圬工雙曲拱舊橋承載力計算分析

蘭國冠

(龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012)

0 引 言

雙曲拱橋是20 世紀(jì)六七十年代發(fā)展起來的一種橋梁形式，其施工較簡單，造價較低，其中，圬工橋以圬工材料作為主要建造材料，其制材方便且價格較低，較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)約水泥和鋼材，且節(jié)省木材(一般不用模板).但早期修建的圬工雙曲拱橋大都存在荷載等級比較低且整體性較差，施工質(zhì)量變異較大［1－2］，部分橋梁因營運年代較久，隨著交通流量的不斷增加，都出現(xiàn)了不同程度的病害［3－4］.因此，對這類橋梁進(jìn)行承載力計算分析，對于制定維修及設(shè)計加固措施、保障橋梁結(jié)構(gòu)安全有著重要意義.本研究以某圬工雙曲拱橋為研究對象，針對該橋修建年代較久、橋面外觀狀況較差的狀況，直接對其進(jìn)行試驗加載存在較大風(fēng)險，故在加載前先對其進(jìn)行靜力計算分析顯得尤為重要，此類計算分析對橋梁狀態(tài)的評估和加固也有現(xiàn)實的意義.

1 工程概況

作為研究對象的圬工雙曲拱橋(見圖1)建于1972年，為3 波4 肋雙曲圬工拱橋，全長77.5 m，拱肋尺寸為寬15.6 cm，高55 cm，拱肋間距為1.45 m，共6 孔，其中5 跨凈跨為13.5 m，第六跨為5 m，橋面凈寬為5 m 及人行道橋欄桿;設(shè)計荷載按汽-15、汽-13 計算(其中，汽-13 指的是標(biāo)準(zhǔn)車質(zhì)量為13 t，汽-15 指的是標(biāo)準(zhǔn)車質(zhì)量為15 t)，橋面有鋪設(shè)18 cm 厚的混凝土鋪裝層，拱上建筑有橫墻、側(cè)墻、側(cè)墻帽、護(hù)拱、砂礫石填料、鋼筋混凝土橋面、人行道板及欄桿等.由于該橋設(shè)計荷載等級較低，現(xiàn)已實際營運40 多年，且近年過往車輛的數(shù)量和載重量都越來越大，為確保該橋能繼續(xù)安全使用，需要對該橋進(jìn)行全面的檢查、試驗和評估.盡管橋梁試驗可以在橋梁重要受力部位測試應(yīng)力和變形，但該橋原始設(shè)計資料缺失，直接對其進(jìn)行試驗加載存在較大風(fēng)險.因此，在加載前首先通過有限元方法建立橋梁整體分析模型，對其進(jìn)行靜力計算分析，得到橋梁重點部位的應(yīng)力和變形狀態(tài)，可為橋梁承載力的預(yù)估與評價提供重要參考數(shù)據(jù).

圖1 圬工雙曲拱橋圖

2 理論計算

2.1 計算模型

橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下，表現(xiàn)為空間受力.為了準(zhǔn)確分析該圬工拱橋在后期恒載和設(shè)計荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，本研究對其采用了MIDAS 有限元軟件進(jìn)行分析.

取汽-13、汽-15 2 種荷載對橋梁進(jìn)行移動荷載加載，得荷載基本組合下該拱橋的上表面或下表面內(nèi)力圖，并以此與現(xiàn)場回彈混凝土及砂漿強(qiáng)度相比較.

本研究在建立雙曲拱橋有限元分析模型時考慮了拱上建筑的共同作用，將主拱圈與腹拱等結(jié)構(gòu)建立統(tǒng)一的有限元模型［4］.腹拱立墻具有較大的剛度，模型中立墻簡化為和主拱圈剛性連接的板單元;橋面加鋪的18 cm 厚的混凝土鋪裝層，作為橋面板的一部分以實體單元輸入.多孔雙曲拱橋在荷載作用下，各拱墩結(jié)點易產(chǎn)生水平位移及轉(zhuǎn)角，橋墩結(jié)點的水平位移及轉(zhuǎn)角會引起拱圈內(nèi)力的改變.同時，模型中還包括中間橋墩結(jié)構(gòu).

根據(jù)現(xiàn)場測量尺寸建立有限元空間模型，理論分析計算采用大型結(jié)構(gòu)分析商用程序MIDAS 完成.采用梁單元、實體單元及平面板單元建立橋梁上部承重結(jié)構(gòu)，單元分割時，拱助采用梁單元，橋面采用板單元，橫向分為4 段，縱向分成25 段，橋面與拱助間用實體單元填充，自動劃分實體網(wǎng)格，有限元分析模型如圖2、圖3 所示.

圖2 拱肋與拱波有限元分析模型示意圖

圖3 圬工雙曲拱橋有限元分析模型示意圖

2.2 靜載分析

2.2.1 靜力試驗荷載確定方法.

按照橫向最不利位置確定車道與試驗車輛的橫向位置，并以跨中拱肋彎矩值為荷載控制值，調(diào)整試驗車輛的縱向布置，使結(jié)構(gòu)試驗荷載效率滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的要求，并按照上述分析方法求解結(jié)構(gòu)的等效荷載反應(yīng)及試驗荷載效率系數(shù)［5－9］.

2.2.2 靜載分析結(jié)果.

對不同加載等級下的工況進(jìn)行理論計算分析，加載位置如圖4 所示，拱肋拱波結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力如圖5 ～圖8 所示.

圖4 車道加荷載圖示(汽-13 荷載、汽-15 荷載)

圖5 汽-13 荷載標(biāo)準(zhǔn)下的位移圖

圖6 汽-13 荷載標(biāo)準(zhǔn)下的應(yīng)力圖

圖7 汽-15 荷載標(biāo)準(zhǔn)下的位移圖

圖8 汽-15 荷載標(biāo)準(zhǔn)下的應(yīng)力圖

取汽-13 荷載，計算得荷載基本組合下主拱圈各截面的上表面或下表面內(nèi)力見表1.由計算可知，在汽-13 荷載基本組合作用下，拱腳混凝土最大應(yīng)力為4.71 N/mm2，與現(xiàn)場回彈混凝土及砂漿實測強(qiáng)度相比，承載能力不能滿足要求.

取汽-15 荷載，計算得荷載基本組合下主拱圈各截面的上表面或下表面內(nèi)力見表1.由計算可知，在汽-15 荷載基本組合作用下，拱腳混凝土最大應(yīng)力為4.72 N/mm2，與現(xiàn)場回彈混凝土及砂漿實測強(qiáng)度相比，承載能力不能滿足要求.

表1 汽-13、汽-15 作用下拱肋各截面處應(yīng)力值(單位:MPa)

3 結(jié) 論

通過對某圬工雙曲拱橋在設(shè)計等效荷載作用下橋跨典型控制截面的應(yīng)力和變形進(jìn)行理論分析得出以下結(jié)論:

1)對圬工雙曲拱橋建立空間有限元模型分析得出了其加載后的內(nèi)力變化，并與現(xiàn)場回彈混凝土及砂漿實測強(qiáng)度進(jìn)行比對，此類計算分析為其實際承載力的評定及選擇維修加固方案提供了可靠的依據(jù).

2)計算結(jié)果表明，該橋目前的承載能力已不能滿足設(shè)計規(guī)范及實際營運要求，在設(shè)計荷載下已處于非安全狀態(tài).

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