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钢筋混凝土拱桥检测与加固技术研究 摘要 桥梁是重要的交通设施之一。随着交通事业的发展和科学技术的进步，桥 梁检测得到了日益广泛的重视。桥梁检测在评定现有桥梁的实际承载能力、建 立和积累必要的桥梁技术资料、推动和发展旧桥评定理论及新桥设计理论等方 面都有着重要的意义。为了正确评价现有桥梁的实际承载能力与安全度，并采 用合理的加固、维修方法，应尽早地对桥梁进行检查，并发现其产生地损坏及 异常现象，正确地检定结构物地损坏程度。自上个世纪4 0 年代以来，有限元方 法在科学研究和工程分析中逐渐占据了重要的地位，已经成为数值计算的主流。 钢筋混凝土拱桥在我国有着非常广泛地应用。本文详细论述了拱桥结构检 测的原理、方法和内容，同时依托工程实例作了具体介绍并给出结果。最后， 提出了几种拱桥的加固方法。 关键词：钢筋混凝土拱桥承载力静载试验动载试验加固技术 s t u d yo nd e t e c t i o na n ds t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yo fr c a r c h b r i d g e a b s t r a c t b r i d g e sa r eo n eo ft h ef a c i l i t i e so ft r a n s p o r t a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t r a f f i ca n dt h ea d v a n c e m e n to f t e c h n o l o g y , t h ed e t e c t i o no f b r i d g ei sc o n s i d e r e dt ob e m o r ea n dm o r ei m p o r t a m i t sm a i ns i g n i f i c a t i o ne x p r e s s e si nt h ea p p l i c a t i o n sa s f o l l o w s ：a s s e s so fa c t u a lc a r r y i n g c a p a c i t yo fe x i s t i n gb r i d g e s ，f o u n d a t i o no f t e c h n i c a li n f o r m a t i o no fb r i d g e s ，a n dd e v e l o p m e n t so ft h ea s s e s st h e o r i e so fo l d b r i d g e sa n dd e s i g nt h e o r i e so fn e wb r i d g e s f o re v a l u a t i n gt h ea c t u a ll o a d sa n d s a f e t yf a c t o r so ft h ee x i s t i n gb r i d g e sa n da d o p t i n gr a t i o n a lr e m e d ym e t h o d s ，i ti s n e c e s s a r yt od e t e c tt h ed a m a g e ，a b n o r m a l i t i e sa se a r l ya sp o s s i b l e ，a n da s s e s st h e d e g r e eo ft h e s t r u c t u r a l d a m a g e s i n c e 19 4 0 s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) g r a d u a l l yh o l d st h ei m p o r t a n tr o l e si ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga n a l y s i s r ca r c hb r i d g e sa r cw i d e l yu s e di no u rc o u n t r y i nd e t a i l s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h ep r i n c i p l e ，m e t h o da n dc o n t e n to fs t r u c t u r a ld e t e c t i o no fr ca r c hb r i d g e a tt h e s a n l et i m e ，t h ea u t h o rt a k e so n er ca r c hb r i d g ea st h ee x a m p l e ，a n de x p o s e si t s f a c t u a l r e s u l t so fd e t e c t i o n f i n a l l y , i to f f e r ss e v e r a lm e t h o d so fs t r e n g t h e n i n g e x i s t i n gr c a r c hb r i d g e s k e y w o r d s ：r ca r c hb r i d g e ，l o a dc a p a c i t y , s t a t i cl o a d i n ge x p e r i m e n t ，d y n a m i c l o a d i n ge x p e r i m e n t ，m e t h o do fs t r e n g t h e n i n gb r i d g e 图1 1 图l - 2 图】3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1 1 图2 12 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 】 插图清单 拱桥的主要组成部分， 桥面位置分类： 简单体系拱桥 荷载一应变状态示意图 截面应力应变测试布置与分析圈一 应变花测试布置示意图一 横向变形分布示意图 裂缝测试应变片布置示意图 结构开裂时的荷载一应变状态 汽车加载示意图 梳状函数 梳状函数的频谱日( ，1 连续信号 离散信号 自由振动衰减曲线 桥面东北四分之一部分的测点布置示意图 车辆前轴跳车位置示意图 车辆后轴跳车位置示意图 每片桁架拱的结构图 动态性能试验的原理图 动测的部分采集信号图 拱肋的加固 ， 6 6 l2 12 12 13 13 14 14 2 2 23 2 4 2 4 25 2 8 28 2 9 30 3 6 3 6 4 4 表格清单 3 i桁架杆件与横梁断面的几何特性表 3 2混凝土与钢材重量表 3 3结构的自振频率( 前7 阶) 3 4 1一阶频率( 21 4 5 3h z ) 对应的振型 3 4 2= 阶频率( 2 9 7 6 9h z ) 对应的振型 3 4 3三阶频率( 9 7 5 2 9h z ) 对应的振型 3 4 4四阶频率( 1 1 0 7 9 9h z ) 对应的振型 3 - 4 5五阶频率( 1 2 6 3 2 6h z ) 对应的振型 3 4 6六阶频率( 1 9 8 7 9 5h z ) 对应的振型 3 4 7七阶频率( 2 1 0 2 0 2h z ) 对应的振型 3 5各点的实测频率值 3 6 10 2 测点的振型实测频率值 3 6 20 4 测点的振型实测频率值 3 6 3 0 8 测点的振型实测频率值 3 6 4桥轴线各测点的振型实测频率值 3 7结构的频率比较如如弛弛”驺坫“引m 表表表表表表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒胆_ 工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 韧、；红签字日期：。g 年阴上中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 蟹王些友堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：羽、；虚导师签名： 签字日期：。6 年乍月卫牛日 f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 莛丛 町 签字日期：。6 年朔。怕 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师蔡敏教授表示最真诚的感 谢和敬意! 蔡敏教授对我研究生阶段的学习及论文的撰写自始至终提供 了很多的帮助，倾注了大量的心血，对我论文的选题、研究思路、 具体计算直到修改定稿都给予热情、精心的指导，提出了很多宝 贵的修改意见。 不仅如此，蔡敏教授渊博的知识、严谨的治学态度、热情谦 逊的品格、平易近人的作风、勇于开拓的精神以及对我无微不至 的关怀都深深的印入我的脑海之中，是我以后学习、生活和工作 中的楷模，将会使我终生受益。 感谢王李、张扬永、石飞停、唐鹏、汪国权、张鸣祥、斯陈 东等同学在学习和生活中给予的帮助和关怀。 最后，我还要特别感谢给我养育之恩的父亲母亲，他们是我 战胜困难、不断前进的精神动力! 感谢所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友和亲人们! 孙浩 2 0 0 6 年3 月 于合肥工业大学 第一章绪论 1 1 桥梁检测概述 我国幅员辽阔，大小山脉纵横、江河湖泊众多。随着国家经济建设的发展， 需要大力加强基础设施建设，修建大量的公路和桥梁l lj 。建立四通八达的现代 化交通网，大力发展交通运输事业，对于发展国民经济，加强全国各族人们的 团结，促进文化交流和巩固国防等方面，都具有非常重要的作用 2 1 。桥梁是最 重要的交通设施之一，它在交通发展中起着非常重要的作用，随着陆路交通的 发展它的这种作用变得越来越明显。由于自然地理条件的原因，构成交通网的 道路常常会遇到各种障碍，如河流、山谷或其它交通线路等，跨越这些障碍的 桥梁成为交通网上十分重要的环节，桥梁是某一区域的交通能否真正成为网络 的关键。改革开放以来，我国桥梁建设事业突飞猛进，已建成的各类现代化桥 梁在桥梁跨径排名表上都进入了重要名次，甚至是名列前茅。一座美观实用的 桥梁，不仅会带来巨大的经济效应，甚至可能会成为一个城市的标志。但是。 随着桥梁建成投入使用一段时间后，由于结构材料的自然老化、车辆荷载的不 断增加、日益恶化的环境影响以及养护维修资金缺乏，相当一部分桥梁不可避 免地出现各种损伤和缺陷，这些都将导致结构承载能力下降、结构性能劣化、 耐久性降低，因此，人们往往通过桥梁检测了解和掌握桥梁的实际运营状况， 从而避免桥梁失效和倒塌事件。 1 1 1 桥梁检测的方法与意义 在桥梁工程的发展中，桥梁试验也起到了同样重要的作用。大量的试验研 究，成为促进桥梁结构设计计算理论、设计方法不断发展的重要因素之一。桥 梁试验是对桥梁原型结构或桥梁模型结构直接进行的科学试验工作，包括试验 准备、理论计算、现场试验、分析整理等内容的一系列工作。桥梁原型试验也 称之为桥梁检测，其目的是通过试验，掌握桥梁结构在试验荷载作用下的实际 工作状态，判定桥梁结构的承载能力和使用条件，检验设计与施工质量；桥梁 模型试验的曰的是研究结构的受力行为，探索结构应力、应变的内在规律，为 设计施工服务。随着交通事业的蓬勃发展，新结构、新材料、新工艺的不断涌 现，桥梁工程的试验技术e l 益受到人们的重视，并不断得到发展和提高。桥梁 试验的任务主要包括以下几个方面p j 。 ( 1 ) 确定新建桥梁结构的承载能力和使用条件。对于重要的桥梁结构在建 成竣工后，通过桥梁试验考察该桥的施工质量与结构性能，判定桥梁结构的实 际承载能力为竣工验收、投入运营提供科学的依据。对于新型或复杂的桥梁 结构，通过系统的桥梁试验，可以掌握结构在荷载作用下的实际受力状态，探 索结构受力行为的一般规律，为充实和发展桥梁结构的设计计算理论积累科学 的资料。 ( 2 ) 评估既有桥梁的使用性能与承载能力。对于既有桥梁结构在运营期间， 因受水害、地震等自然灾害而损伤，或因设计施工不当而产生严重缺陷，或因 使用荷载大幅度增长而严重超过设计荷载等级，通常通过桥梁试验来评估既有 桥梁的使用性能与承载能力，为既有桥梁养护、加固、改建或限载对策提供科 学的依据。这对于缺乏完整技术资料的既有桥梁更为必要。 ( 3 ) 研究结构( 构件) 的受力行为，总结结构受力行为的一般规律。随着桥 梁工程的不断发展，新结构、新材料、新工艺的推广应用，原有的规范、规程 往往不能适应工程实践的要求。为了修改、完善既有的规范、规程，指导设计 与施工工作，就需要进行大量的研究性试验。 桥梁结构检测，是在桥梁经常检查的基础上，进一步准确确定桥梁技术状 况，由专业技术人员使用专门检测仪器设备应用无破损检测等测试手段对桥 梁进行全面检测、测强和探伤，从而找出损坏的原因、程度和范围，分析损坏 所造成的后果以及潜在缺陷可能给桥梁结构带来的危险，为评定桥梁的耐久性 和承载能力、确定维修工程的实施方案等提供依据。桥梁结构检测从方法上可 以分为静载试验、动载试验、无损检测与长期监控测试四个方面。桥梁静载试 验是按照预定的试验目的与试验方案，将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置 上，观测桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量的试验项目，然后根据 有关规范和规程的指标，判断桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力。 桥梁动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有 频率、阻力比、振型、动力冲击系数、行车响应等参量，从而判断桥梁结构的 整体刚度、行车性能。混凝土的无损检测技术，是指在不影响结构构件受力性 能或其它使用功能的前提下，直接在构件上通过测定某些适当的物理量，推定 混凝土的强度、均匀性、连续性、耐久性等一系列性能的检测技术。桥梁结构 在长期的使用过程中，由于各种因素的影响，其内力( 应力) 会发生变化，基 础会产生沉降或变位，桥梁的线形也会发生改变，这些变化甚至会影响桥梁结 构的安全使用。因此建立桥梁的长期监控测试系统是非常必要的。桥梁结构的 长期监测是指针对桥梁的某些几何变量，在一个较长的时间段内按照预定计划 进行若干次测量、比较、分析的过程，从而为桥梁的管理与维护决策提供科学 依据。 桥梁结构状态检测也分为局部检测和整体检测两种。局部检测是对桥梁需 要重点了解的部位进行细查，目的是搞清结构局部的物理、力学和构造特性或 实际状态：整体检测则是从全局上把握结构的实际状态。无论局部检测还是整 体检测，从方法上都可以分为表观检测和仪器检测两种。表观检测方法是桥梁 结构状态检测的一个十分重要的手段，它通过人的观察对结构的外在状态进行 调查。这种方法易于发现比较明显的结构缺陷，如裂缝、焊接缺陷等症状，对 一些重要结构的内部损伤和不易观察部位的损伤却难以发现。仪器检测又包括 了局部检测方法、桥梁静载试验和桥梁动载试验。它借助各种技术和仪器，如 x 射线、超声波、显微镜、声学及光学仪器对桥梁结构进行有效检测。 一般情况下，进行公路桥梁结构检测的流程可分为三个阶段，即准备规划 阶段、加载和观测阶段和分析总结阶段。准备规划阶段包括接受委托、收集资 料、现场勘察以及编制桥梁检测方案四项内容，是桥梁检测顺利进行的必要条 件。加载和观测阶段是整个检测工作的中心环节，这一阶段的主要工作是设备 安装和数据采集。分析总结阶段，即根据外业采集的数据，进行统计分析和计 算，并编写桥梁检测报告。对桥梁的检测要由表及里、由浅入深地进行，才能 全面了解和判断桥梁的实际工作状况，为桥梁的日常养护和加固维修提供科学 的依据。 1 1 2 检测技术的发展趋势 近十几年来，一方面公路交通量急剧增长，大型重载的交通工具越来越多， 需要高标准的桥梁，另一方面原有的公路桥梁因老化、破损及原设计标准偏低， 难以满足公路运输的发展。这一矛盾越来越尖锐。另外，在大型水电站、矿山 建设中，需要通行运输超大型构件的大吨位车辆，即使近年来修建的桥梁也不 一定能满足使用上的要求【4 1 。人们早在2 0 世纪5 0 年代就已经提出了既有桥梁 的损伤检测问题。2 0 世纪7 0 年代国际经济合作组织完成了有关桥梁检测、承 载能力评估和桥梁养护等研究报告。1 9 8 0 年和1 9 8 2 年分别在巴黎和华盛顿召 开了关于旧桥问题的国际讨论会议。2 0 世纪9 0 年代以来，既有桥梁的检测和 评估问题越来越受到公路管理部门和工程师的重视，除了大量的研究文献外， 已经出版了关于桥梁检测方面的规程和规范。 文献【5 】叙述了运用超声波对钻孔桩的无损检测，主要内容是在工程和材料 结构中激发出一定频率的弹性波，这种波以不同的波形在材料和结构内部传播， 并由仪器接收。通过分析研究被接收记录下的弹性波形信号，以了解结构内部 的力学性能和缺陷。主要运用于对水下钻孔桩的夹层断桩的缺陷研究。文献【6 】 叙述了捶击反射波法、水电效应法、机械抗阻法和凯司( c a s e ) 法在桩的外形 缺陷。扩径、缩径、蜂窝、麻面；内部缺陷。夹层、离析、孔洞、断裂等病害 的检测方法。文献 7 9 】也介绍了对于大型桥梁的桩基无损检测技术的探讨，主要 方法有采用小应变应力波反射法( 捶击波动法) 对桩基进行抽查检测，是根据 弹性应力波的速度和它在界面的反射直接检测桩的质量。 文献【1 0 】叙述了如何对正在运营的混凝土桥梁进行可靠性评估的现场测试 方法，并介绍了现场测试的两种方法：应用系统识别方法进行静载试验( 以检 测车辆加载) 以及应用模态分析方法进行动载试验( 以落物加载引起桥梁受迫 振动) 。 文献 1 1 】介绍了如何把曲率模态用于桥梁损伤识别，并指出要将曲率模态检 测结构损伤方法应用于实际工程损伤检测，首先需要解决测量方法问题，主要 是模态测量的精度问题，需要提高检测位移模态的精度以减少误差对损伤的影 响。若采用滤波等手段以减少噪音的影响则可以增强检测效果。 文献【1 2 】介绍了实现检测桥梁动、静态挠度的几种方法和原理。国内出现 了一些非接触观测桥梁挠度的新方法：1 ) 激光准直感光法。一束准直激光束射 向桥面被测点上放簧的低感光度照相底片，当荷载通过时，感光底片相对激光 束振动，底片上留下桥梁振动的痕迹，即可得到桥梁动态挠度数据。2 ) 重力或 惯量传感器测量法。该法一般采用微机进行a d 变换，具有较高的分辨能力， 可进行多点测量。3 ) 激光准直和线蒸阵c c d 器件法，该法动静态均可测量。4 ) 光电成像和c c d 摄像法，可实现三维动、静态挠度检测，具有微机记录功能。 5 ) 光电分光成像和高速线阵c c d 法。该法采样频率达2 0 0 h z 可以方便的完成 一般桥梁大挠度及大桥、特大桥多点三维挠度的同步测量。 文献 1 3 提出了一种基于时变可靠度分析的、寻找桥梁蜕化结构的最优检 测与维修方案的方法，既保证蜕化结构的可靠度指标始终大于容许值，又使得 全寿命期费用最小。 文献 1 4 指出当前用于复杂结构的整体检测方法主要是结合系统识别、振 动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法。从 研究和应用的角度看，大致可分为模型修正法和指纹分析法两大类。并指出振 动模态分析技术和系统识别理论在结构健康监测领域具有很广阔的前景。 文献 1 5 回顾和分析了损伤检测方法的发展，包括：动力指纹分析和模式 识别方法、模型修正和系统识别方法、神经网络方法、传感器及其优化布置等， 并比较和分析了各自方法的优点和不足。 文献 1 6 】在分析总结了桥梁结构检测与评估技术的研究和应用现状的基础 上，提出今后桥梁检测技术的研究热点： ( 1 ) 表观检测数据与桥梁状态指标的关联方法，也就是如何从表观检测 数据推断桥梁的运营状态。在这方面，神经网络等信息科学和信号理论中的方 法展现了良好的应用前景。 ( 2 ) 高效、高精度测量仪器的开发。目前，试验检测方法中面临的主要 问题之一是测量仪器的精度不足，使得一些好的识别理论方法不能应用。因此， 开发适用于桥梁结构检测的专用仪器是一个有待解决的问题。 ( 3 ) 分析与铡试技术的集成。将基于有限元的数值分析技术与现场测试 结合起来，使二者可以适时地相互校正和补充。 ( 4 ) 高技术仪器设备的研制与开发。如国际上正在研制的用于桥面板检 测的地质雷达，用于全桥测量的激光雷达等等。 ( 5 ) 动态检测技术。与静态检测技术相比。动态检测技术有很多优势， 4 但目前还存在一些技术难题未得到解决，是研究工作的一个努力方向。 1 2 拱桥的结构特点与发展现状 1 2 1 拱桥的基本特点、分类及力学特性 拱桥是我国公路上使用缀广泛的一种桥梁体系。拱桥的特点不仅体现在它 独特的外观上，主要还在于它独特的受力性能上。由力学知识町以知道，一种 粱式结构在竖向荷载作用下，支承处仅仅产生竖向支承反力，而拱式结构在竖 向荷载的作用下，支承处不仅产生竖向反力。而且还产生水平推力。由于这个 水平推力的存在，拱的弯矩将比同等跨径的粱的弯短小很多，瓶使整个拱主要 承受压力，这样拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝土等材料来建，而且还可以利 用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建。拱桥的主要组成，也是由 桥跨结构及下部结构两大部分组成。图1 1 表示拱桥各主要部分的名称。 ! 墅塑苎咝 o l ! 叩浮，r 图1 1 拱桥的主要组成部分 拱桥的主要优点有i ”l ： 1 ) 跨越能力较大。在全世界范围内，钢筋混凝土拱桥目前的最大跨径为3 9 0 m ， 石拱桥为1 5 5 m 钢拱桥达5 1 8 m ： 2 ) 能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比，可蚪节省大量的 钢材和水泥； 3 ) 能耐久，而且养护、维修费用少； 4 ) 外形美观； 5 ) 构造较简单，尤其是圬工拱桥，技术容易被掌握，有利于广泛采用。 拱桥的主要缺点是： 1 ) 自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，当采用无 铰拱时，对地基条件要求高； 2 ) 拱桥( 尤其是污工拱桥) 建桥时间较长，需要劳动力多； 3 ) 连续多孔的大、中桥梁中为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较 复杂的措施或设置单向推力墩，增加了造价。 4 ) 与梁式桥相比，上乘式拱桥的建筑高度较高，当用于城市立体交叉及平原 区的桥梁时，因桥面标高提高，而使两岸接线工程量增大，或使桥面纵坡 增大，既增大造价又对行车不利。因此也使拱桥的使用范围受到一定的限 制。 拱桥虽然存在这些缺点，但是由于它的优点突出，只要在条件许可的情况 下，修建拱桥往往仍是经济合理的，因此在我国公路桥梁建设中，拱桥，特别 是污工拱桥仍得到了广泛的应用。 拱桥的形式可以按照以下几种不同的方式进行分类 1 8 l 。 a ) 按照主拱圈所使用的建筑材料可以分为：污工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢 拱桥和钢一混凝土组合拱桥等： b ) 按照拱上建筑的形式可以分为：实腹式拱桥和空腹式拱桥； c ) 按照主拱圈线形可以分为：圆弧线拱桥、抛物线拱桥和悬链线拱桥： d ) 按照桥面位置可以分为：上乘式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥( 图1 2 ) ； e ) 按照有无水平推力可分为：有推力拱桥和无推力拱桥； f ) 按照结构受力图式可分为：简单体系拱桥( 图1 3 ) 、组合体系拱桥和拱片 桥； g ) 按照拱圈截面型式可分为：板拱桥、板肋拱桥、肋拱桥、双曲拱桥、箱形 拱桥、钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥。 图1 - 2 桥面位置分类 a ) 上承式；b ) 中承式；c ) 下承式 1 2 2 拱桥的发展现状和病害 ，、 、 、 啄 图i - 3 简单体系拱桥 a ) 三铰拱；b ) 两铰拱；c ) 无铰拱 6 蓉。 我国造桥历史悠久。直至今天，中华大地上还有成千上万座古桥。或横跨 江河两岸，或耸立于崇山峻岭之间，沟通着道路，装点着锦秀河山。人类架设 桥梁经过了漫长得历史发展过程，并由简单到复杂，由低级到高级。到了近代， 桥梁建设有了长足的发展，无论在功能、技术和外观等哪个方面都取得了巨大 的进步和辉煌的成就。 拱桥最早诞生于我国，是我国广大劳动人民智慧的结晶。其中最具有代表 性的石拱桥，就是我国劳动人民在长期的生产实践中利用天然材料首创的，可 谓是历史悠久、使用广泛在一千多年来的交通事业中有着巨大的贡献。直到 现在，石拱桥仍在被沿用。我国现存的拱桥中历史最久的就是河北省赵县的安 济桥，又名赵州桥，它被美国土木工程师学会评为最悠久的“国际历史土木工 程里程碑”并被誉为是世界建桥史上划时代的创举。拱桥适用范围非常广泛， 不但造型优美，具有民族特色，而且跨越能力很大，在城市道路桥梁和公路桥 梁上均占有特殊得地位。近十几年来，随着我国经济建设的迅速发展，公路交 通运输的交通量也迅速增加。车速的提高，载重量的增加，使大部分公路旧桥 的承载能力变低而不堪重负。特别是反映我国己建的公路钢筋混凝土拱桥方面， 结构构件开裂、变形及缺损等病害普遍存在，使桥梁的结构功能低下和恶化。 如何对旧有的拱桥进行全面和科学的评估，并进行试验检测旧桥的病害以积累 原始数据资料，经过理论计算和实测值的对比分析，提出合理而经济的加固改 善设计方案和具体的技术措施，以少量的资金维修和加固旧桥的局部构件，设 法延长旧桥的使用寿命，发挥其承载潜力，使旧桥适应现代交通运输的发展， 为现代经济建设服务，已成为我们急需研究和探讨的课题【l9 1 。 1 3 桥梁加固 各种桥梁在制造及运营期问都可能产生不同的缺损( 亦称缺陷) 。普通钢筋 混凝土及预应力钢筋混凝土是桥梁结构中常用的材料，在制造或运营期间可能 产生裂纹、保护层剥落、蜂窝、麻面、防水层及伸缩缝失效等等。它们的危害 程度与缺损的类型、发展性质及出现的部位有关，有时对结构的耐久性及载重 等级影响较大。 旧桥加固改造技术，是对正在使用的旧桥进行检测、评价、维修、加固或 改造等技术对策的总称。据外国有关统计资料表明，对于结构建筑物( 包括公路 桥梁) 承载能力和使用性能进行检测、评价，在投入使用后一般有两次高峰期， 一是投入使用后约2 0 年，称为小周期：二是约6 0 年左右，称为大周期。小周期 对结构进行检测的目的是：确保结构建筑物处于完好的技术状态；大周期是对建 筑物进行鉴定，判定其使用状态，以便采取相应的对策。随着我国国民经济的 快速发展，公路运输在国民经济中的作用和地位愈加显著，运输量的增长幅度 也在逐渐加大，相应的荷载等级不断提高，可是由于我国原有公路桥梁的设计 标准较低随着桥龄增长，桥梁老化、破损较为严重，普遍存在承载力不足的 情况。因此迫切需要对旧桥进行检测、评价、维修、加固及技术改造， 以恢复 和提高其承载能力和通行能力”。 拱桥的改造加固方法，丰富多彩，不一而足，新的加固方法不断涌现但 归根结底，主要还是增大拱圈截面，增强拱肋、拱波之间的联系，加强横向联 系，减轻拱上建筑的重量等几种基本方法及其衍生，这些方法可以因地制宜配 合使用2 1 1 。 1 4 本文的主要工作 本文在明确桥梁检测的重要性的前提下，依托实际工程，介绍了拱桥的检 测方法、内容和过程。并以拱桥设计理论，振动测试与分析技术以及空间有限 元理论为基础，对芜湖市扁担河二桥钢筋混凝土桁架拱桥进行了动载试验分析。 文章重点探讨了用于桥梁结构检测的原理、思路和过程，通过基于有限元模型 的理论分析和实际检测结果进行对比，以相互验证，并为准确作出桥梁结构状 态评估提供客观依据。具体来说，本文主要进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 明确桥梁检测的重要性，总结桥梁检测技术的发展现状和趋势； ( 2 ) 分析拱桥的结构特点和发展现状，详细介绍了拱桥检测的基本方法、 内容和过程，并总结了拱桥结构状态评定的方法； ( 3 ) 结合工程实例介绍了钢筋混凝土桁架拱桥的动载检测方法； ( 4 ) 介绍了拱桥的加固和维修方法。 2 1 拱桥荷载试验 第二章拱桥的检测和评估 2 1 1 荷载试验的目的1 2 2 1 拱桥桥梁结构荷载试验就是对桥梁结构物进行直接加载测试的一项科学 试验工作，其目的是通过荷载试验，了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际 工作状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的营运质量。对于 一些在理论上难以计算的部位，通过荷载试验可达到直接了解其受力状态的 目的；通过荷载试验常常有助于发现在一般性检查中难以发现的隐蔽病害； 通过菏载试验可以检验桥梁结构的设计与旆工质量；通过荷载试验可以确定 旧桥结构实际的承载能力，为制定桥梁加固或改建技术入案提供依据。此外 通过对新建桥梁结构的竣工荷载试验以及针对性很强的研究性试验，则可为 发展桥梁设计理论和提高施工工艺水平，不断地积累技术数据并提供科学依 据。桥梁荷载试验是新型桥梁结构性能研究、各类桥梁施工质量与结构承载 能力评定工作的重要手段，普及桥梁荷载试验技术，搞好试验工作并作出桥 梁结构性能的正确评定，对于推动我国桥梁建设，提高桥梁工程质量，挖掘 服役桥梁承载潜能，都具有十分重要的意义。 2 1 2 荷载试验的任务 桥梁荷载试验的任务是根据试验的目的和要求来确定的。一般来说桥梁 荷载试验的主要任务是： 1 ) 确定桥梁结构承载能力及营运条件 a 对于重要的桥梁结构，除在设计阶段即进行必要项目的试验研究 外，通常在桥梁建成竣工后，通过荷载试验来鉴定桥梁结构的质 量和营运条件，分析判断桥梁的实际承载能力。 b 对于需改建或加固的桥梁，通过荷载试验可进一步提供桥梁改造 技术依据，尤其是对于缺少技术资料的旧桥更为重要。 c 对于新型桥梁及运用新材料、新工艺的复杂桥梁结构，通过系统 的荷载试验，可以了解和掌握结构在荷载作用下的实际受力状态， 验证结构计算图式，并探索具有普遍意义的规律，为充实和发展 桥梁结构的计算理论和施工工艺积累科学资料。 2 ) 分析桥梁病害原因及其变化规律 对于遭受到洪水、冰冻、地震、撞击、河床挖坑或冲刷而损伤的桥梁 结构或使用期间发现有严重缺陷，如过大变形或裂缝等，常通过桥梁荷载 进行综合分析研究，提出合理的整治方案和养护措施。 3 ) 检验桥梁结构的内在质量 对新型桥梁或加固、改建桥梁进行竣工验收鉴定，以对桥梁结构整体 受力性能是否达到设计文件和规范标准的要求作出评价，检验预期的设计 效果。 2 1 3 荷载试验的内容 根据试验荷载的作用性质，桥梁荷载试验可分为静载试验和动载试验。 桥梁结构的静载试验和动载试验，虽然在试验目的和内容上都很不相同。但 对承受以车辆荷载为主的桥梁结构来说，这两种性质的荷载试验对于全面分 析和了解桥梁结构的工作状态是同样重要的。静载试验可在结构上布置较多 的测点，便于更全面的分析结构的受力情况。动载试验则是研究分析桥梁结 构在车辆荷载和其他动力荷载作用下的振动特性所必须的。 在桥梁动载试验中，按作用方式可将动力荷载分为冲击荷载、振动荷载 和制动荷载。在试验中可根据试验的具体要求来选择荷载方式。 2 1 4 荷载试验要点1 2 3 l 拱式桥梁有水平推力的桥型结构，其主要承载结构主拱圈( 或主拱肋、 拱片等) ，在恒载作用下一般仅承受轴向力，在外荷载作用下还将承受弯矩和 剪力。 由于拱桥系超静定结构，受力复杂，当在外荷载作用及温度、墩台位移 和其他构造等原因影响下出现开裂时，轻者出现截面应力重分布，重者可随 裂缝开展形成结构体系转换，结构内力重分布。如无铰拱开裂后，有可能形 成一铰拱寸二铰拱哼三铰拱，直至四铰拱破坏。加之，拱上建筑的联合作用， 连拱作用的影响等，难于像梁式桥那样，简单地以计算和实况直观类比法评 定其承载能力，成为当前国内外桥梁界研究的主要攻关课题。 所以，拱式桥梁荷载试验目的就是希望通过对实桥进行加载、测试，以 达到摸清桥梁结构地实际工作状态和动力特性；通过实测各控制截面的应力 和变形( 挠度) ，并与相应的理论检算值相比较，进而分析与判断桥梁结构的 安全承载能力和使用条件。因此，拱式桥梁的荷载试验一般要点为： 首先是分析和掌握需要进行荷载试验的实际拱式桥梁的结构和受力 特点； 对实桥进行现场勘察和详细的结构检测； 根据不同桥型确定主拱圈和拱上建筑的控制截面： 明确需要实测的截面参数：应力( 应变) 、挠度( 变形) ，墩、台的变 位等； 对需要进行试验的拱桥进行结构分析和理论值检算； 1 0 对实桥进行加载试验，测取既定的各种实测参数； 将试验实测参数与理论检算值进行对比分析： 根据以上结果对实桥实际工作状况进行评定，并综合分析与判断桥梁 结构的安全承载能力、动力性能和使用条件。 2 2 拱桥静载试验 静荷载实验法【2 4 2 6 1 ，是在桥梁上加上实际荷载来评价桥梁的承载力，目前 国内外比较多的采用这种方法此法被认为是比较成熟的，且能够正确的反映 桥梁的静态承载力。静荷载试验法有几种情况，一是按照“挢规”给定的标准 荷载( 如汽- - 2 0 或挂一1 0 0 等) 对实桥施加静载，测得挠度f 、裂缝6 、应变e 、 横向分布系数n 及根据实测值换算的结构刚度e i 与理论值进行比较，符合要求 则被认为结构抗力能满足相应荷载效应的要求，结构处于安全工作状态：反之 需要做加固或进行必要的技术处理，这种方法多用于新桥验收使用，看其是否 满足设计荷载要求，如能满足要求便认为此桥合格，至于它尚有多少潜力，这 不是评估所关心的。二是在不进行桥梁破坏的状态下，确定其最大的承载力， 在第一种方法的基础上，按结构外荷载与产生的f 、e 等影响应呈线性关系的 弹性工作原理，绘$ 1 j p f ，p e ，p 6 曲线，从而外推算出该桥的承载力， 当然这种承载力的准确性取决于外推曲线的正确性，此种方法多用于在普通桥 梁因特殊原因要过超载车辆时的评估，以确定能否通过大型车辆。三是对一些 废弃或即将拆除的旧桥进行试验，此种试验纯属研究性质的，它采取的方法是 破坏性加载试验，在桥下先安装好防护装置，然后逐级加载测试，直至破坏， 从而得到科学实验的数据，此种试验属破坏性的实验。 2 2 1 静载试验的具体测定内容 一、静载试验的具体测定内容1 2 7 - 2 9 1 1 静应变测试结构的静态应变量，从而推算结构截面的应力分布、杆件 的实际内力与次应力，确定圬工梁拱裂缝的开展情况和中性轴位置、混凝土 和钢筋共同作用情况。试验结构的断面内力( 弯矩、轴向力、剪力、扭矩) 和断面应力分布，一般都是通过应变测定来反映的，正确的测定应变值，对 于结构受力状态的正确分析是非常重要的。常通过在受力部位布设电阻应变 片，在加载过程中用静态应变仪进行数据采集。应变测量常分如下两种情况。 1 ) 当桥梁结构主应力方向已知时，且结构处于线弹性工作状态时。对单 向应力状态有以下关系： 盯= e 对平面应力状态则有： ( 2 1 ) q = 告( e i + u e 2 )盯：= 而e ( ”) ( 2 t 2 ) 测试过程中荷载应变关系表现为如下几种状态( 如下图2 - 1 ) 对于承受弯矩作用的结构，沿其截面均匀布置应变片，以了解结构承受 拉区与受压区的相对分布情况如图2 - 2 所示。 p p 境性状态非线性状备 p 图2 1 荷载一应变状态示意图 非蟪性卸糟状杏 ( 加筑不可麓状态) 赫博 截面廒力应变) 与受压区与受投区关莱 图2 2 截面应力应变测试布置与分析图 2 ) 当桥梁结构主应力方向未知时 这种情况是经常遇到的，如在受弯构件中正应力和剪应力共同作用的区 域，或截面形状不规则或者有突变的位置。这种情况应变片布置应采用应变花 方式，布置如图2 3 。 隔! 3 2 图2 3 应变花测试布置示意图 此时主应力。及剪应力t 采用下式计算： i t i i l * t = 詈( 鲁击瓜磊阐 丽e 瓜i 丽 ( 2 _ 3 ) ( 2 4 ) 第一应变片与最大主应力夹角为： p ：三瑶2 e 2 - - e i - - e 3 ( 2 5 ) 2 q 一岛 此外，还可采用等边三角形等应变花形式，计算公式应作相应变化。 2 静位移测试竖向静态位移量( 挠度) 、水平静态位移量( 拱脚位移等) 。 位移测定主要是指桥梁挠度及其变形曲线的测定。以便能测出挠曲变形的 特征曲线。在桥梁结构设计中的荷载横向分布系数往往是以测定桥梁横断面各 梁挠度的方法推算出来的。 横向分布系数是确定桥梁整体工作性能的重要参数，通过对桥梁跨中横断 面各主拱挠度的测定，按照荷载横向分布的概念，运用变位互等定理，即可计 算并绘出实测的任一主拱的荷载分布影响线。见图2 4 。 图2 4 横向变形分布示意图 当桥梁向各主拱圈断面尺寸相同时，横向分布系数可由下式得到： 矾= 。 ( 2 6 ) l y i 横向分布系数相差越小，桥梁结构整体工作性能越好，反之则较差。 3 裂缝观测 加载后在受拉区及时发现第一条裂缝是十分重要的。经验表明，即使将构 件表面粉刷，用肉眼来观察裂缝的出现也是不可靠的。为此，采用应变测量仪 进行测定。测试时，应在结构内力最大受拉区，沿受力方向连续布置应变片， 如图2 5 所示。 应变片 图2 - 5 裂缝测试应变片布置示意图 在裂缝没有出现前，应变测试数据是有规律的。若在某级荷载下开裂，则 跨越裂缝的应变片的应变数值骤增，而相邻的应变片的应变数值由于应力释放 而减小。甚至出现负值。如图2 - 6 所示。 p 崎越袋缝应变片 相柞j l 缝应史片 图2 6 结构开裂时的荷载一应变状态 二、试验工作 试验准备工作就绪，向全体人员 包括仪器操作人员、汽车司机( 采用汽 车苟载时) 等 进行交底( 包括试验内容、进行程序、注意事项等) ，统一行 动，使试验工作有秩序地顺利进行。试验时应注意下列问题： 1 、加载的重量、位置要正确，不能有误。利用汽车荷载时，要专人指挥 行驶到指定位置。根据桥梁设计等级进行加载，桥梁等级划分如下：汽车一1 0 级。主车i o o k n ，重车1 5 0 k n ；汽车1 5 级，主车1 5 0 k n ，重车2 0 0 k n ；汽车- - 2 0 级，主车2 0 0 k n ，重车3 0 0 k n ；汽车超2 0 级，主车3 0 0 k n ，重车5 0 0 k n 。 目前多使用汽车加载，加载位置应按相应断面内力影响线加载。加载顺序 应由小到大。 正式加载前，一般对试验结构进行必要次数地预载。预载可使结构进入正 常的工作状态，特别是对新桥。汽车加载示意图如2 7 所示： 旦圭3 路已里3 兰坠 铸蠛健美 时琳囊对嚣囊 图2 7 汽车加载示意图 2 、试验时，每台电阻应变仪应配备二人，一人掌握仪器并读数，一人记 录；其他机械式仪器每台配备一人，掌握仪器并作记录。 3 、卸载时要注意让全部荷载退出或搬离桥外，不压桥跨。 4 、每一级荷载，以结构在最后5 分钟的变位增量小于前一个5 分钟变位的 1 5 作为稳定标准。每级加载后，立即测读仪表，以后每隔5 分钟测读一次， 待到变位稳定后，进入下级荷载前再读一次。 5 、试验进行时，要注意不要触动导线，以免影响读数。 6 、对暴露在野外的电测导线、电阻应变片等应采取防潮措施，由于雨水 会改变电测导线的分布电容，影响电测仪器的电容平衡，故试验应避免在雨天 进行。 7 、阳光辐射与大气温度的变化，对测量精度有直接影响，为减少此影响， 1 4 除采取必要的措施( 如温度补偿) 外，静载试验宜安排在夜间进行。 2 2 。2 数据分析 静载试验数据整理分析的主要内容包括结构的位移( 挠度及墩台支座的沉 陷) ，构件截面内力( 截面纤维应变，并由应变计算应力、轴力及弯矩) ，以 及构件裂缝发展情况等。 一、挠度的计算 从偏于安全考虑，拱顶各点挠度一般可采用实测挠度值。如考虑墩台下沉 因素影响时，可对实测的挠度值加以修正，从而得到结构受到荷载作用后的真 正挠度。测量时，拱顶及拱脚处各布置一个挠度计，分别测得跨中挠度f l ，拱 脚位移值f 2 、f 3 消除拱脚位移影响后的跨中实测挠度值则为： ，。= 彳一华 二、弹性构件截面内力的计算 ( 1 ) 由各测点实测的应变求应力，可由下式求得 仃= e f ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中：一实测应变； e 一材料弹性模量。 钢材的弹性模m - e 。一般可根据规定选取；混凝土圬工材料的弹性模量，由 于长期自然养生的影响，混凝土的标号起了变化，一般可按如下两种方法测定： a 用回弹仪测试出混凝土实际标号后，查表折算出混凝土的弹性 模量； b 测出跨中挠度，根据截面内力特性，按有关挠度公式，反算出 混凝土的弹性模量。 ( 2 ) 压弯( 拉弯) 构件截面内力的计算 以轴向力为主的压弯( 或拉弯) 构件，布置在其对称截面上的上下测点的 应变符号相同，根据构件断面应变图可按下式算出实测轴力和弯矩： = 等( 钆y 下+ c r y 上) ( 2 9 ) 肘一e d 、e 下一屯) ( 2 1 0 ) 式中：e 上、e ，被测截面上、下边缘的实测应变值： y 上、y t 被测截面上、下边缘的测点与截面中和轴的距离 a 被测截面面积； j 被测截面惯性矩； h 上、下测点之间的距离。即h = y + y t 。当上、下测点布置 在截面上、下纤维边