舊實腹式石拱橋承載能力評定

梁金華

云南浩海建設集團有限公司（650215）

舊實腹式石拱橋承載能力評定

梁金華

云南浩海建設集團有限公司（650215）

為評定洛河大橋的承載能力，對該橋進行了靜載試驗，并利用橋梁結構專用分析程序MIDAS CIVIL進行了有限元分析。根據理論分析和試驗所確定的材料力學參數，可用于對此類結構的分析評定工作。綜合分析表明，橋跨結構在設計荷載作用下處于彈性工作階段，其剛度和承載能力滿足設計要求。

石拱橋；靜載試驗；有限元

0 前言

石拱橋是一種古老的橋梁形式，迄今已有幾千年的建造歷史。目前建造新的石拱橋作為主要橋梁使用的情況已不多見，但在對現有道路系統進行承載力升級改造時經常需要對現存的大量石拱橋進行綜合性能評估，以判斷其使用壽命或進一步發揮其潛力。同時，許多石拱橋作為重要的歷史文物，也需要妥善保護或進行修復。所以，有必要對這種橋梁形式做進一步的探討和研究[1]。

在石拱橋存在和發展的歷史階段內，其設計與施工都是基于工匠的實踐經驗，真正運用科學的方法來設計分析石拱橋只有300年左右的時間[1]。

這里結合一座三孔實腹式石拱橋的靜載試驗，運用有限元方法對該橋進行了綜合分析，其結果可以為類似橋梁的評估作參考。

1 橋梁介紹

洛河大橋位于陜西省境內,建成時間較早,技術資料缺失。根據橋梁結構形式判斷，該橋于20世紀60年代建成。該橋全長110 m，橋跨組合采用3 m× 35 m的實腹式石拱橋，矢高6.9 m，橋面全寬7 m，人行道寬為1.5 m。根據同年代橋梁的設計荷載，推定該橋的設計荷載為汽—13，拖—60。

該橋自建成后已經運營了近50年,并作為重要的城市公路橋梁使用至今。隨著城市改造的進行，交通流量和車輛荷載等級不斷增大，為了確保該橋的安全性和適用性,為養護工作提供科學依據,技術人員對洛河大橋進行了一次比較全面的結構分析和靜載試驗。

2 靜載試驗

根據道路通行標準，靜載試驗采用280 kN載重汽車（車重+荷重）2輛。測試工況為跨中加載，負荷較小的車輛前軸朝向拱跨中。根據理論計算，荷載加于第一孔1/4跨度處會對結構的作用更為不利。加載車輛沿行車道橫向等距布置。

量測內容包括第一孔1/4跨度處撓度和拱腳處的縱向水平位移。為了確保測量的精度，沿橋的縱向共選擇了2個截面，使用固定于河床的位移計量測。量測方案是在加載前后，分別觀測第一孔1/4跨度處撓度和拱腳縱向水平位移讀數，以掌握拱和基礎的變形及其恢復情況。同時，在試驗中還密切注意觀察拱圈是否有異常的破壞現象發生。

試驗結果表明，在試驗荷載下拱腳縱向水平位移很小，在20 μm以內，可以忽略不計。第一孔1/4跨度處相對最大豎向變位實測最大值為1.12 mm，撓跨比為1/31 250，與規范[2]中關于拱橋1/1 000的撓度限值相比，完全滿足要求。試驗荷載卸除以后，拱圈的撓度基本得到了完全恢復，說明在汽-13荷載作用下，該橋大部處于彈性工作階段。

3 有限元模型分析

3.1 有限元模型

根據橋梁結構形式，采用橋梁結構分析專用程序MIDAS CIVIL 2010進行建模和分析。全橋共分為64個梁單元，結構離散模型如圖1所示。

圖1 結構離散圖

材料的線彈性模量對計算石拱橋變形及各部分的相互作用影響很大。由于石拱及填料為非均勻不連續材料，很難通過實測的方法直接得到其彈性模量。這里采用的方法是根據現場靜載試驗的結果來調整有限元模型的彈性模量參數，使活荷載下的跨中撓度實測值與計算值相一致。由此得到的石材彈性模量為57.6 GPa，此數值可以用于類似結構的分析。

表1 四分點截面中載測點相對最大豎向變位比較

3.2 計算結果

有限元計算的主要結果如表1所示。試驗荷載下,拱圈最大豎向位移發生在第一孔四分點截面處。

圖2 四分點截面中載相對最大豎向變位橫向分布

3.3 結果分析

根據表1和圖2可得到以下結論：

中載作用下，校驗系數最大值為0.15，最小值為0.14，平均值為0.15。撓度校驗系數在常值范圍內，結構整體剛度較大。

4 結論及建議

4.1 結論

在相當于汽—13、拖—60的試驗荷載作用下，測試截面撓度實測值遠小于理論計算值，說明橋梁整體剛度遠大于計算模型，橋梁拱上填料參與受力作用明顯，減小了主拱圈的內力與變形，也說明了該橋梁有一定的承載潛力。

綜合分析表明，橋跨結構在設計荷載作用下處于彈性工作階段,其剛度和承載能力滿足設計要求。

4.2 建議

由于該橋建設年代較久，材料力學性能可能會退化，根據試驗測試結果，該橋可以通行的荷載標準為汽車—15級，掛車—80。嚴禁超過55 t的重車通行，低于該噸位的重車通行時也應全橋單輛車通行，中慢速行駛。

[1]聶建國,樊健生.700年石拱橋的靜力加載試驗與結構分析[J].清華大學學報（自然科學版），2003.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ 022-85,公路磚石及混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社,1985.