八里营大桥检测与加固研究

桥隧工程有限公司协办八里营大桥检测与加固研究

荆树国

（新乡市公路管理局，河南

新乡

４５３０００）

摘要：文章介绍了运营多年的八里营大桥现所表观病害、以及对该桥的静、动载试验和对所采集数据结果与理

论计算对比分析情况，根据检测、计算结果提出了相应的加固处置方案，以达到增强桥梁刚度、保证其耐久性和正常使用条件下结构安全的目的。

关键词：桥梁工程；检测；静、动载试验；加固中图分类号：Ｕ４４

文献标识码：Ｂ

１桥梁概况

１．１原设计概况

八里营大桥位于新乡市新济公路与１０７国道连接线第２弯道园曲线（Ｒ＝１０５０ｍ）、缓和曲线和一小直线段上，跨越西孟姜女河、新焦铁路和八里营村地方道路，桥面纵坡度２．７％、超高横坡度２％，全长５７３．４１ｍ，于

２．１试验概况

根据八里营大桥现状，结合该桥结构受力特点，选

空

取该桥２０ｍ跨径（９￣１０轴）、３０ｍ跨径（１４￣１５轴）

心板和２０ｍ跨径（９轴）双柱式盖梁为静载试验对象。

本静载试验按设计荷载等级汽车－超２０级和挂车－

１２０级为试验控制荷载，选用６辆２５ｔ载重汽车进行测试。

（１）２０ｍ、３０ｍ跨径空心板：汽车试验荷载纵横向均按３列２行６辆跨中布置，对２０ｍ、３０ｍ跨径试验荷载分别按四级、五级依次加载。测试与观测１－１４号梁跨中挠度、应变及结构病害的发展变化情况。

表１２０ｍ跨径跨中截面挠度、底面应力及

弯矩测试计算结果与分析

板号

跨中挠度／ｍｍ

跨中应力／ＭＰａ

跨中弯矩／ｋＮ・ｍ

１９９５年建成通车。上部结构为三联１４孔２０ｍ＋１孔３０ｍ＋１孔２７．５ｍ＋１孔３５ｍ＋１孔２７．５ｍ＋１孔３０ｍ＋７孔２０ｍ预应力混凝土空心板，横向１４块空心板。下部结构为双柱和三柱式排架桥墩，轻型桥台；钻孔灌注桩基础。桥面总宽度：１．３５ｍ人行道＋１２．０ｍ行车道＋１．３５ｍ人行道。设计荷载标准为汽车－超２０级、挂－１２０级，人群荷载为２．５ｋＮ／ｍ２。

１．２桥梁现状

随着交通量的不断增长，特别是近年来超限、超载

①５．４７６．３２６．８２

②③①②③①②③

１２３４５６７８９１０１１１２１３１４

１０．６００．５２－１．１００－３．５２８０．３１３４３．４５８１．１０．５９１１０．８３０．５８－１．８７８－３．６０３０．５２６５０．８５９８．６０．５８６１０．８００．６３－１．８５９－３．５９５０．５２３４９．９６０２．４０．５８１

车辆的明显增长，该桥所表现出的病害已十分明显。如：桥面沥青及水泥混凝土铺装层普遍出现沿企口缝方向的纵向开裂、碎裂、蹋陷与坑槽；桥面伸缩缝基本完全开裂与沉陷；部分盖梁悬臂端根部上缘、跨中下缘出现弯拉裂缝；橡胶支座绝大部分产生剪切变形（无恢复）、开裂老化，个别支座脱空等。

根据交通部《公路桥涵养护规范》（ＪＴＧＨ１１－２００４），评定该桥技术状况等级为五类，处于危险状态。

１０．５３１０．８００．９８－２．９３３－３．５９４０．８２３４９．９５８８．００．５９５１０．５２１０．６００．９９－１．３５９－３．５２８０．３９３４３．４５８２．１０．５９０９．６６５．８８５．８２４．９３４．３２３．３１２．４７１．８０

１０．１９０．９５－１．２１１－３．３９３０．３６３３０．３５５２．９０．５９７

１．３８－４．４６７－３．２６８１．３７３１８．１５４６．９０．５８２０．６３－１．９７０－３．０９６０．６４３０１．４５４６．９０．５５１０．６６－１．２０７－２．９４３０．４１２８６．５５５２．９０．５１８０．６１－０．９９６－２．７０７０．３７２６３．５５８２．１０．４５３０．５９－１．９４１－２．４４９０．７９２３８．４５８８．００．４０５０．５２－０．８３２－２．１２８０．３９２０７．２６０２．４０．３４４０．４４

－１．８７６

１８２．６５９８．６０．３０５

０．３５－０．５０７－１．７０１０．３０１６５．６５８１．１０．２５８９．３１８．８５８．１４７．３７６．４１５．６５５．１２

１３．６０９．８２

２静载荷载试验

通过测试桥梁结构在静载试验荷载作用下的变形和应力，确定桥梁结构实际工作状态与原设计期望值符合程度，为桥梁承载力评定和加固处置提供依据。

（２）２０ｍ跨径双柱式盖梁：按汽车试验荷载纵横向

２列２行４辆沿盖梁前后跨中布置（用于盖梁跨中加载）

作者简介：荆树国（１９６０－），男，河南新乡人，高级工程师，从事公路勘察设计与施工。

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和１列２辆沿盖梁前后悬臂端布置（用于盖梁悬臂端加载）。试验荷载分两次依次加载。测试与观测跨中和悬臂端的竖向位移、跨中截面下缘和悬臂端根部上缘应变及结构病害的发展变化情况。

（４）试验荷载作用下横向分布系数的比较。在试验荷载作用下，测得各空心板跨中挠度的测试值。其实测的横向分布系数与结构完好状况下计算的横向分布系数对比见图１、图２。

２．２测试结果与分析

（１）２０ｍ跨径跨中截面挠度、底面应力及弯矩测试计算结果与分析见表１。

（２）３０ｍ跨径跨中截面挠度、底面应力及弯矩测试计算结果与分析见表２。

表２

板号

跨中挠度／ｍｍ

跨中应力／ＭＰａ

跨中弯矩／ｋＮ・ｍ

①５．８３６．５３７．１７９．５４

②③①②③①②③

１２３４５６７８９１０１１１２１３１４

１１．１７０．５２－０．４５０－２．６８６０．１７５５２．７９３１．３０．５９４１１．６４０．５８－０．７６０－２．８０００．２７５７６．２９４４．２０．６１０１２．２００．５９－１．１０８－２．９３４０．３８６０３．７９４４．３０．６３９１２．５３０．７６－０．９３５－３．０１４０．３１６２０．２９３９．７０．６６０

－３．０７１

６３２．０９２０．００．６８７

图１２０ｍ跨径横向分布系数计算与实测对比

１２．６０１２．７７０．９９

１３．３４１２．８３１．０４－１．２２９－３．０８７０．４０６３５．３８６５．８０．７３４１２．６１１２．６３１．００－０．７５９－３．０３９０．２５６２５．４８５５．２０．７３１７．８４８．２２６．３３．９９３．５０２．９２

１２．４１０．６３－０．６３８２．９８８

－２．９００－２．７２６－２．５４３

１１．３１０．７３１０．５５０．６０９．６６８．８７８．３７

０．２１６１４．９８５５．６０．７１９

５９６．８８６６．３０．６８９５６１．１９２０．００．６１０５２３．４９４１．５０．５５６

１１．４９１２．０４０．９５

图２３０ｍ跨径横向分布系数计算与实测对比

０．４１－０．９７４－２．３２８０．４２４７９．１９４５．１０．５０７０．３９－０．４６７－２．１３９０．２２４４０．２９４５．１０．４６６０．３５－０．５３６－２．０１７０．２７４１５．１９３０．７０．４４６

（５）试验荷载作用下结构病害发展变化观测。在试验载重汽车作用下，经对结构病害发展变化观测，发现直接承受车轮荷载作用的空心板下挠显著，而与其相邻的空心板变形则不太明显；２０ｍ盖梁裂缝稍有发展，但不太明显。没有发现桥梁其他结构明显病害产生与发展。

（６）静载试验结论

注：表１、表２中，①、②、③分别为测试值、计算值、校验系数，挠度向下为正，应力受拉为负，③＝①／②；④、⑤、⑥分别为试验荷试验）载内力、标准荷载内力、试验荷载效率系数，⑥＝④／⑤。测试（值为试验荷载作用下，各空心板跨中的实测值，计算（标准）值是指按汽－超２０级和挂－１２０级荷载作用下的理论计算值。

（３）在试验（标准）荷载作用下，２０ｍ跨径盖梁结构跨中、悬臂端截面挠度、应力及弯矩测试计算结果分析。盖梁测试截面挠度、应力及弯矩测试计算结果与分析见表３。

表３

①２０ｍ、３０ｍ空心板

Ａ、跨中截面应力测试表明，２０ｍ、３０ｍ跨空心板跨中截面底面应力测试的校验系数分别介于０．３０｀１．３７、

０．１７￣０．４２之间。２０ｍ空心板除７号板测试值大于计算值外，其他板块测试值小于计算值，说明板块受力极不均衡；３０ｍ空心板应力测试值均小于计算值，产生此情况的主要原因是空心板实际弹性摸量大于《规范》的建议值，这是由测试系统误差造成的，其值不足以用来评判结构状况。

Ｂ、跨中截面挠度测试表明，２０ｍ、３０ｍ跨空心板跨中截面底面应力测试的校验系数分别介于０．３５￣１．３８、

０．３５￣１．０４之间，４、５、６、７（２０ｍ跨）号板和５、６、

７、８（３０ｍ跨）号板挠度测试值接近或大于计算值，

注：悬臂端根部、跨中截面弯矩测试加载工况分别为悬臂端加载和跨中加载。其他同上。

且各空心板挠度测试的校验系数偏差较大，说明荷载不能有效在空心板间传递。

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本栏目由中交一公局技术论坛

桥隧工程有限公司协办Ｃ、各空心板变形关系（横向分布状况）图１、图２表明，在试验荷载作用下，空心板的实测荷载横向分布向受车轮直接作用的板块集中，与结构完好状况下计算的横向分布系数相比，偏超极为显著。

通过以上测试数据分析，结合试验过程中对结构的观测，可以得到：测试跨空心板间结构横向联结能力严重降低或丧失，直接承受车轮荷载的板块承担了大于设计荷载，空心板单板受力特征明显，结构处于不安全状态。桥面出现的病害与对试验荷载结果的分析相吻合。

阻尼比及振型。各跨一阶竖向自振频率、阻尼比及振型见表５。

表５

２０ｍ、３０ｍ跨径测试的频率与计算值（一阶）／Ｈｚ

表５中自振频率与相应的理论计算值之比较接近或超过１，表明该桥的动力特性较差。

②２０ｍ跨盖梁

Ａ、截面应力测试：盖梁悬臂端根部应力测试的校验系数为４．８８，跨中截面应力测试的校验系数为０．１７。产生此情况的主要原因是，设置于该处的应变传感器刚好越过此处混凝土裂缝，导致在试验荷载作用下，应变（应力）

测试值过大；同样，在盖梁跨中由于裂缝的存

在，当应变传感器没有跨过裂缝时，其应变（应力）测试值较小。

４２０ｍ跨径盖梁结构验算

在最不利荷载组合下，２０ｍ跨径盖梁内力及承载力校核计算列表见表６。

表６

截面

盖梁内力及承载力校核表

截面尺寸

所需钢筋量／ｃｍ２

原设计钢筋量／ｃｍ２

设计弯矩・／ｋＮｍ

／ｍ×ｍ１．６×１．３０

悬臂端根部－４３１１１４８

１６６．３２２８）（２７ф１２９．３６（２１ф２８）

Ｂ、截面挠度测试：盖梁悬臂端挠度测试的校验系数为１．２６，跨中挠度测试的校验系数为１．７９。表明结构抗弯刚度降低。

通过以上测试数据分析，结合试验过程中对盖梁病害的观测，可以得到：２０ｍ跨径双柱式盖梁由于竖向弯拉裂缝的存在，导致了其抗弯刚度的降低，结构存在损伤，处于不安全状态。

跨中

２３９０１．６０×１．３０８０

从上表可以看出，在桥梁结构完好情况下，原盖梁截面抗弯设计强度满足设计荷载的要求。盖梁目前存在的弯拉裂缝产生原因是空心板企口缝损坏后，在行车荷载作用下单块空心板承担了更大的荷载，导致盖深截面承担了本不应该承担的超出本设计以外的内力。

３动载荷载试验

动载试验主要是检测桥梁动力特性（频率、振型和阻尼比等），以及不同车速下的主梁动挠度时程响应曲线，从而测定冲击系数。

５荷载试验结论

（１）桥面沥青及钢筋混凝土铺装层普遍出现沿企口缝方向的纵向开裂、碎裂、蹋陷与坑槽。局部空心板企口缝上方桥面完全空透，这一病害已经危及行车安全和桥梁结构安全。

（２）上部空心板静载试验结果表明：２０ｍ与３０ｍ跨径的测试跨上部空心板横向联结能力严重降低或丧失。在试验荷载作用下，横向分布系数向车轮直接作用的板块集中，空心板单板受力特征明显，空心板结构处于不安全状态。

（３）上部空心板间企口缝混凝土普遍纵向开裂，甚至碎裂、塌陷、脱落和脱空。空心板间横向联结能力严重降低或丧失。这些病害是桥梁最主要的结构病害，也

３．１行车试验

行车试验采用单车（总重约３００ｋＮ）

加载，以２０、

３０和４０ｋｍ／ｈ的不同速度，沿靠近偏载侧车道匀速驶过桥跨结构，测定桥跨结构在车辆荷载作用下的动力反应（见表４）。

表４２０ｍ、３０ｍ跨径冲击系数计算结果／ｋｍ・ｈ－１

表４中实测的冲击系数值较大，这与桥面破损严重，桥跨承载力不足及大桥整体刚度较小相一致。

是导致其他病害产生的直接原因。部分空心板底面出现宽度较小的纵向裂缝，影响空心板结构的耐久性。

（４）桥面伸缝缝基本全部沉陷和开裂，影响行车安全与其功能的正常发挥。

（５）橡胶支座绝大部分老化、开裂、变形过大，钢

３．２跳车试验

跳车试验可以反应结构的整体工作状态，当加载车辆以某一速度驶过时，可得桥梁结构的竖向自振频率、

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板锈蚀和失去滑动能力，还存在有为数不少的支座脱空现象，支座的功能难以正常发挥。

（６）２０ｍ跨径双柱式桥墩盖梁悬臂根部和跨中出现以竖向弯拉裂缝为主的结构病害，这些裂缝影响盖梁混凝土的耐久性，使其处于不安全状态。

（７）人行道挑梁混凝土局部崩落和露筋。

３０ｍ空心板跨中、２０ｍ跨径盖梁跨中和悬臂端根部）的应变分布随截面高度基本呈线性变化，符合平面假定；并且边梁上防撞护栏参与了工作，实测结果表明结构在弹性状况下工作。

（２）跨中挠度测试结果分析：各空心板跨中截面底面挠度测试的校验系数均小于０．３，且各空心板挠度测试的校验系数较为均匀。卸载后，偏载侧残余变形很小，说明加固后该桥整体刚度得到加强，横向整体性较好。

（３）跨中截面横向分布试验结果分析：在３列重车偏载荷载作用下，实测横向分布系数与理论计算横向分布系数非常接近，其差值在５％以内，说明加固后荷载在横向空心板间的传递得以改善。

（４）盖梁挠度测试结果分析：盖梁悬臂端、跨中挠度测试的校验系数分别为０．７４３、０．８４６，各提高了

６加固设计方案

（１）拆除原有桥面沥清及钢筋混凝土铺装层，拆除空心板企口缝及板间原有混凝土联结。

（２）更换损坏、老化、开裂、变形、脱空的橡胶支座。为保证空心板与支座水平接触良好，在空心板端部底面设置楔形钢板。

（３）

采用高强、早强、自密实水泥基无机灌浆料

（３天强度大于４５ＭＰａ）灌注空心板间缝至空心板间企口缝下缘，灌浆料选用ＢＳ－５０系列。

（４）

对空心板底面及盖梁上宽度大于０．１５ｍｍ的混

凝土裂缝采用环氧树脂灌缝，对于小于０．１５ｍｍ的裂缝用环氧树脂水泥浆进行表面封闭处理；在２０ｍ跨径盖梁悬臂端根部（上部）钢板进行结构补强。

（５）采用Φ１２间距为１０ｃｍ的双层钢筋网片、钢纤维（球痕型）Ｃ４０钢筋混凝土桥面铺装层。在企口缝内沿纵向增设Φ１２通长钢筋，并要用Φ８钢筋与铺装层钢筋相联结。空心板间企口缝与铺装层混凝土同时浇注，要求铺装层与空心板联结面清洁，钢纤维钢筋混凝土铺装层最薄处不得小于１０ｃｍ，。

（６）改造原ＳＧ系列橡胶伸缩缝构造为Ｄ８０毛勒伸缩缝，并增设一道，其组合为７×２０ｍ＋７×２０ｍ＋（３０ｍ＋）＋７×２７．５ｍ＋３５ｍ＋２７．５ｍ＋３０ｍ２０ｍ。

（７）铺筑５ｃｍ厚ＡＣ－１３Ｉ型沥青混凝土面层。（８）取消原人行道、栏杆改造为防撞护栏，重新设置防抛网、标线等其他桥梁附属及交通工程设施。

及盖梁跨中（下部）

粘贴６ｍｍ厚

４１％、５２．７％。７．２

动载试验

加固后结构在试验荷载作用下，结构自振频率明显提高，如２０ｍ跨测试的一阶频率由加固前的５．２７Ｈｚ提高到５．５２Ｈｚ，接近计算频率；跨中挠度也较原结构明显减少，如２０ｍ跨径跨中下挠度由－１３．６０ｍｍ减少到－

１．６２ｍｍ，减幅达８８％。这表明，加固方案的实施达到了提高刚度，减少变形的预期目的。

８结语

由于我国以前对桥梁建设全寿命周期的成本考虑不够，加上桥梁实施过程中出现的各种不确定因素，造成许多桥梁结构安全系数偏低，影响桥梁的使用功能和使用寿命。随着我国大量的桥梁进入维修加固期，桥梁加固技术日显重要；而新材料、新工艺、新技术的不断出现，新的、更好的加固方案也会随桥型的改变应运而生，这些都必将会整体提升桥梁加固技术的发展，提高桥梁服务水平。

参考文献：

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王岐峰，等．桥梁自振特性与承载能力分析［Ｊ］．公路交通科技，２００５，２２（１１）．

公路旧桥加固技术与实例［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３．

７加固效果

２００６年１２月对加固后的八里营大桥进行静、动载试验，以相当接近加固前的检测车列对桥跨结构加载，实测控制截面的挠度、结构应力，以及桥梁在车辆动力加载下的动力特性，从而判定加固方案是否可行和是否达到加固设计要求。

７．１静载试验

（１）截面应力—应变试验结果分析：截面上（２０ｍ、

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