的原因，结合有限元分析，将理论计算与静载试验结果比较，对其目前承载力状况作出评定。并根据检测结果，对日后的运营管理和加固提出建议。

关键词：双曲拱桥 病害 静载试验 承载力状况 加固

中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）05-0167-02

0 引 言

双曲拱桥是上世纪六十年代中期，我国江苏省无锡市的建桥工人经过实践首创的一种轻型拱式桥梁，迄今为止仍是我国独有的、极具中华民族气息与特色的桥型。它充分发挥了预制装配的优点，节省材料，施工速度快。双曲拱桥比单曲拱桥能承受更大的荷载，当它受力时，力沿着两个拱的方向更均匀的传递，某一局部受力过大时，双曲拱能迅速自行调整平衡，使整个双曲拱桥不会因局部受力过大而损坏。但该类拱桥结构整体性差，施工质量变异大。随着国民经济的快速发展，绝大多数地区的双曲拱桥都出现了不同程度的病害和承载力下降现象。本文以海南省金和线大塘桥为例，对其病害的形成原因和承载力进行了分析，并提出运营管理和加固维修建议。

1 项目概况

大塘桥位于海南省某县，建于1970年，桥梁全长118.0m，总宽8.1m，设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100.上部结构为五孔装配式钢筋混凝土空腹式双曲拱桥，每孔净跨径20.0m，每跨横向为七片拱肋，拱肋间设多道横向联系。下部结构采用重力式墩，U型桥台。在四十多年的运营过程中出现了不同程度的病害。桥梁全貌见图1.

2 检测结果与病害分析

2.1 桥头跳车

该桥采用U型桥台，台背施工空间狭窄，大型压实机具的使用收到限制，在台背范围内形成了欠压实区，再加上台后填土较高，基底位于河床上部，在交通荷载作用下，填土的塑性变形及填土与地基填土的自重作用下的沉降形成了桥头跳车。

2.2 拱肋开裂

拱肋是双曲拱桥拱圈的重要组成部分，它与拱板共同承受全部恒载和活载，是主要的受力构件。因此，当其抗弯强度和刚度不足时，往往会导致承载能力降低，同时会引起其他构件的损坏。在检测中发现，拱肋与拱波连接处出现环形裂缝，且大多位于拱顶附近。在正弯矩的作用下，主拱圈截面下部出现法向拉应力，当拱波与拱肋结合面承受的实际拉应力大于结合面的极限拉应力时，即会出现环形裂缝。

2.3 腹拱开裂

大塘桥的病害调查中，发现多个腹拱顶部存在横向贯通裂缝，裂缝宽度较大，个别处裂缝宽度超过2cm，且靠近主拱圈顶部得腹拱裂缝最为严重。腹拱产生这种裂缝与主拱圈的刚度不足有关，另外桥台自身的位移以及在活载作用下主拱圈变形与桥台变形不一致也将导致腹拱出现横向裂缝。

2.4 墩台基础冲刷

墩台和基础是桥梁的重要组成部分，它直接承受桥梁上部结构的荷载，同时将荷载传递给地基的受力结构。大塘桥的墩台有钢筋混凝土砌筑而成，受河床变迁和流水冲刷，桥墩基础冲刷严重，3#、4#桥墩混凝土剥落，钢筋锈胀严重，局部出现竖向裂缝。

3 主要构件检测

3.1 混凝土碳化深度检测

检测时在未被河水淹没河床一侧的第二孔主拱圈上选取3片拱肋进行碳化深度检测，每片拱肋取一个测区。钻孔、清除孔中粉末和碎屑后，立即将1%酚酞酒精溶液滴在孔内壁的边缘处，测量表面至不变颜色边缘的垂直距离。对每一测区分别钻孔三个，将三次测得的数值取平均值，得到三个测区的碳化深度分别为2.5mm、3.0mm、2.0mm。

3.2 构件混凝土强度检测

重点对主拱圈混凝土强度抽样，采用回弹法现场检测混凝土强度。测试时，对每个测区的16个弹击点均匀分布，准确记录测试结果。结合碳化深度，查测区混凝土强度换算表，得出三个测区的混凝土强度实际值19.6MPa、23.4MPa、17.6MPa。

4 静载试验

4.1 试验计算分析

利用桥梁专业有限元软件MIDAS/Civil建立有限元模型对结构进行计算，计算在荷载作用下结构控制界面测点的位移和应变等参数。结构模型如图2。

4.2 测试界面确定

本次荷载试验应变测试控制截面选取第2孔、第3孔拱脚截面、L/2拱肋界面，挠度测试控制界面为第2孔、第3孔L/2拱肋界面，如图3所示。

4.3 加载工况

在尽可能少的加载车辆作用下达到最大的试验加载效率的要求下，荷载试验共分四个工况；

①工况一：A-A断面最不利正弯矩布载；

②工况二：B-B断面最不利正弯矩布载；

③工况三：C-C断面最不利正弯矩布载；

④工况四：D-D断面最不利正弯矩布载；

4.4 试验规则和终止加载条件

静载试验加载规则为：1）原则上应选择在气温变化不大于2℃和结构稳定趋于稳定的时间间隔内进行。正式加载前，用试验最大加载量20%～30%的荷载对试验孔跨中截面进行预加载，检验试验组织及仪器是否处于正常工作状态；2）静力荷载持续时间，只有结构变位达到相对稳定，才能进入下一级荷载试验阶段。同一级荷载内，当结构在最后5min内的变位增量，小于前一个5min的增量的5%或小于所用测量仪器的最小分辨率值时，即认为结构变位达到相对稳定；3）加载时第一辆车就位后等数据稳定后读数，然后等第二辆车就位。卸载时先是第二辆车卸载，数据稳定后读数记录残余变形和应变，然后卸载第一辆车；4）同一级荷载内，当结构在最后5min内的变位增量小于前一个5min的增量的5%或小于所用测量仪器的最小分辨率值时，即认为结构变位达到相对稳定。

终止加载的条件：结构控制界面的变位、应力（或应变）在未加载到最大试验荷载前，提前达到或超过理论计算值，或控制界面产生裂缝且裂缝扩张迅速，应立即终止加载。

4.5 试验结果及分析

根据双曲拱桥的结果的特点，采用有限元来分析其内力，建立统一的有限元模型，采用适当的连结方式把拱上建筑和主拱圈连接在一起，模拟拱上建筑和主拱圈的共同作用。

4.5.1 挠度测试结果

拱顶截面在满载工况下挠度实测值与计算值比较见表1，实测挠度校验系数部分大于1.0，拱顶截面挠度实测值大于理论值，说明桥跨结构刚度不足，应采取措施控制桥跨结构的通行荷载。

4.5.2 应变测试结果

控制截面的应变实测值及校验系数见表2，从表中可以看出，应变校验系数介于0.92～1.07之间，对照《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》关于校验系数的规定范围发现：大部分测点的应变校验系数大于0.80，部分大于1.00，相对残余部分大于25%，表明结构的实际承载力已不满足汽―20级荷载使用要求。

5 维修加固措施

为保证大塘桥安全正常运营，对主拱圈进行加固处理，增强拱肋间整体横向刚度，对腹拱裂缝进行封闭处理，露筋部分桥墩及基础冲刷部分，凿除表面混凝土，清洗锈蚀钢筋，然后植入新的钢筋后重新用砂浆抹平。

6 结束语

目前大量的双曲拱桥由于设计年代久远，设计荷载等级较低。随着经济的发展，日益增长的车辆和超载车驶过该类桥梁，需要一种合理的评价体系，这种体系既能使这些旧桥继续发挥作用，又能保证运营的安全。

评价现有桥梁的承载力需要建立对结构现有病害的充分调查与成因分析，并综合考虑材料劣化情况与桥梁实际交通量调查的基础上，为管养部门合理提供依据，具有明显的社会和经济效益。

参考文献：

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