钢筋混凝土双曲拱桥的技术状况评价及养护措施分析

钢筋混凝土双曲拱桥的技术状况评价及养护措施分析

杨洪林

上海隧道工程质量检测有限公司，上海 201108

摘要：在老城区普遍存在大量年代久远的桥梁，有必要对桥梁的技术状况进行评定，采取合理的养护维修措施。通过现场检测对桥梁病害进行统计和技术分析，评定桥梁的技术状况，并采用有限元模拟方法对桥梁承载力进行检算，综合评价桥梁的使用状况。现场检测和结构检算的结果表明，A桥拱脚和上部结构存在严重的病害，而且部结构主拱圈的承载能力不能满足人群荷载安全承载要求，严重危及桥梁运营安全，建议尽快将该桥拆除重建或进行大修加固。

关键词：桥梁养护；双曲拱桥；钢筋混凝土；技术状况；养护措施

1 工程概况

A桥为位于老城区东西向通行的跨河桥梁，修建于1982年10月，目前该桥交通流量较少，主要为行人通行需要。A桥为单跨钢筋混凝土双曲拱桥，桥梁法线与河道中心线正交，桥梁全长为13.5m，净跨径为13.2m，净矢跨比为1/6.1，桥面总宽为4.0m，桥宽布置为0.4m（栏杆+休息长椅）+3.2m（通行净宽）+0.4m（栏杆+休息长椅）。

桥梁上部结构为由2片普通钢筋混凝土L形拱肋、1道拱波（共47块微弯板）和现浇混凝土波形拱板组成的双曲拱桥主拱圈，拱肋间共设有5道横梁，主拱两端各设3个空腹孔，其中东起1#、2#、5#和6#腹拱圈由11块微弯板组成，拱上立墙采用钢筋混凝土实体结构；桥梁下部结构采用重力式桥台。桥面铺装采用钢筋混凝土铺装层，两端桥台位置设有简易断缝，桥面两侧设有大理石休息长椅和铁艺栏杆。

A桥建成已有40余年，早期工程设计和建设标准较低，运营期间的维修养护管理不够，桥梁存在立墙断裂、拱脚开裂、梁板顺桥向裂、混凝土局部破损、附属设施破损等病害问题。为防止桥梁出现意外情况，当前在两端桥头设有禁止机动车辆通行标志牌，仅作为两岸居民过河的通道使用。为了解桥梁目前的运营状况及安全性，需要对A桥进行全面的检查和检测，明确当前桥梁的缺陷和病害的部位及严重程度，分析桥梁缺陷和病害的形成原因，评估当前病害对桥梁结构承载能力和耐久性的影响，并进行承载能力检算桥梁结构在当前人行荷载下的安全性，为养护维修或加固提供技术依据[1]。

为便于检测和记录，对该桥主要构件进行编号，编号规则为由北向南、由东向西依次编号，编号示例：2#拱肋表示桥跨之间由北向南数第2片拱肋，2#立墙表示由东向西数第2道立墙。图1为A桥的立面示意图。

图1 A桥梁立面示意图（单位：mm）

2 桥梁病害检查及分析

对A桥的主拱圈、拱上建筑、桥台、桥面系及附属设施等进行全面检查，发现该桥存在严重的安全隐患。

2.1 结构性病害和明显影响正常使用的病害

经现场测量后发现，该桥西端桥台拱脚较东端桥台拱脚低25.6cm，说明西端桥台较东端桥台沉降较大。据现场调查发现，该桥西端桥台附近（最近距离仅6m）建有大量多层建筑，在自重作用下建筑周围地基形成“盆式”沉降，同时带动该桥西端桥台一并下沉，最终导致该桥整桥沿东端桥台交点处产生转动。

主拱圈东端拱脚上缘拱波顶面横向严重开裂，裂缝最大宽度达4.0mm，裂缝宽度远超过规范规定的混凝土拱圈横向裂缝宽度限值0.3mm。这是由于桥台基础的不均匀沉降，导致拱脚产生较大的负弯矩而严重开裂[2]。目前A桥主拱圈开裂严重，部分立墙已断裂，在外荷载作用下极易坍塌。2#~5#立墙均有不同程度的开裂，其中2#和4#立墙混凝土开裂最为严重，裂缝最大宽度分别达1.6mm和5.0mm，已超过规范规定的承载能力对应的限值（1.5mm），立墙已处于断裂破坏状态，理论上已失去支承能力，该病害可能造成桥面系局部坍塌的后果，严重危及桥梁的运营安全[3]。A桥2#拱肋上缘出现多条负弯矩裂缝，裂缝高度均小于截面高度的一半，裂缝最大宽度为0.24mm，暂未超过规范规定的混凝土拱桥裂缝宽度限值0.3mm。6#立墙东侧面位于1#、2#微弯板下方混凝土斜向开裂，裂缝最大宽度为0.60mm，已超过规范规定的普通钢筋混凝土构件裂缝宽度限值（0.20mm）。1#立墙与上方微弯板间局部脱空，最大脱空量达2.0cm。该桥部分横梁出现半环向裂缝，裂缝最大宽度为0.44mm，横梁半环向裂缝将削弱拱肋间横向连接的整体性，造成荷载横向分布集中，降低桥梁的承载能力。

A桥2#、5#和6#腹孔微弯板底面横桥向开裂，其中2#和5#腹孔部分微弯板底面裂缝伴有明显渗水痕迹，裂缝最大宽度为0.86mm，已远超过规范规定的普通钢筋混凝土裂缝宽度限值（0.20mm）。另外，两外侧微弯板底面裂缝向上延伸至桥面，且2#和5#腹孔微弯板对应桥面铺装出现横向贯通裂缝，由此判断2#和5#腹孔微弯板极有可能已完全断裂。这些微弯板底面裂缝应是正弯矩裂缝，其原因是拱脚变位导致微弯板两端立墙发生相对位移，从而导致微弯板开裂，微弯板存在塌落的危险[4]。

2.2 影响结构耐久性的病害

A桥主拱圈拱波由47块微弯板组成，其中13#~15#共3块微弯板出现顺桥向裂缝，裂缝最大宽度为0.08mm，未超过规范规定的普通钢筋混凝土裂缝宽度限值（0.20mm）。裂缝产生原因是由于拱背现浇混凝土较厚，较预制微弯板混凝土收缩大，导致微弯板易被拉裂，应予以封闭。

A桥主拱圈拱波微弯板角部局部混凝土破损，钢筋外露锈蚀，这是由于预制微弯板在施工过程中碰撞所致。1#立墙表面有明显渗水痕迹，这是由于1#立墙上方简易断缝漏水所致。两侧休息长椅局部混凝土破损，破损面积约为0.02m2，这是由于过往车辆刮擦碰撞所致；两侧休息长椅局部大理石面板破损、缺失，面积约为0.12m2。

3 桥梁结构安全性分析

3.1 桥梁材料检测分析

桥梁结构的材质分析可以评估桥梁混凝土和钢筋的技术状况，推断桥梁构件的劣化程度，有助于进一步分析桥梁的承载力和耐久性。桥梁结构的材质分析可采用钢筋混凝土保护层厚度、混凝土碳化深度、混凝土强度、钢筋锈蚀电位等参数进行综合评价。

由于A桥的设计、交竣工资料已丢失，只能通过现场凿探试验确定桥梁的主筋直径及分布情况。根据现场凿探结果可知，A桥拱肋跨中底部布置有3根直径16mm的Ⅰ级光圆钢筋，拱脚顶部布置有2根直径16mm的Ⅰ级光圆钢筋。

结合桥梁的实际情况，现场测试主要针对1#拱肋、1#腹孔微弯板、2#立墙的主筋进行混凝土保护层厚度的检测，抽检的1#拱肋主筋混凝土保护层厚度平均值为30.0mm，抽检的1#腹孔微弯板主筋混凝土保护层厚度平均值为31.0mm，抽检的2#立墙主筋混凝土保护层厚度平均值为46.0mm，均满足规范规定普通钢筋混凝土保护层厚度值（不小于30mm）。从所抽检的拱肋、腹孔微弯板和立墙的评定标度来看，拱肋和腹孔微弯板混凝土保护层厚度对结构的耐久性影响较大。现场试验针对1#拱肋、1#腹孔微弯板、2#立墙表面的混凝土碳化深度检测。抽检的3个构件混凝土碳化深度平均值为2.0mm~4.5mm，碳化深度平均值与实测混凝土保护层厚度平均值的比值Kc为0.067~0.098，评定标度均为1。采用半电池电位锈蚀度测试法可以测试钢筋的锈蚀情况，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。现场检测取1#拱肋作为检测对象进行测试，所抽检的1#拱肋钢筋无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定，其评定标度为1，与现场局部凿开点实际检查结果相符。

混凝土强度采用回弹法进行检测，主要适用于龄期范围在14～1000d的混凝土结构物，但A桥混凝土龄期远超1000d，现场测试的混凝土强度检测结果仅供参考。现场检测针对1#拱肋、1#腹孔微弯板、2#立墙等3个构件分别进行混凝土抗压强度检测。抽检的1#拱肋混凝土强度推定值为57.1MPa，抽检的1#腹孔微弯板混凝土强度推定值为47.5MPa，抽检的2#立墙混凝土强度推定值为37.1MPa，均满足规范所规定的20#（C18）混凝土强度等级的要求。抽检的拱肋、微弯板和立墙混凝土推定强度匀质系数Kbt均大于1.86，评定标度均为1，表明该桥拱肋、微弯板和立墙混凝土强度状况良好。

3.2 桥梁结构的承载能力检算

桥梁结构检算需要考虑恒载和活载的作用，恒载包括主拱圈、横梁、拱上建筑、桥面铺装以及栏杆等附属设施的自重，由于A桥当前禁止机动车辆通行，桥梁检算活载采用人群荷载进行验算，人群荷载集度取3.5kN/m2。温度变化引起混凝土结构内力，按降温15℃计算，对应荷载效应乘以0.7的折减系数，按最不利值取用。考虑混凝土收缩对其产生的影响，按降温10℃计算，对应荷载效应乘以0.45折减系数[5]。结合无损检测结果表明，拱肋混凝土强度最低值为57.1MPa，高于普通钢筋混凝土强度等级常用值30#（C28），故混凝土强度偏安全考虑采用常用值进行检算。

结合桥梁的实际情况，桥梁检算主要针对上部结构主拱圈进行，检算中结构材料强度与外观尺寸以现场实测为准。采用MIDAS/Civil程序建立模型进行计算分析，主拱圈计算模型见图2。主拱圈主要控制截面荷载效应最不利组合值及截面承载能力检算结果见表2。

图2  主拱圈计算模型

表1 主拱圈主要控制截面强度检算结果

检算结果表明，目前该桥上部结构主拱圈主要控制截面的承载能力不能满足人群荷载3.5kN/m2的安全承载要求，随时有坍塌的危险。

4 桥梁养护措施

由于该桥西端桥台与东端桥台沉降差达25.6cm，造成该桥产生立墙断裂、拱脚处拱波顶面开裂较宽（裂缝最大宽度4.0mm）等结构性病害，且桥面局部存在坍塌的危险，按照《城市桥梁养护技术规范》（CJJ 99-2017）关于“拱桥的拱脚处产生水平位移或无铰拱拱脚产生较大的转动”和“上部结构有落梁和脱空趋势或梁、板断裂”的规定进行评定，该桥当前的技术状况可直接评定为D级桥（不合格状态）。桥梁承载力检算结果表明，目前该桥上部结构主拱圈的承载能力不能满足人群荷载3.5kN/m

2的安全承载要求，该桥随时有坍塌的危险。综合桥梁技术性能和安全性考虑，由于西端拱脚下沉所致，拱脚基础加固施工复杂，且该桥原设计承载能力不高，建议尽快将该桥拆除重建。若无法进行拆除重建，应立即对其进行大修加固。

结合桥梁现状的病害情况，应采取专项维修和常规养护维修。专项维修包括两个方面，其一对主拱肋、横梁及立墙采用扩大截面法加固，其二拆除腹孔微弯板及实腹段，重新采用现浇钢筋混凝土予以维修。常规养护维修包括三个方面，其一对该桥13#、14#和15#微弯板出现的顺桥向裂缝，宜将裂缝表面清洗干净后涂刷两遍渗透结晶型浆料进行裂缝封闭，从而提高桥梁结构的耐久性，其二对拱波微弯板角部混凝土破损部位予以修补，其三对两侧休息长椅破损、大理石面板破损、缺失部位予以修复。

5 结论

1）调查发现桥梁的拱脚处产生水平位移或无铰拱拱脚产生较大的转动、上部结构有落梁和脱空趋势或梁板断裂的情况，当前的技术状况可直接评定为D级桥（不合格状态）。

2）检算结果表明，桥梁上部结构主拱圈的承载能力不能满足人群荷载3.5kN/m2的安全承载要求，随时有坍塌的危险。

3）桥梁设计荷载等级偏低，且因两端拱脚沉降差较大，造成桥梁产生立墙断裂，东端拱脚拱波顶面负弯矩裂缝较宽，立墙与上方微弯板脱空，桥面存在坍塌的危险，严重危及桥梁运营安全，建议尽快拆除重建。

4）若无法进行拆除重建，应立即对其进行大修加固，拆除之前在桥梁两端设置限行墩严禁任何机动车通行，以确保桥梁和行人安全。

参考文献：

[1]张杰.南丰大桥双曲拱桥结构验算及加固方案设计[J].交通世界,2022,627(33):141-145.

[2]唐杨.双曲拱桥加固方法综述[J].内蒙古公路与运输,2020,175(01):16-21.

[3]方卫国,夏至,朱纯海.双曲拱桥维修加固设计[J].江苏建筑,2019,201(S2):6-8+11.

[4]宋健.北京市双曲拱桥典型病害及某桥加固处置案例分析[J].市政技术,2022,40(06):35-39+51.

[5]肖大维.双曲拱桥检测与加固技术探讨[J].交通世界,2020, 545(23):128-129+133.