某双曲拱桥技术状况评定研究

焦明东 宋 玉

(上海同济检测技术有限公司 上海 200092)

0 引言

双曲拱桥由拱架、拱波、拱板等主要部件组成，拱肋通过横系梁连接形成拱架，拱架上浇筑混凝土或砌筑横向棚砖形成拱波，拱波上浇筑混凝土形成拱板，使得各个部分共同作用形成双曲拱桥。双曲拱桥在传统石拱桥的基础上考虑了混凝土结构的装配式施工，多采用分段预制和组装完成主拱圈的施工[1，2]，具有施工简便、取材方便和造价低廉等优点，在20世纪60年代一经推广便得到了广泛的应用，截至80年代末期我国共修建了4000余座双曲拱桥，总长约35万余延米。由于结构构造、材料选择和施工水平等原因，双曲拱桥具有拱圈配筋不足、肋间横向联系弱、拱圈整体性差、设计荷载等级低和成桥质量离散性大等先天缺陷，随交通量和车辆超载的不断增加，现存双曲拱桥几乎都出现了不同程度的病害和损伤，尤其以开裂和破损现象较为普遍，降低了桥梁的耐久性和使用寿命，甚至发展为危桥[3，4]。对于现存双曲拱桥，若全部拆除重建，经济上是不可行的，最好的选择是对其进行科学合理的检测，合理评定其当前服役现状，为进一步的改造升级提供技术支持[5-7]。

以我国西部某双曲拱桥为背景，本文根据实地调查，对于其外观、材质状况和结构线形、尺寸等因素进行了调查分析，在上述基础上计算了主拱圈的承载能力，结果显示关键截面抗压承载能力满足设计和当前承载要求。本文系统研究了双曲拱桥的承载能力评价过程，对于未来类似项目提供一定的工程经验。

1 工程背景

某双曲拱桥位于西藏自治区昌都市，跨越扎曲河，修建于1980年左右(图1、2)。桥梁全长为91.0m，跨径组合为(14.0+60.0)m，其中1号孔计算跨径14.0m，2号孔计算跨径为60.0m，2号桥台长17.0m；1号孔和2号孔为双曲拱结构，1号孔拱圈上部5个腹拱，2号孔拱圈上部14个腹拱；0号台为重力式桥台，2号台为齿坎式桥台。桥宽9.0m，桥面横向布置为1.1m(栏杆+人行道)+6.8m(行车道)+1.1m(栏杆+人行道)。据调查，1号孔拱肋、2号孔拱肋和横系梁已于2002年加固。

图1 桥梁立面图 图2 跨中断面示意图(尺寸单位：cm)

随着服役年限的增长和交通荷载的持续增加，桥梁产生了许多病害，其中1号孔和2号孔拱波、立墙(立柱)产生了不同程度的裂缝、渗水问题，为了确保桥梁的健康、安全服役，需要对该桥进行承载能力评定，对于制定加固维修方案提供基础依据。

2 桥梁外观技术状况调查及评定

2.1 桥梁病害状况

根据规范《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)和本项目桥梁运营环境，对于本项目双曲拱桥进行了外观技术状况调查，主要存在如下病害。

2.1.1 主拱肋

作为双曲拱桥的重要构成部分，拱肋与拱圈共同承担上部荷载，是结构的主要受力构件。如果拱肋出现抗弯强度和刚度不足的情况，则会造成结构承载能力下降，引起自身及相关构件的破坏[8]。调查结果显示，本项目拱桥共4个主拱肋，1号孔主拱肋、横向联系均有粘钢加固，外观总体良好，未见明显病害；2号孔在距离两端拱脚5.0m处主拱肋、横向联系有粘钢加固，未见明显病害。

2.1.2 主拱波、横系梁、横隔板

对于双曲拱桥结构的受力，横向联系主要起到连接主拱肋、保证拱肋共同受力、提高拱肋横向刚度的作用[9-11]。一旦横向联系强度不足产生破坏，拱波的波腹顶部会出现纵向裂缝，甚至形成横桥向的裂缝。调查结果显示，1号孔和2号孔拱脚处拱波波腹产生了长度不等的纵向裂缝，宽度均≤0.12mm，部分裂缝有渗水痕迹。

2.1.3 腹拱立柱、横墙

对于双曲拱桥结构而言，腹孔拱板与主拱肋、拱波连接，共同承担上部立柱传递过来的荷载。由于上部荷载的不均匀和结构变形的不协调，腹孔拱板连接位置多数产生纵向裂缝。调查结果显示，伸缩缝处的横墙(顶、底)钢筋均严重锈蚀，混凝土大面积剥落，沿主筋方向混凝土胀裂，严重区域甚至发生箍筋锈断现象。

2.1.4 桥台、拱座

对于双曲拱桥而言，由于自重较大，对于拱座和桥台的水平推力的承载能力要求较高，一旦桥台和拱座出现水平位移，将会导致拱圈下沉、开裂，拱肋与拱波分离，侧墙与拱肋分离或立柱严重开裂等现象。调查结果显示，西侧桥台台帽有钢筋外漏锈蚀、混凝土崩落现象，上游至中部区段部分区域出现钢筋锈蚀、混凝土崩落，竖向存在裂缝，缝宽约0.05mm。

2.1.5 桥面系

桥面系栏杆除装饰层有脱落外，其他无明显病害；桥面铺装出现较为明显的麻面和横向裂缝，局部混凝土破损。

2.2 技术状况评定

结合桥梁外观技术状况调查，根据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H 21-2011)的规定，桥梁桥面系评定4类，上部结构评定为3类，下部结构评定为1类，全桥评定为2类，具体情况见表1。

表1 桥梁总体技术状况评定结果

3 本桥现况无损状况检测

3.1 混凝土强度检测

作为反映结构承载能力的重要技术参数，混凝土抗压强度值采用数字式混凝土回弹仪BY2002HT进行抽检。鉴于《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23-2011)的统一测强曲线适用于龄期为14～1000d的混凝土，因此检测结果仅作为桥梁检算时的参考，具体如表2 所示。

表2 混凝土强度抽测结果(单位：MPa)

根据表2可知，混凝土强度满足设计要求，说明桥梁经过长时间服役，主体结构仍可以继续工作，满足原设计要求。

3.2 保护层厚度检测

保护层厚度采用HC-GY61钢筋保护层厚度检测仪抽检，具体结果见表3。

表3 钢筋混凝土保护层厚度检测值(单位：mm)

由表3可知，从钢筋保护层检测结果上看，目前为止主体结构的保护层满足设计要求。

3.3 拱轴线测量

为了得到该桥实际拱轴线形，采用全站仪测量拱圈实际线形，测量数据为拱圈下边缘的相应数值，在实际计算分析时，将测量数值换算为拱轴线位置相应值，测量结果如图3所示。

图3 双曲拱桥拱轴线测量结果

根据图7可知，双曲拱桥拱轴线线形较好，未发现明显突变和变形，说明主拱圈未发生较大的变形，具有一定的承载潜力。

4 桥梁承载能力评价

桥梁承载能力鉴定，即通过检定该桥是否满足原设计结构工作性能和承载能力要求，是否具有挖潜承载能力可能，从而为旧桥养护维修、改造加固决策提供技术支持。

4.1 分项检算系数

根据桥梁缺损状况检查及评定、材质状况与状态参数检测评定结果，并依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)中对承载能力检算系数、承载能力恶化系数、混凝土结构截面折减系数及钢筋的截面折减系数进行取值，2号孔分项检算系数取值见表4。

表4 2号孔桥梁分项检算系数

4.2 主拱圈承载能力评定

为了全面评价本桥梁的承载能力，需要对于主拱圈承载能力进行评定，本问选取外观较差的2号孔作为检测对象。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，结构按承载能力极限状态设计的基本组合，并考虑活载影响修正系数：

γ0Nd=γ0(1.2S恒+1.0S收缩+1.4S汽ξq+0.7(1.4S人群ξq+1.4S温度)

(1)

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)规定，钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁承载能力检算公式如下：

γ0Nd≤(fcd,ξcad)Z1

(2)

关于检算桥孔2号孔的正截面承载能力检算结果见表5。

表5 构件截面强度验算结果汇总表

根据表5可知，主拱圈抗压承载能力满足承载要求。外观调查显示，主拱拱顶位置受压体系部分已经遭到破坏，其原因在于超载车辆多次的通过，导致其主拱拱顶部位产生了横向裂缝，这也是桥梁承载能力下降的原因，应及时封闭裂缝和补强处理。

5 结论

桥梁结构的检测加固是一项较为困难的事情，尤其是对于双曲拱桥一类的偏心受压结构，如何进行结构现存承载能力的评价更是加固维修的基础。基于某西南地区双曲拱桥项目，本文首先对桥梁外观技术状况进行了评定，然后对于结构关键构件进行了无损检测，并对桥梁拱轴线形进行了测量分析，最后根据规范，对于双曲拱桥的主拱圈抗压承载能力进行了评定，结果显示双曲拱桥能够满足当前状况承载要求，且有一定的承载潜力。