江界河大桥病害检测及成因分析

苏 龙，刘 祥

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳 550003)



江界河大桥病害检测及成因分析

苏 龙，刘 祥

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳 550003)

对运营20余年的江界河大桥外观病害进行全面检测，获得该桥的技术状况等级。使用桥梁博士软件对该桥结构进行有限元分析，确定其静动载试验的各种最不利工况及加载载位，并根据其现场静动载试验，得出其各加载工况下的相应挠度、应变等参数。基于病害检测结果对桥梁承载能力进行评定，并对该桥的病害成因进行分析。

江界河大桥；病害检测；病害成因

1 工程概况

江界河大桥是贵州省瓮安县境内马(场坪)瓮(安)遵(义)公路上横跨乌江的一座特大预应力混凝土桁式组合拱桥。桥梁全长461 m，孔跨布置为20 m+25 m+30 m+330 m+30 m+20 m。该桥至今已运营20余年，桥面系和上部结构主要构件均出现了较为严重的病害。为全面评估桥梁使用功能并确保其运营安全，采用裂缝测宽仪及静动态应变采集系统等仪器对该桥进行了外观检测和荷载试验[1]。桥梁全貌如图1所示。

2 成桥几何状态测量

2.1 测点布置

为得到净跨径和净矢高等参数，对江界河大桥几何形态参数进行了检测，包括如下内容：采用水准仪测定桥跨结构纵向桥面相对线形；采用全站仪测测量桥面高程时，采用电子水准仪及2 m铟瓦条形码水准标尺按2等水准施测纲要进行测量。桥面左右侧的2条测线实测高程分布如图3所示。经测量，江界河大桥桥面线形较为平顺，左右侧测线基本对称，其偏差在-22～+11 cm范围内。

图1 江界河大桥全貌

量主拱圈线形。桥面和主拱圈线形测点布置如图2所示。

2.2 桥面高程测试

图2 桥面和主拱圈测点布置示意

图3 桥面高程曲线

2.3 主拱几何参数测试

由于江界河大桥桥址附近无平面控制点，主拱几何参数测量采用假定坐标系(X-Y-Z坐标系)。具体为：在江界河大桥瓮安下游方向选取固定点Q1，假定其坐标为X=0，Y=0，Z=0；在瓮安岸桥面一侧下游方向选取固定点Q2，假定Q1至Q2为东方向，用极坐标法分别测出瓮安一侧下游的Q2、遵义一侧下游的Q3坐标作为本次测量的起始点。本次测量设站于Q1，采用极坐标法测出主拱圈坐标，共设置34个测点，测量曲线如图4所示。

图4 主桥拱轴线测量曲线

根据竣工资料，该桥成桥预拱度值为60 cm。经检测，该桥拱顶预拱度值仅剩7.8 cm。

3 外观检测[2-3]

江界河大桥目前结构外观现状较差，存在诸多严重病害，尤其是存在较多超规范限值裂缝，结构局部损伤严重，对结构的整体性、耐久性和使用安全造成严重影响，需引起足够重视。该桥主要病害表现在以下几方面：

1) 拱圈内部各室立柱与斜杆交界处下弦顶板出现多条纵向、斜向裂缝，最大缝宽0.8 mm，最大缝长4.5 m；腹板出现竖向、斜向裂缝，最大缝宽0.3 mm，最大缝长1 m；拱顶实腹段底面出现横向、纵向裂缝，最大缝宽0.21 mm，最大缝长8 m。

2) 上弦顶底板存在横向裂缝、渗水、泛碱现象，最大缝宽0.15 mm，最大缝长3.6 m；腹板出现纵向、斜向裂缝，最大缝宽0.25 mm，最大缝长3 m。

3) 立柱出现斜向、竖向、横向、环状裂缝并露筋，最大缝宽0.35 mm，最大缝长12 m；斜杆出现横向、竖向裂缝，最大缝宽0.5 mm，最大缝长2.5 m；立柱及斜杆的横系梁出现竖向贯通裂缝，最大缝宽0.2 mm。

4) 引桥上弦存在横向、纵向、斜向裂缝，最大缝宽0.2 mm，最大缝长3.25 m；斜杆出现斜向裂缝和网状裂缝，缝宽0.25 mm，最大缝长4 m；14#桥台出现竖向贯通裂缝，最大缝宽0.5 mm。

5) 桥面多处出现横向开裂、坑槽；伸缩缝堵塞、胶条断裂、混凝土破损、失效；人行道挑梁钢筋锈胀，人行道板破损、移位。

根据JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》，江界河大桥技术状况评分为56.8，技术状况评定为3类，属于较差的状态。

4 静载试验

桥梁静力荷载试验[4]的目的是测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力，确定桥梁结构的实际工作状态能否满足设计活载作用下的正常使用要求。为验证各关键截面是否满足承载能力要求，对江界河大桥进行了静力荷载试验。

4.1 计算参数

设计荷载：汽车-超20级。

结构材料：上部构造为C60混凝土，下部构造(桥台基础、边孔腹杆基础、拱座、墩上立柱)为C40混凝土。

汽车荷载系数：双向2车道横向折减系数为1.00。

4.2 计算模型

计算时，采用桥梁博士软件对江界河大桥进行有限元分析。江界河大桥全桥模型划分为803个节点、446个单元，其计算模型如图5所示。

图5 江界河大桥计算模型

4.3 测点布置

江界河大桥共设置了15个变形测点，采用高精密水准仪进行测试。全桥设置13个应变测试截面，具体截面位置如图6所示。测试时，采用在混凝土表面粘贴阻值为120 Ω、灵敏系数为2.06、标距为10 cm的电阻应变片并匹配DH3815N静态应变测试系统进行测试。

4.4 加载工况

本次荷载试验对部分影响线相近的工况进行了合并，各试验工况[5]及荷载效率系数[6]见表1。

注：1.从瓮安至遵义方向桥台或立柱依次编号为0#桥台、1#～13#立柱、14#桥台，其中6#和9#为双立柱；2.单位：cm。

工况编号控制截面及试验工况单元号节点号控制弯矩/(kN·m)试验弯矩/(kN·m)控制轴力/kN试验轴力/kN荷载效率系数1J1截面最大负弯矩偏载加载305314-891-768--0.862J2截面最大负弯矩偏载加载344353-3760-3470--0.923J2截面最大负弯矩中载加载344353-3760-3470--0.924J3截面最大正弯矩偏载加载36237171706930--0.975J3截面最大正弯矩中载加载36237171706930--0.976J4截面最大正弯矩偏载加载747698809610--0.977J4截面最大正弯矩中载加载747698809610--0.978J5截面最大正弯矩偏载加载59601510013800--0.919J5截面最大正弯矩中载加载59601510013800--0.9110J6截面最大正弯矩偏载加载565743004040--0.9411J6截面最大正弯矩中载加载565743004040--0.9412J7截面最大负弯矩偏载加载1919-2700-2660--0.9913J8截面最大负弯矩偏载加载444801-787-649--0.8214J8截面最大负弯矩中载加载444801-787-649--0.8215J9截面最大轴力偏下游加载230235---2050-18100.8816J10截面最大正弯矩偏载加载393934503440--1.0017J11截面最大正弯矩偏载加载141431703280--1.0318J12截面最大正弯矩偏载加载8828202900--1.0319J13截面最大正弯矩偏载加载4414801490--1.01

4.5 测试结果

1) 各工况测试截面主要挠度测点的校验系数介于0.35～1.00之间，均不大于1，结构刚度满足试验评定荷载等级的要求。

2) 各静载试验工况满载时J1、J2、J3、J5、J7、J9、J10、J12、J13截面应变校验系数介于0.28～0.94，截面受力状态正常，截面结构强度满足试验评定荷载等级要求。上弦及主拱圈截面边室的应变值比中室大，表明截面中室参与共同工作的性能较差。

3) 应变检测结果表明，J6截面应变校验系数介于0.36～1.61，平均值为0.95，小于1，截面结构强度基本满足试验评定荷载等级要求，但应变分布离散性大，最大应变校验系数达到1.61，截面整体工作性能较差；J4截面应变校验系数介于0.83～1.45之间，平均值为1.03，大于1；J8截面应变校验系数介于0.85～1.44之间，平均值为1.04，大于1；J11截面应变校验系数介于0.71～1.76之间，平均值为1.25，大于1。由此可知，J4、J8、J11截面的结构强度不满足试验评定荷载等级的要求。

4) 静载试验过程中对选定的裂缝观测点位进行了观测，未见裂缝扩展。

5) 实测相对残余应变、相对残余挠度均在JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定的范围内，表明结构具有良好的线弹性状态。

5 动载试验

江界河大桥动载试验[7-8]测试内容主要包括脉动试验、20、30、40 km/h无障碍行车试验和20、30 km/h刹车试验。主桥无障碍行车试验和刹车试验测试点分别布置在J2、J4、J10截面下缘和J3截面上缘。对试验数据进行了分析，得出该桥前3阶竖向频率和冲击系数结果，分别阐述如下。

5.1 频率

通过脉动试验得到了江界河大桥前3阶竖向频率，并将其计算频率与实测频率进行了对比，结果见表2。由表2可知，江界河大桥第1阶实测频率与计算频率比值为1.07，故桥梁自振频率评定标度为2。

5.2 冲击系数

对江界河大桥进行了现场测试，得到主桥各截面冲击系数随行车和刹车速度的变化曲线，如图7所示。图7中，J2、J3、J4和J10截面动载试验冲击系数分别为0.258、0.168、0.321和0.223，冲击系数均大于计算得出的规范允许值(0.05)，表明该桥冲击系数较大，对结构受力及行车安全有影响，过大的振动容易导致结构的疲劳损伤并加剧结构开裂。冲击系数超出规范值主要是由于桥面多处坑槽、伸缩缝附近桥面严重缺损所致。

表2 前3阶竖向计算频率和实测频率对比

注：工况1～3分别代表20、30、40 km/h无障碍行车试验；工况4～5分别代表20、30 km/h刹车试验。

图7 动载试验冲击系数变化曲线

6 病害成因分析

1) 弦杆端部节点裂缝：主要原因是不同立柱相邻2节间的位移不相等，上弦杆端部凸杆与桥台、墩柱搭接处角位移不协调，致使该节点出现竖向剪切应力，从而导致节点出现裂缝。

2) 实腹段底板裂缝：桥梁实腹段厚度较小、弯矩较大，使得实腹段容易产生裂缝，从而导致雨水、潮湿空气侵入，钢筋锈蚀。

3) 拉杆开裂：混凝土收缩、徐变致使拱片挠度增大，偏离设计合理位置，杆件截面应力不均匀度增大导致其出现开裂。

4) 立柱横向裂缝：立柱横向裂缝主要出现在立柱与上下弦杆连接处，应力集中。桥梁两侧日照时间差异及日照产生的温度梯度也是桥梁产生裂缝的原因之一。江界河大桥所处位置为峡谷地区，风荷载产生桥梁的振动加剧了桥梁横向裂缝的发展。

5) 横系梁、横拉杆、横隔板竖向开裂：主要原因是原桥设计截面较小，横向联系较弱，而近10年来交通量增大且超载车辆比例大，致使桁架竖向变形量大且出现竖向裂缝。

6) 上弦底板裂缝、桥面板裂缝、破碎：随着汽车载重及超载违章车辆的增加，对桥面板有重大影响的单车重力或车轮荷载已超过了其设计荷载等级。另外，汽车冲击影响致使桥面铺装层开裂，若不及时维修,当桥面出现坑洞甚至上弦顶部破坏的话则会影响行车安全。

7 结束语

本文采用裂缝测宽仪及静动态应变采集系统等仪器对江界河大桥进行了外观检测和荷载试验，并对桥梁结构产生的病害进行了原因分析。其检测结果不仅为该桥后续维修加固设计提供了重要依据，也为同类型桥梁病害检测和成因分析提供了宝贵经验。

[1] 贵州省交通规划勘察设计研究院试验检测中心．遵义至瓮安公路江界河大桥检测报告[R].贵阳：贵州省交通规划勘察设计研究院试验检测中心，2014.

[2] 刘自明．桥梁工程检测手册[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[3] 陕西省公路局.公路桥涵养护规范：JTG H11—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 交通运输部公路科学研究院.公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG /T J21—2011[S]．北京：人民交通出版社，2011.

[5] 苏 龙，肖 池，胡章立.六盘水市白鹤高架桥荷载试验及分析[J]. 公路工程，2010(10)：121-123．

[6] 交通部公路科学研究所.大跨径混凝土桥梁的试验方法：YC4-4/1982[S]．北京：人民交通出版社，1982.

[7] 徐日昶．结构振动测试[M]．哈尔滨：东北林业大学出版社，1993．

[8] 姜增国，瞿伟廉．跑车试验测定桥梁结构冲击系数的理论及应用[J]．武汉理工大学学报，2002，24(8)：57-59．

Jiangjiehe Bridge Disease Inspection & Cause Analysis

SU Long, LIU Xiang

This paper introduces overall inspection to appearance disease of Jiangjiehe Bridge that has been operating for 20 years, so to acquire technical status of this bridge. We use Dr. Bridge software to carry out finite element analysis to structure of this bridge and determine the most unfavorable conditions and loading positions with static/dynamic load tests. Based on site static/dynamic load tests, we get relative flexibility and strain parameters under all loading conditions. Based on disease inspection, we give evaluation to bridge bearing capability and give analysis to cause of the disease.

Jiangjiehe Bridge; disease inspection; cause of disease

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.020

2016-01-04

苏 龙(1981-)，男，湖南省益阳市人，硕士，高工。

1009-6477(2016)05-0086-05

U445.7+1

A