老旧拱桥病害检测及承载能力检算

田亚洪，谭晓晶，杨成标

（1.昆明市公路工程质量检测中心有限公司，云南 昆明 650217；2.云南省建筑科学研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

随着社会经济的发展，一大批老旧桥梁由于年久失修、原设计荷载等级底等原因已无法满足日益增长的交通需求，老旧桥梁服役期间的性能已引起社会广泛关注[1-2]。桥梁的定期和经常检查是保障其安全的基本手段，常规的桥梁病害检查以人工目测观察结合仪器观测进行，调查和分析各种病害大小、影响程度和危害等，再综合评估结构的性能。对于老旧桥梁安全检测，文献［3-4］介绍了旧桥检测的主要内容和相关检测项目并指出桥梁病害类型和病害原因，列出了几种旧桥的加固方法与建议。刘海洋等人［5］发现钢筋混凝土桁架拱桥的病害受超载和基础不均匀沉降的影响较为严重，并提出了相应的性能评估方法。李禹剑等人［6］针对老旧桥梁难以诊断以及诊断结果不准确等问题，提出了一种基于BP神经网络的老旧桥梁诊断方法。此外，由于桥梁老旧问题和车辆流量的加大，李玉军［7］提出了老旧桥梁的养护和加固建议，陈忠祥［8］针对老旧圬工桥梁提出了相应的加固及养护措施。老旧桥梁由于服役年限较久，性能衰退，加之承受荷载等级增大，因而其承载力是关注重点。本文从老旧桥梁病害检测角度入手，评估其承载力性能，以供行业参考。

1 桥梁概况

桥梁为跨径45m的单跨双肋拱桥，拱肋为钢筋混凝土结构，两肋之间通过横系梁进行连接（图1所示）。拱肋为高1.2m、宽0.5m的矩形截面，两侧桥台为重力式U型桥台，桥面宽度5.5m。桥梁原设计荷载：汽车-15级。该桥建于上世纪90年代初，在经历2012年5.7级地震后封闭，现需对其进行病害检测和承载能力评定，以确定其是否满足行人通行要求。

图1 桥梁现场

2 病害检测

根据文献［9］的相关规定，将全桥划分为17个部件，按部件在桥梁中的重要程度，给每个部件赋予不同的权重值，然后根据每个部件的病害情况对单个部件进行评定，最后计算全桥的得分值，同时要考虑按照重要部件中最差缺损状况进行结构评定。病害检查包括上部结构、下部结构和桥面系及附属设施。

经检查，桥梁拱肋底板现2条纵向裂缝，长度约0.8m左右、裂缝主要呈顺桥向沿拱肋边缘延伸，局部混凝土破损、蜂窝麻面。西岸多处立柱底部开裂、砼剥落破损，局部有钢筋外露锈蚀现象，伸缩缝处盖梁有比较严重渗水钙化伴有青苔生长，表明伸缩缝处防水功能失效。全桥多处拱肋底板、腹板、立柱、盖梁、系梁表明有水渍、局部伴有渗水钙化现象发生。东、西岸桥台侧墙灌木杂草生长、侧墙砌石表层脱落、侧墙渗水。桥面板外侧杂草滋生、桥面现多处网裂、伸缩缝遭破坏、多处护栏扶手、立柱砼破损露筋、部分护栏扶手断裂、部分护栏立柱与扶手连接构造失效。桥梁典型病害如图2所示。

图2 典型病害

3 承载力检算

依据设计规范，分别计算主要承重构件在承载能力极限状态和正常使用极限状态的承载力。根据《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》，当满足以下条件时，即认为结构承载能力满足检算荷载要求：

（1）承载能力极限状态下，正截面抗弯强度大于该截面的最不利内力组合值；

（2）承载能力极限状态下，斜截面抗剪强度大于该截面的最不利内力组合值；

（3）承载能力极限状态下，偏心抗压强度大于该截面的最不利内力组合值。

利用Midas civil有限元软件，将桥梁各构件离散成单元、节点，并输入边界条件、材料、荷载等参数，进行建模分析，验算主要构件的结构承载能力。根据材料强度实测结果，计算模型的材料：拱肋为C30砼；盖梁、立柱、系梁为C25砼；受力主筋和构造钢筋分别为Ⅱ级钢筋和Ⅰ级钢筋。

图3 结构计算模型

（1）承载力检算系数Z1。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，桥梁结构承载力检算系数Z1需依据材质强度、表观缺损和结构自振频率等指标结果来综合确定。桥梁结构或构件的承载力检算系数评定标度D可按式（1）计算。

式中：αj——某项检测指标的权重值，Σαj=1，按表1取值；

表1 承载力检算系数检测指标权重

Dj——结构或构件某项检测指标的评定标度。

根据Dj值，可查表得到Z1=1.08。

（2）截面折减系数ζc。综合考虑材料碳化、风化、物理及化学损伤等检测指标，结构或构件截面的综合评定标度R计算公式为

式中：Rj——某项检测指标的评定标度；

αj——某项检测指标权重值，Σαj=1，按表2的规定取值。

表2 材料碳化、风化、物理化学损伤权重

根据R值，可查表得到ζc=0.99。

结构承载力计算评定可根据式（3）

式中：γ0——结构重要性系数；

S——荷载效应函数；

R（fd，ζc，ad）——抗力效应函数；

fd——材料强度设计值；

ad——结构几何尺寸；

（3）正截面抗弯强度验算。依据承载力评定标准，在考虑结构检算、恶化、折减、修正系数的情况下，验算拱肋构件正截面抗弯强度值，结果如图4和表3所示。

图4 正截面抗弯验算结果

表3 正截面抗弯承载力验算

由图4和表3可以看出，在最不利荷载组合时，拱肋各截面的弯矩效应值γMu小于其正截面抗弯承载力Mn，表明该桥承载能力极限状态下拱肋各截面抗弯强度满足设计荷载要求。

（4）斜截面抗剪强度验算。计入结果检算、恶化、折减、修正系数，验算拱肋构件斜截面抗剪强度结果如图5和表4所示。

图5 斜截面抗剪验算结果

表4 斜截面抗剪承载力验算

由图5和表3可知，拱肋构件各截面斜截面抗剪强度Vn大于最不利荷载组合效应值γVd，表明承载能力极限状态下该桥梁斜截面抗剪强度满足设计荷载要求。

（5）偏心抗压强度验算。在计入结果检算、恶化、折减、修正系数的情况下，验算拱肋各截面偏心抗压强度结果如图6和表5所示。

图6 偏心抗压验算结果

表5 偏心抗压强度验算

由图6和表5可知，拱肋构件各截面偏心抗压强度Nn大于最不利荷载组合效应值γNd，表明承载能力极限状态下该桥梁拱肋各截面偏心抗压强度满足设计荷载要求。

4 结语

（1）桥梁主要病害位置在拱上结构西岸1-3#立柱底部、桥面护栏及伸缩缝部位，立柱病害主要表现为立柱底部混凝土不同程度开裂、混凝土破损、钢筋锈蚀外露；护栏病害主要表现为构件开裂、连接构造失效、部分混凝土破损露筋；伸缩缝病害主要表现为防水功能失效。（2）经过验算，在结构承载力极限状态下，桥梁拱肋结构控制截面正截面抗弯强度大于该截面的最不利内力组合值，拱肋结构斜截面抗剪强度大于该截面的最不利内力组合值，拱肋结构偏心抗压强度大于该截面的最不利内力组合值[9-10]。