基于现场检测的某空腹式圬工拱桥适应性评定

■俞 斌

（将乐县农村公路养护管理站，三明 353300）

0 引言

拱桥以受压为主，可以充分利用抗拉性能较差而抗压性能较好的圬工材料如石料、砖等来建造，这种桥梁称为圬工拱桥。它具有就地取材、节省钢材和水泥、构造简单、有利于普及等优点，因而应用较广。在我国主要以石拱桥为主，如世界上迄今尚存的跨径最大的古代石拱桥——河北赵县安济桥，跨径37.4m；目前世界上跨径最大的圬工拱桥——山西晋城丹河新桥，净跨径达146m。圬工拱桥现在已极少修建，对大量在役圬工拱桥的评估、养护和维修加固仍是一项十分重要且艰巨的任务。

1 工程概述

某大桥，是水库上通行桥，建于上个世纪80年代。全桥共10跨，为等跨连续空腹式圬工拱桥，其中5跨一联，第5跨与第6跨中间为水库旧发电机水槽。上部结构单跨拱圈净跨径L0=16.0m，净矢高F0=3.2m，净矢跨比F0/L0=1/5；拱圈计算跨径L=16.466m，计算矢高F=3.276m。主拱圈为板拱，厚度为0.75m，采用MU30石材、M5砌筑砂浆。拱上填料为砂、砾石。桥面铺装钢筋混凝土，桥面全宽为7.50m（净6.00m行车道+2×0.75m护轮带）。下部结构：桥墩为重力式桥墩，桥台采用浆砌块石U型台。设计荷载：汽车-15级；结构全景布置如图1所示。洪水设计或然率为100年一遇。为了解桥跨主体结构在交通车辆荷载作用下的实际受力状态，评价结构的工作性能状态，需要对该桥进行适应性评定。

图1 某空腹式圬工拱桥结构总体布置图（单位：m）

2 外观病害情况

利用桥检车对该桥进行详细的外观检查，主要病害情况如下：

主拱圈1处砌石碎裂（见图2），面积0.04m2；1处砌石脱落（见图 3），面积 0.06m2；3处砂浆脱落，面积 0.08～0.60m2，总面积0.80m2；1处渗水流白灰，5处渗水长青苔。

腹拱圈2处纵向开裂（见图4），缝宽均为1.00cm，缝长 6.00m 和 1.00m；5 处砌石脱落，面积 0.01～0.08m2，总面积0.23m2；1处砌石风化开裂，缝宽0.14mm，缝长0.40m；1条横向裂缝流白灰，缝长1.00m；4条横向裂缝，缝宽均为 1.00mm， 缝长 0.60～7.00m；1条纵向裂缝， 缝宽1.00mm，缝长 1.00m；1条斜向裂缝，缝宽 1.00mm，缝长1.50m。

桥面铺装共32处出现横向开裂，缝宽2.00～5.00mm，缝长2.50～7.00m；2处桥面破损，总面积10.00m2；4处路缘石缺失；4处路缘石断裂。

根据文献[3]，该大桥综合评分为67.1，总体技术状况等级评定为三类。

图2 主拱圈砌石碎裂

图4 腹拱纵向开裂

3 荷载试验结果及分析

3.1 静载试验

3.1.1 静载试验工况及检验对象

根据外观检查结果，选取第一联为试验对象。根据该桥施工设计图纸和现场实测资料，应用MIDAS计算软件进行建模计算，桥梁模型见图5。以设计标准活载产生的该试验项目的最不利效应值等效换算，确定所需的试验荷载。然后根据桥跨结构受力特点，确定各跨试验工况，具体见表1，各跨主要测试截面见图6。由表2可知，该桥的试验荷载效率η满足文献[4]基本荷载试验规定的要求 0.95≤η≤1.05。

3.1.2 测点布置

挠度测点布置：在各控制截面拱肋对应的桥面位置架设塔尺进行测量，各控制截面挠度测点布置见图7。

裂缝观测：对外观检查中发现的腹拱圈裂缝安装加长杆进行观测，同时观测各试验工况作用下相应截面的裂缝开展情况。

表1 试验测试内容

表2 静载试验荷载效率计算（内力单位：kN.m）

图5 桥梁第一联模型图

图6 试验测试截面示意图

图7 各控制截面挠度测点布置图

3.1.3 静载试验结果及分析

在试验加载工况作用下，各控制截面的实测挠度及其与理论计算值的比较如表3所示。

经过桥梁静载试验，第1跨跨中截面挠度校验系数为0.84，相对残余挠度最大值为17.5%，第1跨L/4和3L/4截面挠度绝对值之和的校验系数为0.88，相对残余挠度最大值为16.7%；第2跨跨中截面挠度校验系数为0.71，相对残余挠度最大值为11.9%，第2跨L/4和3L/4截面挠度绝对值之和的校验系数为0.73，相对残余挠度最大值为10.3%。各测试截面挠度校验系数均小于文献[4]规定的限值1.00，相对残余挠度最大值均小于文献[4]规定值20%。

对1-1腹拱的横向裂缝和1-0腹拱的纵向裂缝分别安装加长杆进行观测，在各试验工况下，最大开展宽度为0.05mm，卸载后均恢复；各试验工况作用下相应控制截面未见新裂缝产生。

表3 各控制截面挠度分析表（单位：mm）

3.2 动载试验

3.2.1 自振特性试验工况

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比，以分析桥跨结构自振特性。

3.2.2 自振特性结果及分析

图8 实测与计算竖向1阶自振频率及振型图对比

在各跨八分点位置桥面上放置横向和竖向脉动测点传感器，实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该桥实测竖向1阶自振频率为6.46Hz，大于理论值5.62Hz，实测横向1阶自振频率为1.21Hz，大于理论值1.08Hz，实测竖向和横向振型与理论振型基本吻合，由此表明该桥竖向和横向实际刚度比理论刚度大。该桥实测和理论竖向1阶自振频率及振型对比见图8，实测和理论横向1阶自振频率及振型对比见图9。

图9 实测与计算竖向1阶自振频率及振型图对比

4 结论

通过对该圬工拱桥的现场检测，结论如下：

（1）该桥主要病害表现在主拱圈砌石碎裂、砌石和砂浆脱落，腹拱圈纵向开裂等，总体技术状况等级评定为三类。

（2）各测试截面挠度校验系数为 0.71～0.88，均小于规定限值1.00；相对残余挠度最大值为10.3%～17.5%，均小于规定值20%。在各试验工况下，腹拱观测裂缝的最大开展宽度为0.05mm，卸载后均恢复；各试验工况作用下相应控制截面未见新裂缝产生。

（3）该桥实测竖向和横向1阶自振频率均大于相应理论值，实测竖向和横向振型与理论振型基本吻合，表明该桥竖向和横向实际刚度比理论刚度大。

（4）综上所述，该空腹式圬工拱桥实际承载能力能够满足汽-15级设计荷载等级要求，该桥适应性满足要求。基于外观检查和静动载试验相结合的现场检测方式比较直接和高效，能够用于桥梁的适应性评定。

[1]魏召兰，蒲黔辉，高玉峰.圬工拱桥承载能力评估方法研究[J].四川建筑科学研究，2011.6，37（3）.

[2]赖国华，刘涉.浅析圬工拱桥产生裂缝的主要原因[J].黑龙江交通科技，2004，6.

[3]JTG/T H21-2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].

[4]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[5]JTGD61-2005，公路圬工桥涵设计规范[S].