司秀勇，王高續(xù)，施 洲

(1.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004;2.中華人民共和國武裝警察部隊(duì) 交通第七支隊(duì)，河北 秦皇島 066004;3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

1 混凝土橋梁檢測評估研究進(jìn)展

既有橋梁的檢測評估問題早在20個(gè)世紀(jì)50年代就已提出，在1976年由西方24個(gè)國家組成的經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)完成相關(guān)橋梁檢測、承載能力評估及橋梁養(yǎng)護(hù)的研究報(bào)告。自1988年，日本召開了混凝土結(jié)構(gòu)的重新評估的國際會議;英國則于1990，1993，1996年三次召開國家橋梁檢測評估為內(nèi)容的管理會議。近年來，歐美等國家對于橋梁工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)早已轉(zhuǎn)移至既有橋梁的評估、養(yǎng)護(hù)維修、加固等方面的研究。

在工程實(shí)踐應(yīng)用方面，丹麥、芬蘭、法國、德國等國家都具備大量而詳盡的橋梁檢測標(biāo)準(zhǔn)，包括檢測規(guī)范、維護(hù)修復(fù)手冊和指南。法國的檢測周期為每9年至少一次，其它大多數(shù)歐洲國家的檢測周期為5年—6年，短于歐洲國家一般規(guī)定的最大周期，從長期來看，這種高頻率的橋梁檢測保證了人力和資金的合理分配［1］。國內(nèi)在公路、鐵路均有詳細(xì)的養(yǎng)護(hù)與檢測評定規(guī)范，規(guī)定了橋梁的養(yǎng)護(hù)檢測方法與相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)周期等。

橋梁由于受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、承受荷載、周圍環(huán)境中溫度、濕度、風(fēng)、環(huán)境侵蝕等各種因素的影響，橋梁的病害與損傷是非常復(fù)雜的。對于混凝土橋梁，混凝土材料本身受眾多因素的影響使得混凝土易于開裂、碳化、剝落等。因此，混凝土橋梁的檢測評估問題更為復(fù)雜。既有混凝土橋梁數(shù)目巨大，所處環(huán)境復(fù)雜使得評估工作量巨大且難以準(zhǔn)確評定橋梁技術(shù)狀況，目前，在全世界范圍內(nèi)已成為工程領(lǐng)域的難題。

2 橋梁評估內(nèi)容

2.1 橋梁評估的定義

橋梁評估是評定承載能力、確定材料現(xiàn)有強(qiáng)度或?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件條件狀況的分類［2］。英國于1993年頒布實(shí)行的橋梁評估文件中對評估的定義是“調(diào)查并根據(jù)規(guī)定的車輛荷載等級確定結(jié)構(gòu)的承載能力”［3］。由于橋梁評估涉及的范圍和考慮因素較多，大部分評估的重點(diǎn)是橋梁承載能力。一種較為全面的定義是利用特定信息，分析既有橋梁可靠性并作出工程決策的過程。

2.2 橋梁評估內(nèi)容

橋梁評估內(nèi)容包括安全性、適用性、耐久性三個(gè)方面的要求。結(jié)構(gòu)可靠度定義是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期限和規(guī)定條件(正常設(shè)計(jì)、施工和使用)內(nèi)完成預(yù)定功能的概率，預(yù)定功能是指能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用的能力(即安全性);在正常使用時(shí)具有良好的工作性能(即適用性);在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能(耐久性)。

影響結(jié)構(gòu)可靠度的因素主要有荷載、材料強(qiáng)度、施工誤差和環(huán)境侵蝕損傷等，這些因素一般都是隨機(jī)的，因此，為了保證結(jié)構(gòu)具有應(yīng)有的可靠度，僅僅在設(shè)計(jì)上加以控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須同時(shí)加強(qiáng)維護(hù)管理，對材料和橋梁構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制和驗(yàn)收，對在役結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性檢測評估，以保持正常的結(jié)構(gòu)使用條件。

橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性能等因素有關(guān)。承載力評估的目的是確定結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲備，以免使用階段中出現(xiàn)災(zāi)難性后果。適用性評估包括對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件正常使用中出現(xiàn)的變形、裂縫和振動評估等。它對確定工作條件和指導(dǎo)日常維護(hù)十分重要。耐久性評估主要針對結(jié)構(gòu)損傷、損傷成因、損傷對物理材料特性的影響，其結(jié)果有助于預(yù)測結(jié)構(gòu)使用壽命。

橋梁評估基本分為資料收集、分析評價(jià)和方案決策三大部分。橋梁評估的前期工作是收集資料，主要包括計(jì)算書和圖紙、既有橋梁加固維修資料，甚至通過荷載試驗(yàn)等手段獲得結(jié)構(gòu)相應(yīng)資料等。依據(jù)所得資料分析橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力或損傷狀況等，從而通過結(jié)構(gòu)分析確定橋梁承載力。根據(jù)承載力是否滿足要求，確定是否需要進(jìn)一步確定材料特性并再次評估承載力。最后限制荷載等級、選擇加固方案或者拆除重建。

3 既有橋梁評估的方法

3.1 基于外觀調(diào)查的方法

基于外觀調(diào)查的方法是根據(jù)我國《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范(JTG H11—2004)》，由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員根據(jù)舊橋外觀評定橋梁實(shí)際技術(shù)狀態(tài)的方法。外觀調(diào)查主要通過橋梁檢查人員的目測及有關(guān)量測儀器對橋梁進(jìn)行觀測，同時(shí)需要測量主要承重結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，對于鋼筋混凝土橋梁，還需要檢查鋼筋布置情況以及混凝土材料的有關(guān)性能，依據(jù)橋梁的缺陷和損傷分析其成因。

3.2 專家意見調(diào)查

專家意見調(diào)查通過直接收集、分析、歸納專家意見，對某一橋梁的承載能力等技術(shù)狀況作出量化評估的方法。在缺乏相關(guān)資料的情況下，可以憑借專家經(jīng)驗(yàn)對新評估事件給出有價(jià)值的估計(jì)，該方法可以用于輔助性的橋梁評估。由于在調(diào)查中存在著主觀性偏差，這種偏差可分為動機(jī)偏差和認(rèn)識偏差，前者是專家對被調(diào)查的事物有沖突，在提供意見時(shí)因主觀意識產(chǎn)生的偏差，后者則是在形成意見中無意產(chǎn)生的偏差，來源于知識局限性以及個(gè)人習(xí)慣。可以用匿名調(diào)查方式減少動機(jī)偏差，加強(qiáng)情況介紹與討論以減少認(rèn)識偏差，在綜合分析中取出離散性數(shù)值。但目前該方法應(yīng)用較少。

3.3 荷載試驗(yàn)法

根據(jù)荷載作用性質(zhì)的不同，荷載試驗(yàn)可分為靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)。

靜載試驗(yàn):靜載試驗(yàn)的內(nèi)容一般包括強(qiáng)度(應(yīng)力)測試和剛度(撓度)測試，其目的是推算對應(yīng)的荷載等級和承載能力。如果試驗(yàn)荷載過小，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不明顯，由此推出的結(jié)構(gòu)承載能力誤差可能較大。相反，如果試驗(yàn)荷載過大，可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷甚至結(jié)構(gòu)性破壞，帶來不利后果。因此，試驗(yàn)荷載的大小應(yīng)該在某一個(gè)固定的范圍之內(nèi)，即試驗(yàn)荷載效應(yīng)為設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的0.85～1.05倍。

動載試驗(yàn):動載試驗(yàn)內(nèi)容包括脈動試驗(yàn)、行車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)，從試驗(yàn)得到的行車和跳車沖擊系數(shù)可以判斷出加固措施是否有效。脈動試驗(yàn)通過對結(jié)構(gòu)自振特性的測定，得出結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比。進(jìn)而計(jì)算出整體結(jié)構(gòu)的橫向和縱向剛度。行車試驗(yàn)是指在橋面無任何障礙的情況下，用1輛重載汽車沿試驗(yàn)跨橋面中軸線，以逐級遞增的均勻速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)。跳車試驗(yàn)方法與行車試驗(yàn)相似。不同的是，需在橋跨結(jié)構(gòu)測試截面處橋面設(shè)置三角形木板等障礙物，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，以測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)，同時(shí)限定車速在合適范圍內(nèi)(通常小于行車速度)。

荷載試驗(yàn)法由于其理論基礎(chǔ)為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與動力學(xué)，思路清晰。對強(qiáng)度、剛度、動力特性等承載能力的評定具備準(zhǔn)確性強(qiáng)，易操作等優(yōu)點(diǎn)，因此在既有橋梁評估中應(yīng)用十分廣泛。但是需要指出，荷載試驗(yàn)仍然具有如下限制性:動載試驗(yàn)確定的沖擊系數(shù)與橋梁的承載能力目前仍缺乏更加直接的聯(lián)系;荷載試驗(yàn)費(fèi)用較大;可能帶來結(jié)構(gòu)性損傷或者影響正常交通運(yùn)營。

3.4 基于設(shè)計(jì)規(guī)范的方法

橋梁評估階段能夠獲取更加準(zhǔn)確的實(shí)際荷載和材料強(qiáng)度收集更多的信息。并且橋梁設(shè)計(jì)通常采用彈性分析確定荷載效應(yīng)，在承載能力極限狀態(tài)下使用疊加原理偏于保守。而在評估過程中，采用非線性分析和極限分析能夠保證更精確和合理的分析。這些信息差別和分析方法的差異影響到荷載等級、抗力及結(jié)構(gòu)分析等差異的量化方面。

4 鋼筋混凝土拱橋的檢測評定實(shí)例

4.1 工程概況

某鋼筋混凝土拱橋?yàn)橐桓咚俟窐蛄?，是一座跨度?×60 m的空腹式肋拱橋，橋梁寬度為24.5 m，縱向坡度為3.88%，分上下行車道，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載等級為汽超—20，驗(yàn)算荷載為掛—120。該橋竣工運(yùn)營數(shù)年后，通過檢測發(fā)現(xiàn)橋梁伸縮縫與橫置橋面板處的橋梁鋪裝層產(chǎn)生裂縫等病害，并產(chǎn)生較大的沖擊，檢測決定進(jìn)行橋面系的加固改造，一年后針對該橋又對主拱肋進(jìn)行了加固改造，在兩次加固改造前后分別對該橋進(jìn)行了檢測及荷載試驗(yàn)。以該橋?yàn)槔?，介紹國內(nèi)橋梁檢測、評估及加固等決策特點(diǎn)。

4.2 加固前檢測與試驗(yàn)

在按照橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范對橋梁各構(gòu)件進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)存在如下所述的一些病害。

1)橋面系:大部分橋面板存在明顯的開裂現(xiàn)象，橋面板的支承不平整，部分橋面板與立柱縱向連續(xù)梁之間未鋪砂漿或其它墊層，板梁間最大間隙達(dá)4 cm;大部分橋面板之間的鉸縫不密實(shí)，并有部分鉸縫僅用木條填塞或未制作，形成單板受力的不利狀態(tài);中跨靠第一跨拱頂縱墻起始位置處橋面板損壞嚴(yán)重，其下翼緣混凝土有部分脫落，有2根主鋼筋已露出。橋面鋪裝層多處出現(xiàn)裂縫，部分位置處的鋪裝層已經(jīng)破壞。在伸縮縫及變形縫附近的橋面均有不同程度的開裂，伸縮縫及變形縫已有較嚴(yán)重的損壞。

2)拱上連續(xù)梁:第一跨端部上、下游連續(xù)梁的支座處于固結(jié)狀態(tài)，其它位置處的橡膠支座工作狀態(tài)不良，為點(diǎn)式接觸或局部接觸;大部分立柱位置處連續(xù)梁上緣有裂縫，其裂縫形式如圖1所示。

圖1 拱上連續(xù)梁裂縫的分布

3)墩臺:第一跨起1#橋臺頂面中央位置附近出現(xiàn)0.8 mm寬的通長裂縫，裂縫深度23.4 cm左右;2#橋墩頂面中央位置附近出現(xiàn)1.8 mm寬的通長裂縫，并向兩側(cè)延伸達(dá)90 cm，頂面裂縫深度3 cm左右。

4)構(gòu)件強(qiáng)度:用超聲回彈綜合法對橋梁各構(gòu)件(包括拱肋、立柱、連續(xù)梁及橋面板)的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明連續(xù)梁、橋面板、立柱混凝土強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)的 C30級，拱肋部分區(qū)域混凝土強(qiáng)度小于C40級。

5)除常規(guī)檢測外，還對該橋第二跨及第三跨進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)以及動力性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:橋跨主拱結(jié)構(gòu)卸載后基本無殘余變形，說明結(jié)構(gòu)尚處于彈性受力狀態(tài)。拱圈實(shí)測應(yīng)力值均小于計(jì)算值，應(yīng)力結(jié)構(gòu)效驗(yàn)系數(shù)介于0.59～0.97之間，基本在合理范圍內(nèi)。拱圈實(shí)測撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.84～1.23之間，部分超出正常范圍，表明與設(shè)計(jì)受力狀態(tài)相比，主拱圈剛度發(fā)生了變化。對橋跨結(jié)構(gòu)自振特性測試表明:主拱結(jié)構(gòu)豎向基頻為2.402 Hz，橫向基頻為1.338 Hz，表明主拱結(jié)構(gòu)具有足夠的豎向剛度，與同類型橋梁相比而言橫向剛度偏小。實(shí)測主拱行車沖擊系數(shù)峰值為1.68，跳車沖擊系數(shù)峰值為2.95，沖擊作用較為明顯。

4.3 檢測后的加固措施

針對檢測發(fā)現(xiàn)的問題，為修改與提高橋梁結(jié)構(gòu)的適用性，對該橋進(jìn)行加固改造，對拱上結(jié)構(gòu)及拱肋進(jìn)行加固。

拱上結(jié)構(gòu)加固改造措施如下:為保證鉸縫的傳力強(qiáng)度及橋面鋪裝參與受力，取消原瀝青混凝土面層，橋面鋪裝施作10 cm厚鋼纖維混凝土，并設(shè)加強(qiáng)的橋面鋪裝鋼筋網(wǎng);針對橋面板的剛度不足，尤其是伸縮縫處的 1#、2#、3#板受力大，撓度大，為此廢除原 1#、2#、3#板，重新預(yù)制、安裝用工字鋼加強(qiáng)的邊板，并改善伸縮縫的結(jié)構(gòu)，采用 CD-60型型鋼伸縮縫;對于強(qiáng)度不足的縱梁，采用粘貼鋼板的方式加強(qiáng)縱梁的承載能力;將橋面板的支點(diǎn)全部改為板式橡膠支座，每塊板支墊四塊支座。

拱肋加固措施如下:拱腳截面加固在拱腳處外弧長度為8.5 m的范圍內(nèi)原拱肋截面基礎(chǔ)上外包一定厚度的新混凝土，施工時(shí)采用舊混凝土表面鑿毛、清洗、涂界面劑并植入鋼筋的方法來加強(qiáng)新老混凝土的結(jié)合受力。拱頂截面加固在拱頂處內(nèi)弧長度為24 m的范圍內(nèi)進(jìn)行粘貼鋼板的方法加固，加固過程中，選擇合適厚度的鋼板，并進(jìn)行鋼板與混凝土的表面處理后粘貼鋼板，最后對鋼板外側(cè)進(jìn)行防腐涂裝。拱肋的加固如圖2、圖3示意。

圖2 拱腳拱肋截面加固布置示意(單位:cm)

圖3 拱頂拱肋截面加固布置示意(單位:cm)

4.4 加固處治后的檢測與試驗(yàn)評估

1)加固后靜載試驗(yàn)

在加固后檢測中，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常情況。在加固后靜動力試驗(yàn)中，將試驗(yàn)結(jié)果與加固前進(jìn)行對比分析。

主拱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度靜態(tài)試驗(yàn)中，拱頂截面(A-A)及右拱腳(C-C)截面實(shí)測應(yīng)力結(jié)果與對比分析如表1所示。其中應(yīng)力值以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。表1中實(shí)測數(shù)據(jù)是兩片拱肋的實(shí)測平均值?？梢?，拱上結(jié)構(gòu)加固改造后，拱頂截面加載下緣應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)有所減小而上緣基本無變化，說明橋面系改造后橋面參與拱頂截面受力程度有所增大;右拱腳截面上下緣應(yīng)力及校驗(yàn)系數(shù)均顯著降低，說明拱上結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)使得荷載傳布范圍更大，因此拱腳實(shí)際受力有一定程度下降。

表1 左副橋第二跨拱圈加固前后各試驗(yàn)工況應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)比較

主拱結(jié)構(gòu)剛度的靜載試驗(yàn)中，加固前后第二跨拱頂及右拱腳加載工況下實(shí)測撓度值對比情況見表2。撓度值以向下為正，向上為負(fù)。表中實(shí)測數(shù)據(jù)同樣是以兩片拱肋的實(shí)測平均值。橋跨結(jié)構(gòu)加固前拱頂及右拱腳加載工況撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.89和1.17，表明主拱肋結(jié)構(gòu)剛度已明顯不足。加固后A-A及C-C加載工況撓度校驗(yàn)系數(shù)均有不同程度的減小，分別為0.72和0.88，已處于合理范圍?？梢娂庸毯蠼Y(jié)構(gòu)剛度得到較為有效的改善。

表2 左副橋第二跨拱圈加固前后各試驗(yàn)工況撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)比較

全橋經(jīng)過荷載效率系數(shù)為0.85～1.05的靜載試驗(yàn)后，得到以下結(jié)論:由于拱頂處拱肋截面及拱上建筑具有一定的聯(lián)合受力作用，而在理論計(jì)算中難以準(zhǔn)確考慮此因素，因而導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測值有一定差異，其余試驗(yàn)測試截面的應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均在合理范圍內(nèi)。通過對比拱肋加固前后的應(yīng)力測試結(jié)果，可以看出，拱肋加固方法效果明顯，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到一定改善。各試驗(yàn)加載工況撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均在合理范圍內(nèi)。通過對比加固前后拱肋撓度測試結(jié)果，可以看出，拱肋加固后，結(jié)構(gòu)剛度得到較為有效的改善。

2)加固后動力試驗(yàn)

自振特性的測試采用環(huán)境激勵(lì)法，各階自振頻率對應(yīng)的阻尼比利用功率譜進(jìn)行估算。

實(shí)測第二跨拱圈結(jié)構(gòu)豎向、橫向一階頻譜圖見圖4、圖5。主拱圈各階自振頻率及對應(yīng)的阻尼比見表3，豎向橫向一階振型圖見圖6、圖7。實(shí)測橫向一階頻率由加固前的1.387 Hz提高至1.440 Hz，實(shí)測豎向一階頻率由加固前的2.471 Hz提高至2.568 Hz。

圖4 第二跨拱圈豎向一階實(shí)測頻譜圖

圖5 第二跨拱圈橫向一階實(shí)測頻譜圖

表3 自振頻率及對應(yīng)阻尼比

行車激振試驗(yàn)的動載加載形式分為無障礙行車試驗(yàn)及跳車試驗(yàn)，用一輛載重汽車作為加載荷載，無障礙行車車速10～60 km/h，跳車試驗(yàn)行車車速5～30 km/h。

橋跨加固后拱頂截面的沖擊系數(shù)有明顯改善。行車沖擊系數(shù)在加固前后基本在1.00～1.13之間。加固前跳車沖擊系數(shù)介于1.57～2.91之間，加固后跳車沖擊系數(shù)介于1.16～1.70之間。通過對比加固前后的對應(yīng)沖擊系數(shù)峰值可以看出，拱圈截面加固后實(shí)測行車沖擊系數(shù)及跳車沖擊系數(shù)均整體上明顯減小，表明加固效果較好，拱圈整體受力性能得到加強(qiáng)。

圖6 橋跨拱圈實(shí)測豎向一階振型圖

圖7 橋跨拱圈實(shí)測橫向一階振型圖

5 結(jié)論

介紹橋梁評估的方法，以某鋼筋混凝土拱橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹橋梁檢測試驗(yàn)、加固和加固后試驗(yàn)的全過程。檢測與荷載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該橋橋面板開裂與鉸接縫破損等病害、拱上連續(xù)梁開裂，以及行車沖擊顯著，均為拱橋整體剛度不足所致。在檢測試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了橋面板、拱上連續(xù)梁及拱肋的加固處理，加固后又進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)剛度顯著提高，結(jié)構(gòu)整體性加強(qiáng)，行車沖擊作用明顯降低。

［1］李亞東.既有橋梁評估初探［J］.橋梁建設(shè)，1997(3):18-21.

［2］楊文淵，徐犇.橋梁維護(hù)與加固［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［3］白光亮，蒲黔輝，薛愛.某雙曲拱橋靜動載試驗(yàn)與加固方法［J］.鐵道建筑，2008(9):39-42.