西安市护城河改造工程桥梁检测和荷载试验
二○○四年十一月，受西安城墙景区管理委员会委托，我公司对西安护城河上15座桥涵进行检测、荷载试验及桥梁基础地质工程勘察评估工作。 在时间紧，任务重的情况下，为了顺利完成本次任务，我公司成立了以许宏元总经理为首的领导小组，并确定了项目组成员，由经验丰富的专业技术人员组成，根据工作内容分了三个小组①检测组②荷载试验组③基础地质工程勘察组，并且制定了工作大纲和安全细则。
一、 工作概述 本次检测、荷载试验的目的是确定桥梁各部位的损伤和工作状态，进而确定是否需要进行大修、加固；通过对护城河桥梁的全面检查、系统收集桥梁技术资料、为结构物的强度、刚度、稳定性和耐久性评估提供基础资料；建立和累积技术资料，为建立桥梁数据库，加强桥梁科学管理和提高桥梁技术水平提供必要条件，这也是桥梁养护、加固、护城河改造工程的科学依据。
检测组于11月1日～11月15日完成外业检测任务；荷载试验组于11月1日～11月15日完成荷载试验方案，并于11月16日～11月20日完成现场荷载试验，报告整理于11月30日前全部完成。
1.1 依据 本次桥梁检测、试验评估工作按下列规范或技术文件执行：
1、《公路桥涵设计规范》（合订本）
2、《公路桥涵养护规范》（JTG H11－2004）
3、《公路桥梁承载能力检测评定规程》
4、《桥梁工程检测手册》
5、《混凝土强度检验评定标准》（GBJ107-87）
6、《公路工程技术标准》（JTJ B01-2003）
7、《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）
8、《大跨径混凝土桥梁的试验方法》1982/10 北京
9、《公路工程质量检验评定标准》（JTJ071-98）
10、《公路养护质量检查评定标准》（JTJ075-94）
11、《公路旧桥承载能力鉴定方法》（交通部部颁标准）
12、《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2001）
1.2 检测、试验结果 根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11－2004）桥梁技术状况评定等级分为一类、二类、三类、四类、五类，五个等级。
对于一般评定划定的各类桥梁，分别采取不同的养护措施，一类桥梁需进行正常保养；二类桥梁进行小修；三类桥梁需进行中修，酌情进行交通管制；四类桥梁需进行大修或改造，及时进行交通管制，如限载、限速、通过，当缺损较严重时应关闭交通；五类桥梁需进行改建或重建，及时关闭交通。
1.2.1 三类桥梁 本次检测中发现病害比较严重的三座桥梁有建国门桥、朱雀门桥、西门桥，根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11－2004）这三座桥梁均被评为三类桥，虽然荷载试验结果表明以上三桥均能满足汽—20、挂—100的荷载要求，工作状态仍处在弹性范围内，但是仍需要进行加固处理，否则将影响桥梁的安全运营。
1.2.2 二类桥梁 本次检测即荷载试验结果表明下列桥梁除次要部件有少量缺损外，没有发现较大病害，这些桥梁为：和平门桥、文昌门桥、南门东桥、南门西桥、小南门桥、玉祥门桥、北门桥、火车站系列桥、朝阳门桥、小东门桥，根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11－2004）这十座桥梁均被评为二类桥，荷载试验结果表明以上均能满足汽—20、挂—100的荷载要求。
1.2.3 小桥涵 本次检测结果表明尚武门和东门涵洞两座桥涵运营正常，没有发现较大病害，次要部件有少量缺损，根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11－2004）这两座桥梁均被评为二类桥。
二、 典型桥梁的检测及荷载试验 图1－1 建国门桥全貌 2.1 桥梁概述： 某桥建于1985年，上部结构形式为变截面混凝土悬链线无铰板拱，拱轴系数m=1.988，L0=24m，f0=4.8m， f0/L0=1/5，计算跨径L =24.44m，计算矢高f =4.88 m。拱上腹拱及台上小拱采用预制混凝土圆弧拱，紧靠桥台处的腹拱为三铰拱。桥梁总长为43米，总宽25.6米，拱圈厚度55～65cm。
下部结构：桥台形式采用箱形，基础采用扩大基础。
本桥桥面铺装为沥青混凝土铺装；栏杆为仿古石雕栏杆。
设计荷载等级：汽—20、挂—100。
2.2 检测目的 1、该桥至今已运营二十余年，营运年限较长，主要部位不同程度出现缺陷，如裂缝、错位、老化等。通过检测确定各部位的损伤状态，进而确定是否需要通过大修、加固来提高荷载等级。
2、通过对该桥的全面检查、系统收集桥梁技术资料、为结构物的强度、刚度、稳定性和耐久性评估提供基础资料。
3、重新建立和累积技术资料，为建立桥梁数据库，加强桥梁科学管理和提高桥梁技术水平提供必要条件，这也是桥梁养护、加固、护城河改造与维修工作的科学依据，从而更好地养护管理桥梁，发挥其最佳经济效益。
2.3 检测内容 2.3.1 桥跨结构 主拱圈及腹拱拱圈、腹拱墩结构损伤程度，包括截面尺寸、跨径、拱轴线、桥面线形、钢筋保护层厚度；
结构混凝土的空洞、峰窝、剥落、层裂、风化隆起、露筋、裂缝、破碎及钢筋锈蚀等。
桥跨结构的不正常变形、裂缝及横向联系的开裂、脱落和失效；
桥跨结构混凝土强度、碳化深度及均匀性；
2.3.2 下部结构 桥台材料的风化、剥落、侧墙鼓膨、开裂、错位、下沉及水平位移或转动，基础冲刷等。
2.3.3 桥面系及附属结构 桥面铺装的开裂、剥离、洼地积水、坑穴、波浪和鼓包；
人行道的功能及路缘石的剥落、破损；
栏杆系的撞击损坏、松动、开裂、下挠、上拱、歪斜及构件混凝土破损；
桥面排水设施的破损、堵塞和漏水；
2.4 检查评估方法 2.4.1 主要仪器设备 本次检测所用的主要仪器设备及其技术指标如表1-1所示。
表3.3-1 检测仪器主要性能指标
| 序号
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名 称
|
精度
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作 用
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产地
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| 1
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ZC3-A回弹仪
|
–
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测试混凝土强度
|
国产
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| 2
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JC10读数显微镜
|
0.01mm
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测量裂缝宽度
|
国产
|
| 3
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精密全站仪
|
0.01mm
|
测量拱轴线
|
瑞士
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| 4
|
酚酞试剂
|
1.0mm
|
测试碳化深度
|
国产
|
| 5
|
塞尺、放大镜
|
0.1mm
|
测量裂缝宽度
|
国产
|
| 6
|
皮尺
|
1.0mm
|
测量桥长、宽度等
|
国产
|
| 7
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发电机
|
–
|
|
国产
|
| 8
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钢筋保护层测试仪
|
2.0mm
|
钢筋保护层/位置
|
瑞士
|
| 9
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精密水准仪
|
0.01mm
|
测量桥面线形
|
瑞士
|
2.4.2 主体受力构件的破损情况 对该桥的主体受力构件，如主拱圈、腹孔墩及拱圈等构造的破损情况进行近距离内观测。对于开裂较严重的部位，长度利用钢卷尺量测；宽度较大的裂缝用塞尺量测；对于细小的裂缝用刻度放大镜测读裂缝宽度。
2.4.3 混凝土抗压强度检验 混凝土抗压强度检测采用超声回弹综合法进行。
3.4.4 定位钢筋网和保护层厚度检测方法 3.4.5 拱轴线测量 拱桥的拱轴线形状不仅直接影响主拱圈内力分布及截面应力的大小，而且它与结构的耐久性和经济合理性等有密切的关系。在拱桥设计中选择拱轴线的原则就是要尽可能降低由于荷载产生的弯矩。该桥是20年前建成拱桥，由于当时施工放样的偏差，以及在使用过程中混凝土收缩、徐变和基础沉降等原因，该桥目前实际的拱轴线与设计的理想状态相比已有较大的偏差。因此必须对该桥的拱轴线型作准确的测量，才能为结构的承载力分析提供可靠的依据。
本次测量的方法是在主拱底面上沿纵桥向设置若干个测点。将测量棱镜定位在各测点上，用全站仪逐个测及各测点的座标值，再将主拱圈上各测点的座标值用样条函数拟合的方法，求拱圈底面或顶面的纵座标值。
图3.8-1 拱轴线设计与实际偏差对照表
3.4.6 桥面线形测量 桥上路面已经经过多次改造，已经测不出桥面的下沉量，但从桥梁栏杆底座的高差可以看出拱桥跨中已经产生了一定程度的沉陷。本次桥面线形测量采用精密水准仪进行测量，选择栏杆底座内侧进行测量（见图3.9-1）。
经过检测，该桥东侧栏杆最大沉降约为1.2136cm
西侧栏杆最大沉降约为3.35cm
图3.9-1 栏杆线形表
3.5 检测结果 3.5.1主拱圈 经检测，主拱裂缝较严重，并存在不同程度的渗水、钙化现象。其中：① 距跨中约2.0m偏南，两段拱圈间间隔槽处有一条横向贯通拱顶的裂缝延伸至拱圈上缘，裂缝最大宽度8.0mm（见图4.1-1）。
图4.1-1 主拱圈裂缝 图4.1-2 主拱拱脚裂缝
图4.1-3 拱顶侧墙处裂缝
（注：邻近桥台的腹拱以下称①号腹拱；靠近跨中的腹拱以下称②号腹拱。）
② 主拱圈四个拱脚处均有竖向裂缝,最大裂缝贯通整个拱圈横截面，裂缝最大宽度可达4.0mm（见图4.1-2）。
| 图4.1-1 主拱圈裂缝
|
③ 主拱圈底面两幅之间施工缝开裂、有渗水、钙化现象严重；主拱圈东面北侧拱顶与桥台连接处有渗水、钙化现象。
④东侧主拱拱顶侧墙处有一条纵向裂缝，贯通整个拱顶侧墙，长度约10m，裂缝最大宽度约1.0mm（见图4.1-3）。
2.5.2 腹拱 ① 南北两侧①号腹拱东西两面拱顶铰缝以及两侧变形缝处分别开裂严重，大多延伸至桥面,宽度多在10mm—15mm，最大宽度可达20mm，部分裂缝有渗水现象严重（见图4.2-1）。
图4.2-1 ①号腹拱拱顶、拱铰裂缝、渗水
图4.2-2 ②号腹拱拱顶处裂缝 图4.2-3 北侧①号腹拱侧墙裂缝
② 两侧①号腹拱内部顶板间铰缝开裂过大，拱铰渗水、钙化现象严重。
| 图4.2-1 ①号腹拱拱顶、拱铰裂缝、渗水
|
③ 北侧②号腹拱拱顶距东侧边缘2.0m处有一条竖向裂缝，长1.5m，最大宽度2.0mm（见图4.2-2）；
④ 北侧①号腹拱桥台前墙距西侧边缘3m处有一条裂缝向上延伸，裂缝长度为2.0m，最大宽度为2mm（见图4.2-3），局部有渗水、钙化现象；北侧侧墙距东侧边缘有两处竖向裂缝，长度分别约为1.5m、1.0m，最大宽度约为0.15mm。
图4.2-4 南侧①号腹拱顶板渗水 图4.2-5 南侧②号腹拱拱铰处渗水
⑤ 南侧①号腹桥台前墙与顶板连接处，距东侧约2米，有严重的渗水现象（见图4.2-4）；南侧②号腹拱北侧拱铰距西侧边缘3m处有漏水、掉块现象，长约1.3米（见图4.2-5）；南侧②号腹拱与立柱西侧连接处砌缝开裂严重、有渗水、钙化现象（见图4.2-6）。2号腹拱拱圈第二块与第三块接处砌缝未填充。
⑥ 南侧①号腹拱立柱南侧距西侧边缘3m处有一条竖向贯通裂缝，长约2.0m，裂缝宽度为2mm（见图4.2-7）。
图4.2-6 南侧②号腹拱渗水、钙化 图4.2-7 南侧立柱裂缝
⑦ 南北两侧②号腹拱靠近跨中拱铰均有竖向裂缝，裂缝大多向上延伸至桥面、部分裂缝向下延伸至腹拱拱铰内部，最大宽度为5mm，并且多数存在渗水、钙化现象（见图4.2-8）。
图4.2-8 ②号腹拱拱铰裂缝现象 图4.4-1 栏杆缺损
3.5.3 桥台 经检测，桥台基本完好，未发现裂缝、渗水、掉块等明显病害。
2.5.4 桥面系及附属设施 （1）桥面
本桥桥面铺装为沥青混凝土铺装，经检测，桥面基本完好，无破损，积水等异常现
象。
（2）栏杆
经检测，路面两侧栏杆多处缺损、断裂。
（如图4.3-1）。
（3）人行道
经检测，两侧人行道基本完好，部分
地砖破损，无其他异常现象。
2.6 荷载试验 2.6.1 本次荷载试验的性质和目的 对该桥进行荷载试验，以求达到以下目的：
1、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评价桥梁的运营质量；
2、了解结构体系在试验荷载作用下的实际工作状态，为科学地评价结构在使用阶段的工作状况提供强度、刚度和变形等方面的资料；
3、结合桥梁检测与荷载试验结论，确定该桥今后能否继续正常使用。并为业主今后的桥梁养护工作及护城河改造提供依据。
主要工作内容如下：
⑴、荷载试验的准备工作；
⑵、静载试验；
⑶、试验资料的整理及编制试验报告。
2.6.2 加载试验程序 1、试验加载位置放样和卸载位置的安排
荷载试验前应在桥面上对加载位置进行放样，以便于加载试验准确顺利进行。荷载卸载的位置应预先安排，选择既要考虑加卸载方便，又要考虑使安放的荷载不影响测试部位的受力。
2、在正式加载试验前，用两辆载重加载车在关键控制截面进行横桥向对称预加载试验，每一预加载载位持荷时间以不小于10分钟为宜。预加载的目的在于，检查测试系统和试验组织是否工作正常。在确认测试系统和试验组织工作正常后，方可进入正式加载试验。
3、预加载卸到零荷载并在结构得到充分的零荷恢复后，才可正式进入加载试验。完成一个序号的加载工况后，应使结构得到充分的零荷恢复，方可进入下一个序号的加载工况。结构零荷恢复的标志是加载试验实测的结构最大变位测点在卸零荷载后变位恢复最后一个5分钟增量小于第一个5分钟增量的15%，或小于所用测量仪器的最小分辨值。
2.6.3 静载试验规则 1、静力试验荷载持续时间，原则上取决于结构变位或应变达到相对稳定所需要的时间，只有在结构变位或应变相对稳定后，才能进入下一荷载阶段。同一级荷载内，若结构变位或应变最大的测点在最后5分钟内的增量小于第一个5分钟增量的15%，或小于所用测量仪器的最小分辨值，即认为结构变位或应变达到相对稳定。
2、全部测点(应变或挠度)在正式加载试验前应进行零级荷载读数，以后每次加载或卸载后应立即读数一次，并在结构变位或应变达到相对稳定后，进入下一级荷载之前再读数一次。只有结构变位或应变较大的测点宜每隔5分钟观测一次，以观测结构变位或应变是否达到相对稳定。
3、由于裂缝测量花费时间较多，可不受上述限制，每次加载或卸载完成后5分钟后即可进行观测。对加载过程中出现的新裂缝，宜在混凝土表面沿裂缝走向进行描绘，长度和宽度的变化情况，亦可在混凝土表面直接描绘记录。
2.6.4 终止加载控制条件 若在加载过程中发生下列情况之一，应立即停止加载试验：
1、控制测点应力值已经达到或超过用弹性理论按规范安全条件反算的控制应力；
2、控制测点变位（或挠度）超过规范允许值；
3、现场检测中，若实测挠度值大于相应荷载作用下的理论计算值10%，则终止加载，并查明原因；
4、由于加载使结构裂缝的长度、宽度急剧增加，新裂缝大量出现，缝宽超过允许值的裂缝大量出现；
5、加载试验过程中，结构出现超过20%的相对残余变形时；
6、发生其他损坏，影响桥梁承载能力或正常使用。
2.6.5 试验过程 2004年11月15～16日，在在试验孔下面搭设支架，接着在试验孔测点打底找平，然后贴应变片并作防潮处理，在贴应变片的同时安装测量用反光片，紧接着焊接导线及联机调试等准备工作。
正式加载试验前，先用一辆载重汽车，对各测点测试截面进行预加载试验，以检验各测点应变片、测试仪器及采集记录仪器工作的可靠性，经检验无误后、开始正式加载测试。
为了尽量减小温度变化对试验结果的影响，静载试验应选择气候变化不大和结构温度趋于稳定的时间间隔内进行，故决定在16日早晨开始试验。
为了加载安全和了解结构应变和位移随加载内力增加的变化关系，根据《公路旧桥承载力鉴定办法》中是规定，对桥梁主要控制截面内力的加载应分级进行，而且一般安排在开始的几个工况中，而附加控制截面一般只按最大内力一次加载。
本着上述原则，在工况1的试验中，我们采取二级加载法，每级增加一辆车，每一级加载后测取一次数据，与计算值对比分析后，发现结构的工作性能正常。所以在工况2改用一级加载法，两辆汽车一次到位后进行测试。
在静载试验中，为了减少汽车动力的影响，各工况车辆到位后，关闭发动机5分钟以上，待结构的变形完全稳定后再测取数据，以确保测试数据的可靠性。
2.6.6 本次试验实际加载效率 本次荷载试验均采用大吨位双后轴解放自卸车（见图1－2），实际加载效率见表1－2。
图1－4 该桥加载现场
表1－2设计、试验荷载及荷载效率
| 控制断面位置
|
设计荷载弯矩Mu（KN·m）
|
试验荷载弯矩Mj（KN·m）
|
荷载效率
MJ/Mu
|
|
| K1
|
拱顶
|
68.9
|
63.1
|
0.92
|
| K2
|
拱脚
|
-95.9
|
-87.6
|
0.91
|
单位：KN·m
2.6.7 试验结论
图 1-5 试验车辆纵向布载及测点布置示意图
图 1－6 拱顶加载位置及测点位置示意
图 1－7 拱脚加载位置及应力测点位置示意
实测该桥主要控制截面挠度及应力效验系数满足正常运营要求。
2.6.8 裂缝观测 本次试验过程中派专人在可能开裂的部位进行观测。观测结果表明，在荷载试验前与试验后均未发现新增裂缝。
2.6.9 拱脚水平位移观测 经过观测未发现主拱圈拱脚有水平位移。
三、 检测结论 针对西安市护城河全线桥梁检测，根据现行《公路桥涵养护规范》和《城市桥梁养护规范》规定，其中三座桥梁评定为三类，十二座桥梁评定为二类。桥梁检测工作扎实细致、荷载试验详实可靠，检测报告经过评审，受西安城墙景区管理委员会的好评。
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