刚桁架拱桥无损检测与承载能力评定

赵晓川，赵子雪

（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

无损检测是在不损伤被测材料的情况下，检查材料的内在或表面缺陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测技术。无损检测技术目前已在土木工程领域广泛应用，其一般借助现代的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试。现代电子技术和计算机技术的发展和其它学科介入无损检测领域，使无损检测技术得到飞速发展。对于桥梁结构，通过某钢筋混凝土桁架拱桥的无损检测和荷载试验，获取结构的主要技术参数后，可对桥梁结构运营使用状况，承载能力检测评定提供基础数据。

1 桥梁概况

1.1 桥梁结构布置

某城市桥梁建成于1992年，桥梁设计为三跨上承式钢筋混凝土桁架拱桥，桥梁立面布置见图1。

图1 桥梁立面布置/mm

该桥上部结构每跨均由11榀桁架拱片、微弯板和横梁组成，相邻桁架拱片中心间距为2.8 m，桁架上弦杆采用凸字形截面，高0.4 m，底宽0.3 m；下弦杆采用矩形截面，高0.5 m，宽0.3 m；腹杆分为竖杆及斜杆，均为矩形断面，其中端竖杆截面尺寸为0.3 m×0.4 m，其余竖杆及斜杆截面尺寸为0.3 m×0.25 m。每跨相邻两桁架间均设置13道横梁，其中上、下弦杆在节点处设4道拉杆及隔板，实腹段设5道隔板，在两端拱脚、1/4及3/4跨处各设一道剪刀撑。桥梁下部结构桥台为重力式桥台，桥墩采用薄壁式空心墩，基础采用21根直径1.2 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长为13.5 m。

1.2 主要设计技术标准

桥梁桁架拱片混凝土设计强度等级为40#混凝土，横系梁混凝土设计强度等级为25#混凝土，微弯板及拱座混凝土设计强度等级均为30#混凝土，桥台台身、桥墩墩身及钻孔灌注桩混凝土设计强度等级均为20#混凝土。该桥设计桥面总宽30.0 m，桥宽布置如下：0.25 m栏杆基座+2.75 m人行道+24.0 m车行道+2.75 m人行道+0.25 m栏杆基座。桥面铺装采用钢筋混凝土铺装层。全桥墩台位置桥面采用型钢伸缩装置。两侧采用高1.0 m，基座宽为0.25 m的钢筋混凝土花板栏杆。桥梁设计荷载为汽车-20级，挂-100。

2 桥梁无损检测结果与分析

2.1 钢筋保护层厚度检测

混凝土保护层可以有效阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等渗入，从而保护钢筋免遭侵蚀或延缓钢筋的腐蚀，混凝土的保护层厚度是影响钢筋耐久性的一个重要因素。因此，通过检测钢筋的混凝土保护层厚度可以把握钢筋的耐久性。

检测抽取了6片主拱肋和一个3#桥台拱座进行主筋混凝土保护层厚度检测，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21—2011）有关规定进行标度评定。6片主拱肋主筋混凝土保护层厚度平均值为27.8～34.1 mm，均满足设计所采用的拱肋底板主筋保护层厚度27.5 mm的要求，Dne/Dn为0.85～1.10，其中2片拱肋评定标度为1，表明这些拱肋混凝土保护层厚度对钢筋耐久性影响不显著，3片拱肋评定标度为2，表明这些拱肋混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有轻度影响，1片拱肋评定标度为3，表明该拱肋混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有影响。抽检的桥台拱座箍筋混凝土保护层厚度平均值为30.3 mm，不满足设计所采用的桥台拱座箍筋保护层厚度32.0 mm的要求，Dne/Dnd为0.77，评定标度为3，表明桥台拱座混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有影响。

2.2 混凝土强度和碳化深度检测

混凝土强度检测选取了6片拱肋和3#桥台拱座共7个构件，共70个测区进行混凝土强度检测。抽检的6片拱肋混凝土强度推定值介于41.1～52.7 MPa之间，均满足设计所采用的拱肋混凝土强度等级40#（C38）的要求。抽检的3#桥台拱座混凝土强度推定值为34.4 MPa，满足设计所采用的桥台拱座混凝土强度等级30#（C28）的要求。

碳化深度对钢筋锈蚀的影响，应根据测区混凝土碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值之比进行评价。本次检测通过在混凝土表面钻孔，露出孔内新鲜混凝土内壁表面，并除净表面粉尘，然后用1%酚酞酒精喷涂，检测其变色与不变色的临界面深度，确定混凝土的碳化深度，变红表示混凝土未碳化，不变色则表示混凝土已经碳化。碳化深度测试仅在结构表面钻较小的孔，并不对结构造成实质性损伤。本次选取强度测试的7个构件，共21个测区进行碳化深度检测，抽检的拱肋、桥台拱座共7个构件混凝土保护层表面的平均碳化深度值为3.0～12.0 mm，比值Kc为0.10～0.40，表明本次抽检的各构件混凝土碳化深度对钢筋锈蚀无影响。

2.3 钢筋锈蚀状况检测

当混凝土处于一个高碱性环境，混凝土中液体pH值为13左右时，会在表面形成一层保护膜，不会锈蚀；但当有氧气和水分存在时，由于氯化物或碳化，这种保护膜会被破坏，发生锈蚀。锈蚀过程中，在表面形成阳极区和阴极区，导致离解，在阳极区生成膨胀的锈蚀物。腐蚀速率受铁离子通过混凝土从阳极迁到阴极的便利程度的影响，因此，电势越高，电阻率越低，通常腐蚀率也就越大。

桥梁锈蚀状况检测采用半电池电位锈蚀度测量法，该方法是目前在现场无损锈蚀度检测中较先进的一种方法，使用的仪器是瑞士CANIN+锈蚀分析仪。瑞士CANIN+锈蚀分析仪能通过测量和混凝土表面之间的电位和电阻率，来评价腐蚀程度和保护层状况，腐蚀程度由电势的高低来判断。电势越高，腐蚀的可能性就越大；同时考虑电阻率的影响，电阻率低，表明混凝土孔中存在水分和氯化物，表现为电势高；电阻率高，表现为电势低。本次选取2片拱肋主筋作为检测对象，其中一片拱肋检测结果见图2，抽检的2片拱肋主筋无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定，锈蚀概率小于10%。

图2 拱肋电阻率检测结果

3 桥梁荷载试验检测

3.1 桥梁静载试验

静载试验是检验桥梁结构在试验荷载作用下桥梁工作状态与运营性能的有效手段。通过 对桥跨结构进行静荷载加载，测量试验荷载作用下主梁控制截面的应变（应力）和挠度等指标，评定桥梁承载力是否满足设计要求。本次试验选取该桥西边跨作为试验跨，设拱顶、3L/4及西端拱脚共3个测试断面，在各测试断面布置应变、挠度测试仪器。

采用 Midas Civil桥梁有限元软件建立桥梁单跨空间模型进行计算分析，根据无损检测结构对模型参数进行修正。静载试验荷载采用两辆重480 kN的四轴载重货车作为试验荷载，静载试验效率见表1。

表1 静载试验加载效率系数

在试验荷载作用下拱顶断面各测点的应变校验系数在0.42～0.66之间，拱脚断面各测点的校验系数在0.41～0.57之间，均小于1，满足《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T233—2015）规定的校验系数小于1的要求；拱顶断面各测点挠度校验系数在0.42～0.64之间，3L/4断面各测点挠度校验系数在0.26～0.39之间，均小于1。该桥各工况下测试断面应变相对残余变形在0～11.11%之间，各工况下测试断面挠度相对残余变形在0～4.00%之间，均小于规范规定的相对残余变形容许值20%。静载试验结果表明桥梁上部结构在正常使用极限状态下满足汽车-20级荷载的安全使用要求。

3.2 动载试验

3.2.1 桥梁自振特性测试

通过有限元计算见图3，桥梁理论计算竖向1阶振动频率为1.91。采用桥梁动态信号采集和振动测量系统测得结构竖向振动频率为3.65。该桥实测竖向基频大于理论计算竖向基频，表明该桥实际刚度较理论要好。

图3 桥梁竖向1阶振型（f=3.65）

动载试验桥梁冲击系数测试，以一辆480 kN重车分别以行车速度10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h四个工况沿桥面匀速驶过桥面，采用DH5908型动静态应变采集系统记录拱肋动态测点的动应变时程信号。测试结构通过对动载试验该测点应变动态时程曲线分析，可以得到该测点实测最大动应变及相应动态增量，测试结果见表2。

表2 桥梁冲击系数测试结果

由表2测试结果可知，试验车辆驶过桥面时引起拱肋应变冲击系数在0.059～0.135之间，小于设计采用击系数0.200，说明该桥抗冲击性能较好，实际刚度好于理论计算刚度。

4 结语

桥梁无损检测结果表明，部分构件的钢筋保护层厚度不满足设计要求，混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有影响；结构混凝土强度均满足设计要求，混凝土碳化深度钢筋锈蚀无影响；抽检的2片拱肋主筋无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定，锈蚀概率小于10%。静载试验结果表明在正常使用极限状态下，目前该桥上部结构能够满足原设计汽车-20级荷载的正常使用要求；动载试验测试结果表明该桥抗冲击性能较好，该桥实测竖向基频大于理论计算竖向基频，表明该桥实际刚度较理论要好。该桥梁的试验检测方法和结果为同类桥梁的试验检测提供了参考，通过无损检测和承载能力评定可掌握桥梁结构实际运营使用状况，为桥梁的养护维修提供基础数据。