公路舊拱橋的檢測驗算淺析

白明亮 甘肅省交通廳工程處

公路舊拱橋的檢測驗算淺析

白明亮 甘肅省交通廳工程處

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會和交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，已建的公路橋梁所承擔(dān)的交通量越來越繁重，隨著時間的推移這些橋梁都會因各種原因不同程度地存在缺陷、病害需要檢測、維修、加固和改造。我國在上世紀(jì)八、九十年代所修建的橋梁基本上都進(jìn)入了檢測、加固的時期。在這些舊橋中有為數(shù)不少的拱橋。本文將以一公路舊拱橋的實例來對其檢測驗算進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為類似工程提供參考。

公路舊拱橋;檢測;驗算;工程實例

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會和交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，過去修建于各級公路上的橋梁，目前擔(dān)負(fù)著十分沉重的交通荷載和繁重的交通量。同時，隨著時間的推移，任何公路橋梁都將成為舊橋，都會因各種原因不同程度地存在缺陷、病害需要檢測、維修、加固和改造。所以，舊橋的檢測、評定與加固是橋梁建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)之一。在對舊橋進(jìn)行檢算、維修與加固時，檢測與驗算工作在其中起著至關(guān)重要的指導(dǎo)性作用，故顯得尤為重要。我國在上世紀(jì)八、九十年代所修建的橋梁基本上都進(jìn)入了檢測、加固的時期。在這些舊橋中有為數(shù)不少的拱橋。本文將以一公路舊拱橋的實例來對其檢測驗算進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

一 工程概況

該橋為一跨8.2m的拱橋，砼拱圈寬7m、高60cm，橋跨矢高4m，矢跨比0.488。拱圈兩側(cè)面均有一層紅磚裝飾層，拱上填料為粗骨粒碎石。拱橋上設(shè)現(xiàn)澆混凝土鋪裝層，鋪裝層厚15cm，橋面兩側(cè)為鋼筋網(wǎng)護(hù)欄，護(hù)欄高130cm。由于該橋建成年代久遠(yuǎn)，其相關(guān)的圖紙資料已遺失，本次檢測依據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢測的量測結(jié)果繪制出橋梁的布置圖如圖1所示。

二 結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點，確定檢測內(nèi)容為：橋面鋪裝、橋頭平順、伸縮縫、排水系統(tǒng)、人行道、護(hù)欄、拱圈及接縫等。

本次檢測發(fā)現(xiàn)該橋橋面鋪裝采用約38cm厚混凝土現(xiàn)澆，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)鋪裝層全部混凝土嚴(yán)重碎裂，形成坑槽，該橋未設(shè)置橋面排水系統(tǒng)。護(hù)欄等其余部件未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)病害。通過在拱圈底面開鑿小孔，未發(fā)現(xiàn)有鋼筋；采用鋼筋定位儀測試亦未發(fā)現(xiàn)拱圈內(nèi)有鋼筋。拱背側(cè)墻條石表面風(fēng)化嚴(yán)重，拱圈底面沿縱向出現(xiàn)裂縫，最寬處約0.15mm。

根據(jù)檢測的技術(shù)要求，對主要承力構(gòu)件以及外觀質(zhì)量不良或有其它嚴(yán)重病害的構(gòu)件采用超聲回彈綜合法檢測了砼強(qiáng)度。每個部件測試十個測區(qū)，測區(qū)基本上均勻分布于被測構(gòu)件。該橋主要受力構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果如表1、表2所示。

該橋的混凝土構(gòu)件基本完好，未見有明顯結(jié)構(gòu)開裂及破損，混凝土構(gòu)件強(qiáng)度檢測推定值如表1、表2所示，為安全起見確定混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度為30MPa。

三 承載能力計算

圖1 橋梁布置圖(單位：cm)

表1 拱圈底面第1處超聲回彈法砼強(qiáng)度推算值

表2 拱圈底面第2處超聲回彈法砼強(qiáng)度推算值

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，本次檢算選擇該橋拱圈主要承力構(gòu)件——拱圈整體板為分析對象，進(jìn)行計算分析。主要計算參數(shù)列舉如下：

1)材料參數(shù)：

因該橋的設(shè)計和竣工圖紙等資料遺失，無法查證拱圈的設(shè)計強(qiáng)度和材料性能指標(biāo)。現(xiàn)場采用超聲回彈法測得拱圈底面的混凝土強(qiáng)度推定值最小為30.9MPa，結(jié)構(gòu)驗算時取拱圈砼的標(biāo)號為C30混凝土，既反映實際結(jié)構(gòu)真實性，又不失安全可靠。建模時將拱上填料、橋面鋪裝和護(hù)欄等附屬物統(tǒng)一容重為25 的二期荷載來考慮，拱上填料、橋面鋪裝和護(hù)欄等不參與結(jié)構(gòu)受力。

2)截面參數(shù)：

本次檢算按現(xiàn)場量測結(jié)果截面幾何尺寸進(jìn)行計算分析，根據(jù)現(xiàn)場量測結(jié)果，該橋跨矢高為4m，矢跨比0.488，拱圈厚度為60cm，拱頂處填料和橋面鋪裝總厚為86cm。由于設(shè)計和竣工資料遺失，無法查證制梁時鋼筋布置情況，根據(jù)現(xiàn)場檢測情況，拱圈截面內(nèi)沒有鋼筋，故本次按C30素混凝土進(jìn)行檢算。

3)荷載參數(shù)

該橋拱圈承受的永久荷載主要包括拱圈自身重力、拱上填料、橋面鋪裝和護(hù)欄的重量。由于該橋位于省道，交通量較為繁重。由于設(shè)計和竣工資料遺失，基本可變荷載按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)中汽－20、掛－100，考慮單車道汽車荷載驗算荷載，以及滿人荷載等。

通過計算得出主拱圈最大受力截面的內(nèi)力計算結(jié)果如表3所示。

四 主拱圈承載能力評定

1、計算依據(jù)

構(gòu)件采用分項安全系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計，其設(shè)計原則是“荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計值小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計值”。用方程表示為：

S——作用效應(yīng)組合設(shè)計值；

R(·)——構(gòu)件承載力設(shè)計值；

fd——材料強(qiáng)度設(shè)計值；

ad——幾何參數(shù)設(shè)計值；

式中各參數(shù)詳見《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D66-2005)。

拱圈為偏心受壓構(gòu)件，其正截面強(qiáng)度按下式計算：

式中：Nd——軸向力設(shè)計值；

A——構(gòu)件的截面面積；

fcd——砌體或混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；

ψ——縱向力的偏心影響系數(shù)

拱圈正截面直接受剪時，按下式計算強(qiáng)度：

表3 荷載組合下各截面最不利內(nèi)力計算值

表中：彎矩下緣受拉為正；軸力壓為負(fù)；剪力逆時針方向為正

表4 主拱圈正截面強(qiáng)度驗算表

五 結(jié)論與建議

主拱圈穩(wěn)定性驗算：由于本次驗算的橋梁為成橋狀態(tài)，拱上建筑和主拱圈共同作用，不會產(chǎn)生縱向失穩(wěn)，因而不作拱的穩(wěn)定性驗算。

2、主拱圈結(jié)構(gòu)承載能力驗算

(1)截面抗剪強(qiáng)度驗算

拱圈按最不利狀態(tài)計算，取表3中剪力最大值進(jìn)行截面抗剪驗算，主拱圈在汽－20荷載組合作用下截面最大剪力為416.66kN：Qj＝416.66kN＜Rd＝475.12kN(0.5×5.0×2.09＋939.78×0.7/1.4≈475.12)，主拱圈在掛－100彎矩最大時對應(yīng)拱腳截面最大剪力為465.70kN：Qj＝465.70kN＜Rd＝475.12kN(0.5×5.0×2.09＋939.78×0.7/1.4≈475.12)，從表3可知在滿人荷載組合下不是本橋的控制剪力，由計算可知拱腳截面的抗剪強(qiáng)度能夠滿足汽－20荷載組合作用下剪力最不利計算值，同時滿足在掛－100彎矩最大時對應(yīng)拱腳截面剪力最不利計算值。

(2)正截面強(qiáng)度驗算

本次對拱腳、跨中截面在汽－20、掛－100和滿人荷載作用下按最不利狀態(tài)下內(nèi)力情況進(jìn)行正截面強(qiáng)度驗算。計算結(jié)果如表4所示。

1、承載能力極限驗算結(jié)果表明：

在汽－20及 滿人荷載作用下，該橋主拱圈截面受壓及受剪滿足極限承載能力狀態(tài)的要求；在掛－100和掛－80荷載作用下，該橋主拱圈截面受剪不滿足極限承載能力狀態(tài)的要求，受壓滿足極限承載能力狀態(tài)的要求。

從表4驗算結(jié)果表明：該橋在滿足汽－20、掛－100和滿人荷載等級下主拱圈正截面強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2、技術(shù)建議：

鑒于該橋過往人員和車輛較頻繁，應(yīng)加強(qiáng)日常保養(yǎng)和維護(hù)。針對目前發(fā)現(xiàn)的橋梁病害和結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果，建議采取以下措施：

(1) 根據(jù)計算結(jié)果，主拱圈在掛－100彎矩最大時對應(yīng)拱腳截面最大剪力接近于規(guī)范容許值，應(yīng)禁止任何車輛在橋上作長時間停留，以延長橋梁的使用壽命。

(2) 翻修破損嚴(yán)重的橋面鋪裝，避免雨水向下滲漏，侵蝕主拱圈，影響橋梁使用壽命。

(3) 對該橋進(jìn)行加固處治，建議增設(shè)拱圈鋼筋，以提高主拱圈截面抗剪承載能力，同時封閉拱圈裂縫。

3、為類似的橋梁工程提供參考。

[1] 公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范JTJ022－85

[2] 公路舊橋承載能力鑒定方法.試行，1988年 北京

[3] 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.JTJ021－89[4] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范.JTJ023—85

[5] 王新清. 舊橋改造技術(shù). 交通世界(建養(yǎng).機(jī)械).2008 年.第05期

[6] 王京云. 危舊拱橋的病害及加固方法探討. 科技咨詢導(dǎo)報.2007年.第20期；

[7] 彭夢澤. 圬工拱橋計算方法研究. 武漢理工大學(xué).2008年

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.13.022