桑植县北门桥检测评估报告.docx

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桑植县北门桥检测评估报告

桑植县北门桥

可靠性检测评估报告

XXX大学土木工程检测中心

2012年11月16日

桑植县北门桥可靠性评估组

项目负责人：

XXX教授

主要参加人员：

XXX教授、博士

XXX副教授、博士

XXX高级工程师

XXX硕士生

XXX硕士生

报告执笔人签字：

复核人签字：

审定人签字：

桑植县北门桥可靠性检测评估报告

1工程背景

北门桥建于1957年，位于湖南省张家界市桑植县，是连接城区与八斗溪的交通要道，全桥长为85.5m，净跨总长为77m，每跨长11m，静跨9.5m，其结构形式为7跨连续圬工圆弧拱桥结构，重力式桥台和桥墩均采用石砌体砌筑，两侧桥台高约5～6m，各墩身高约10m，拱圈结构采用混凝土预制块体砌筑，桥面上铺混凝土桥面板，八斗溪侧桥台搭板长8.5m，城区侧桥台无搭板。

桥面宽11.4m：

中间主车道宽7.2m（2车道），车道两侧连系梁宽各0.3m，两边人行道各1.8m，人行道是在原桥的基础上，于1998年在车道外两侧采用后加钢桁架梁，在梁上铺钢板而成。

该桥整体外形如图1-1所示。

图1-1北门桥全景

由于该桥建成年代较久远，原设计图纸遗失，基础和地基资料不详，设计荷载不详，该地区地震设防烈度为6度。

该桥洪水期间水流水位较高，1998年特大洪水期间被淹过，平时水位低于桥面约5m；水位较低期间桥墩基础外露，河水最深处不足2m，水流平缓。

中国有色金属工业长沙勘察设计研究院于2005年9月下旬～10月上旬对该桥周围场地进行了工程地质勘察工作，勘察结果认为，该地区场地是稳定的，宜于建筑，场地属于澧水河河床和河漫滩，需考虑洪水对构筑物的影响。

XXX大学土木工程检测中心受桑植县市政工程管理站的委托于2012年11月2日~6日对该桥的外观及静、动力性能进行了全面的检测评估。

2检测的意义和目的

（1）对全桥外观现状进行调查，了解桥梁结构及附属设施的工作状态。

（2）通过静动载空间有限元分析，验证检测结果的可靠性。

（3）通过静、动载试验，检验桥梁结构的真实工作状况，包括挠度、应变、裂缝、混凝土强度等级和动力特性等。

（4）通过对该桥的全面检测，对该桥的现状进行评价、对桥梁结构体系和受力性能进行评价、对桥梁承载能力进行评估，同时为该桥维修加固提供依据。

3试验依据

（1）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）

（2）《公路桥涵养护规范》（JTJH11-2004）

（3）《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61-2005）

（4）《公路桥涵施工技术标准》（JTJ041-2000）

（5）《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）

（6）《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2001）

（7）《桑植县城市建设有限责任公司北大门大桥改建工程拟建场地工程地质详细勘察报告书》，中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，2005年

（8）桥梁博士和MIDAS大型有限元分析软件

4全桥现状调查与混凝土材料检测

4.1现状调查内容

对全桥各个部分进行详细的检测，确定全桥的现状。

主要检测的内容如下：

（1）收集有关北门桥的各种资料，调查交通现状。

（2）对桥面铺装层、墩身、墩脚、桥台、拱底是否开裂等情况，进行量测和记录；构件表面是否风化、剥落、空洞、开裂、露筋等情况，进行量测和记录；对墩台是否有水平变形、倾斜、沉降等情况，进行量测和记录；

（3）检测桥面排水设施是否合理；桥面有无积水；泄水管泄水能力情况，有无损坏、堵塞；防水层是否工作正常，有无渗水、泛霜等现象，进行量测和记录。

（4）检测病害类型：

a.墩身有无拉、压裂缝和风化；b.拱圈是否开裂、破损、露筋、锈蚀、泛霜；c.桥墩基础冲刷情况。

4.2现状调查结果

本课题组5人于201211月2日到5日对该桥的外观进行了全面细致的检测，检测结果如下表4-1所示。

表4-1北门中桥普查结果

部件号

部件名称

缺损位置

缺损状况

（类型、性质、范围、程度）

照片或简图

1

耳墙

2

锥坡、护坡

挡土墙砌块间空隙较多

两侧桥台周围

图1

3

桥台及基础

北斗溪侧西边桥台脚部

石砌块风化脱落

图2

4

桥墩及基础

所有桥墩东西两侧、砌块间部分砂浆

石砌块风化较严重、表层脱落

部分砂浆泛霜

图3

5

地基冲刷

基础外露、冲刷较严重

2＃～6＃桥墩基础

图4

6

支座

7

上部主要承重构件

所有7跨拱圈

部分预制混凝土块间渗水、泛霜

图5

8

上部一般承重构件

9

桥面铺装

大部分路面、尤其两端桥头

路面破损严重

图6

10

桥头跳车

两侧桥台

路面不平、北侧跳车较严重

11

伸缩缝

两侧桥台

没有设置

12

人行道

大部分

钢板锈蚀严重

图7

13

栏杆、护栏

大部分

钢材锈蚀严重

图7

14

照明、标志

15

排水设施

16

调治构造物

17

其它

注：

渗水和“泛霜”病害主要是由于水从混凝土裂缝中渗出，将混凝土中水泥的水化产物Ca（OH）2带出，结晶附着在侧墙表面，随着Ca（OH）2析出量的增加和时间的推移，Ca（OH）2与空气中H2O和CO2发生化学反应生成CaCO3。

图1护坡砌块间空隙较大图2桥台石砌块风化脱落

图3墩身石砌块风化、砂浆泛霜

图4桥墩基础冲刷较严重

图5拱圈混凝土泛霜

图6路面破损

图7栏杆、人行道板锈蚀、破烂

4.3混凝土碳化深度及强度试验

采用的测试方法为：

（1）采用回弹方法检测混凝土表面回弹值；

（2）用1％的酒精酚酞溶液检测混凝土表面碳化深度；（3）根据回弹值和碳化深度换算得到测区混凝土强度。

采用钢筋位置测定仪对混凝土预制块体中的钢筋进行了测量，发现里面没有配置专门的受力钢筋，配置的ф6钢筋是为了吊装混凝土预制块体。

采用回弹法检测拱圈上混凝土预制块体的3个测区，回弹值分别为39.4、38.8、38.5，实测碳化深度为15mm，得到的测区混凝土强度换算值分别为24.2MPa、23.5MPa、23.1MPa，由此判断该混凝土预制块体的强度等级为C20。

5有限元分析

为了指导试验科学地进行、弥补试验测点的有限和科学地评价拱桥的受力性能是否满足当地运营要求，试验前利用大型有限元软件MIDAS建立了该桥的有限元分析模型，对其静、动力学性能进行了较全面的仿真计算。

在进行有限元建模时，忽略了桥面对该桥刚度的影响，但考虑其质量的影响。

混凝土块体强度等级取C20，砂浆强度等级取M5，按照《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61-2005），取混凝土预制块砌体的弹性模量E=4920MPa，石块砌体的弹性模量E=4000Mpa，混凝土预制块砌体的容重γ=24kN/m3，石块砌体的容重γ=26kN/m3。

对于该桥采用2节点空间梁单元对其进行离散，总共被划分为377个梁单元，404节点，其有限元计算模型如图6-1所示。

利用该有限元分析模型对该桥的动静力学性能进行了全面的分析，其计算结果与实测值的比较见第7、8节。

图6-1有限元计算模型

6静载试验结果及分析

6.1试验荷载及加载工况

试验前，甲方、加载方及试验方进行了具体的分工协作，制定了详细的试验大纲及试验日程表，整个现场试验工作于201211月2~6日上午全部完成。

静载试验在201211月06日14:

00到17:

00进行。

加载车辆由2辆东风153货车组成，其技术参数如表6-1所示。

考虑该桥为等跨度连续拱桥及其实际使用荷载特点，静载试验选取边跨和第一中跨进行了现场试验。

试验荷载采用等效荷载法确定，为了确定各种工况的最不利等效荷载，采用桥梁博士计算软件计算在城市B级荷载作用下的各控制截面的最大设计弯矩，按影响线采用等效加载方式确定实际加载车辆数及其平面布置。

并保证荷载效率系数满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中规定的0.8~1.05的要求。

静载试验工况如表6-2所示，各工况的加载轮位图如图6-1所示。

试验中的加载程序采用分级加载和卸载，每次加载完毕，15分钟后开始采集数据。

表6-1加载车辆技术参数表

车号

前轴重（t）

后轴重（t）

总重（t）

示意图（mm）

1

3.9

18.4

22.3

2

3.3

17.0

20.3

表6-2静载试验工况

工况编号

工况名称

用车数量

轮位

荷载效率系数

主要试验内容

1

第1跨中正载

2

见图7-1（a）

0.83

各测点位移、应变，及裂缝发展

2

第1跨1/4跨正载

2

见图7-1（b）

0.80

3

第2跨中正载

2

见图7-1I

0.84

4

第2跨1/4跨正载

2

见图7-1（d）

0.81

5

第1、2跨1/4跨偏载

2

见图7-1（e）

0.38

6

第1、2跨跨中偏载

2

见图7-1（f）

0.36

7

第4#墩正载

2

见图7-1（g）

0.84

桥墩基础沉降

8

第5#墩正载

2

见图7-1（h）

0.84

9

第6#墩正载

2

见图7-1（i）

0.84

（a）工况1加载图

（b）工况2加载图

I工况3加载图

（d）工况4加载图

（e）工况5加载图

（f）工况6加载图

（g）工况7加载图

（h）工况8加载图

（i）工况9加载图

图6-1加载工况图

6.2测试方法及测点布置

1）拱圈跨中挠度和墩底沉降测点

拱圈挠度测点均采用百分表进行量测，墩底沉降采用精密水准仪测量，其测点布置见图6-2。

图6-2挠度测点编号

图6-3应变测点编号

2）应变测试均采用振弦式应变计测试，相应的应变仪自动采集每种工况的试验数据，并现场监控截面关键测点的试验结果。

其布置图见图6-3。

3）观测试验过程中拱圈的混凝土预制构件是否出现新的裂缝。

6.3测试与计算结果分析

1）挠度和沉降测试结果

表6-3给出了各关键测点的挠度、沉降实测值与计算值并进行了比较。

各种典型工况的理论计算挠度分布见图6-4。

（a）工况1

（b）工况2

（c）工况3

（d）工况4

（e）工况5

（f）工况6

（g）自重作用下变形图

图6-4各工况加载下拱桥的变形图

表6-3静载试验变形（mm）

工况编号

项目

跨中挠度

墩台顶水平位移

墩底沉降

1#

2#

3#

4#

5#

6#

7#

8#

9#

10#

1

实测值

-1.92

-1.84

0.44

0.33

-0.04

0.86

0.42

-

-

-

计算值

-2.49

-2.49

0.7

0.7

0

1.39

0.73

-

-

-

残余变形

-0.12

-0.18

0.08

0.03

0

0.07

0.02

-

-

-

2

实测值

-1.02

-1.14

0.21

0.18

-0.02

0.56

0.21

-

-

-

计算值

-1.08

-1.08

0.30

0.30

0

0.74

0.43

-

-

-

残余变形

-0.10

-0.13

0.06

0.04

0

0.04

0.02

-

-

-

3

实测值

0.64

0.57

-2.23

-2.31

-0.01

-0.53

1.14

-

-

-

计算值

0.70

0.70

-3.13

-3.13

0

-0.63

1.36

-

-

-

残余变形

0.06

0.08

0.03

0.05

0

-0.04

0.12

-

-

-

4

实测值

0.24

0.47

-1.02

-1.08

-0.02

-0.27

0.38

-

-

-

计算值

0.40

0.40

-1.28

-1.28

0

-0.35

0.57

-

-

-

残余变形

0.04

0.05

0.03

0.02

0

-0.04

0.10

-

-

-

5

实测值

-0.68

-0.82

0.42

0.83

-0.02

0.32

-0.03

-

-

-

计算值

-1.10

-1.10

0.72

0.72

0

0.57

-0.10

-

-

-

残余变形

-0.08

-0.07

0.04

0.06

0

0.04

0

-

-

-

6

实测值

-0.23

-0.58

0.22

0.35

-0.03

0.12

-0.02

-

-

-

计算值

-0.43

-0.43

0.35

0.35

0

0.28

-0.06

-

-

-

残余变形

-0.02

-0.02

0.01

0.01

0

0.02

0

-

-

-

7

实测值

-

-

-

-

-

-

-

0.5

-

-

8

实测值

-

-

-

-

-

-

-

-

0.5

-

9

实测值

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0

自重挠度计算值

-1.91

-1.91

-2.53

-2.53

0

-0.45

-0.21

-

-

-

挠度组合

-4.40

-4.40

-5.66

-5.66

-

-

-

-

-

-

从以上对该桥挠度实测结果与计算结果的比较，可以得出：

（1）实测挠度与计算结果吻合较好，表明该次试验的有效性，同时也证明了有限元计算模型的可靠性。

（2）控制截面的计算挠度均大于实测挠度值，表明该桥的实际刚度大于理论计算刚度，符合《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）的有关规定。

（3）在各种工况作用下，各控制截面的绝大部分实测挠度与计算挠度比值在0.7~1.05之间，满足《试验方法》中有关规定。

（4）从各种工况卸载后的残余挠度可见，卸载后的残余挠度较小，该桥具有较好的变形恢复能力。

（5）从实测挠度、计算挠度可知，在荷载作用下的在一个桥跨范围内的最大正负挠度的绝对值之和小于《桥规》允许挠度L/600（18.6mm），表明该桥具有足够的抗弯刚度。

2）应变测试结果

表6-4给出了各控制截面的应变实测值与计算值并进行了比较。

表6-4试验各测点应变实测值与计算值的比较（με）

工况编号

项目

1#

2#

3#

4#

5#

6#

7#

8#

1

实测值

10

15

-15

-7

-3

-4

-1

-1

计算值

20

20

-17

-17

-9

-9

-5

-5

残余应变

1

2

-1

-1

0

0

0

0

2

实测值

-2

-3

4

6

-1

-2

-1

-3

计算值

-6

-6

12

12

-5

-5

-3

-3

残余应变

0

0

0

0

0

0

0

0

3

实测值

-10

-8

-5

-4

14

19

-10

-14

计算值

-12

-12

-9

-9

21

21

-19

-19

残余应变

0

0

0

0

0

0

0

0

4

实测值

-4

-5

-4

-3

-4

-2

15

18

计算值

-8

-8

-5

-5

-4

-4

13

13

残余应变

0

0

0

0

0

0

3

4

5

实测值

10

15

-20

-22

-14

-16

-10

-12

计算值

6

6

-10

-10

-9

-9

-6

-6

残余应变

1

1

-1

-1

0

0

-1

-1

6

实测值

-9

-12

4

8

-9

-8

0

-1

计算值

-5

-5

5

5

-6

-6

-3

-3

残余应变

-1

-2

1

0

0

-1

0

0

自重应变

-112

-112

-110

-110

-114

-114

-118

-118

最不利标准组合

-124

-124

-130

-132

-128

-130

-137

-137

最不利组合

-148

-148

-154

-156

-152

-154

-163

-163

注：

最不利组合按桥规同号

，异号

各种典型工况的理论计算应力云图6-5。

（a）工况1

（b）工况2

（3）工况3

（d）工况4

（e）工况5

（f）工况6

（e）自重作用下应力云图

图6-5各工况加载下拱桥应力云图

3）裂缝结果

静载试验过程中，没有发现裂缝。

从对该桥应变的实测结果与计算结果可以得出：

（1）实测应变与计算结果吻合比较好，表明有限元计算模型可以基本反映该桥的真实应变。

（2）从各种工况作用下的应力云图可以看出，该桥在各种不利荷载作用下，不存在较明显的应力集中情况。

7动载试验试验结果及分析

动载试验分脉动试验和车桥振动试验，车桥振动试验和脉动试验于201211月6日16:

00到17:

00进行。

桥梁的动力性能是评价桥梁的正常营运与承载能力的重要指标之一，动载试验的目的在于全面了解桥梁结构的动力性能。

7.1试验工况、加荷方式

1）脉动试验

对于7跨连续拱桥，在各跨跨中共放置9个（一侧的7个跨中全部放置，另一侧的2个中跨中放置，如图7－1所示）竖向拾振器，利用大地脉动作为激励，测试主桥的动力特性（包括频率和振型），并进行相应的模态分析。

2）车桥振动试验

进行车桥振动试验时分别由1辆重车驶通过桥面，行车速度档分别为20km/h和30km/h，测点布置见图7－1中的1－7号拾振器。

用INV动态分析记录仪记录跨中竖向拾振器振动信号，分析测点响应信号谱，利用余波确定基频。

图7-1拾振器布置图

3）跳车试验

跳车荷载试验时，由1辆重车行驶，并在控制截面处跳车，跳车用直径为60mm的圆木棍，行车速度档分别为20km/h和30km/h，测点布置见图7－1中的1－7号拾振器。

用INV动态分析记录仪量记录桥梁在正常营运过程中跳车后桥梁产生的竖向振幅和余振的竖向振动频率。

4）制动荷载试验

制动荷载试验时由1辆重车行驶，并在中跨中控制截面刹车，行车速度分别为20km/h和30km/h，测点布置见图8－1中的1－7号拾振器。

用INV动态分析记录仪量记录桥梁在正常营运过程中刹车后桥梁产生的竖向振幅和余振的竖向振动频率。

在以上四种动载测试中的主要测试内容有：

1）结构的固有频率与振型；2）动位移及挠度冲击系数。

所有的动测信号由哈尔滨工程力学研究所生产的941竖向拾振器拾取经与之配套的放大器放大后，经东方所生产的采集器采集信号，用DASP软件计算分析。

7.2测试与计算结果分析

（1）自振频率与振型

该桥的自振频率与振型由脉动试验得到，即由各测点的响应传递函数和位置坐标经振型模态分析后得到其自振频率及相应的固有振型，该桥的前5阶固有振型的实测结果与空间有限元计算结果分别如图7-2所示。

同时对结构主要测点的振动余波曲线进行了最大熵法分析，计算得到该桥主要测点的频谱响应曲线如图7-3所示。

表7-1中列出了该桥的实测频率、振型与计算结果的比较。

（a）实测第1阶振型

（b）计算第1阶振型

（c）实测第2阶振型

（d）计算第2阶振型

（e）实测第3阶振型

（f）计算第3阶振型

（g）实测第4阶振型

（h）计算第4阶振型

（i）实测第5阶振型

（j）计算第5阶振型

图7-2拱桥振型的比较

图7-3桥梁跨中测点余波波形及频谱分析图

表7-1实测频率、振型与计算结果的比较

阶数

频率（Hz）

振型

脉动实测

余振实测

计算值

振型描述

1

1.939

2.46

2.146

主弯曲振型

2

3.746

-

3.246

主弯曲振型

3

5.096

-

3.914

主弯曲振型

4

8.030

-

4.092

主弯曲振型

5

10.877

-

4.233

主弯曲振型

从以上自振频率与固有振型的实测与计算结果可知：

a）前5阶自振频率与实测频率的实测值与计算结果基本吻合，表明实测结果与计算结果有良好的可靠性，第1阶自振频率低于计算结果，表明经过50年的营运，该桥结构有所损伤，动刚度有所降低。

b）用车桥振动的余波测得的基频与脉动法比较接近，表明用不同的激振方法在该桥梁结构引起的振动响应相同，进一步表明该次试验的可靠性。

c）该桥的前5阶振型以弯曲振型为主。

d）该桥的竖向弯曲自振频率在1.9Hz以上，表明该桥具有良好的抗弯刚度，符合《桥规》的有关规定。

（2）动挠度时程曲线分析

动挠度的测试采用模拟正常营运的车队加载。

在试验过程中采用了20km/h~30km/h不同的车速，沿南到北方向进行了2次试验。

图7-4给出了该桥在重车以不同车速过桥时的车桥振动典型时程曲线。

（a）第1次重车过桥时拱桥的车桥振动时程曲线

（b）第2次重车过桥时拱桥的车桥振动时程曲线

图7-4拱桥的车桥振动时程曲线

由车桥振动竖向时程曲线可知：

重车荷载下引起桥梁的竖向振幅小于0.1mm，表明该桥的整体刚度较大。

（3）冲击系数

考虑到车队经过桥梁时，桥梁振动具有一定的低频摆动，故单边最大振幅采用如下公式计算：

（7.1）

表7-2列出各主要有效次的最大竖向振幅。

表7-2主要有效次的最大平均竖向振幅

车速

跨中（mm）

第1跨

第2跨

第3跨

第4跨

第5跨

第6跨

第7跨

20km/h

0.03

0.05

0.05

0.06

0.01

0.05

0.02

30km/h

0.05

0.08

0.06

0.08

0.02

0.07

0.02

本次试验采用动挠度测定冲击系数，即由动力荷载引起的实测最大动挠度

和同一部位相应的静力荷载引起的挠度

之比求得，其计算公式为

（7.2）

表7-3列出了用以上计算公式得到主要有效次的实测冲击系数。

表7-3主要有效次的冲击系数

位置

车速

跨中

规范规定值

实测

第1跨

20km/h

0.94

1.03

1.10

30km/h

1.05

第2跨

20km/h

1.14

1.04