大跨度石拱橋承載能力檢測評定

趙銘偉

(山西省交通科學研究院　太原　030006)

大跨度石拱橋承載能力檢測評定

趙銘偉

(山西省交通科學研究院太原030006)

摘要基于我國大量石拱橋修建歷史久遠且交通運營需求不斷提高的現狀，亟須對這些老石拱橋的承載能力和健康狀況進行準確的評價。以某石拱橋為例，利用Midas軟件建立有限元分析模型，對其結構承載能力進行驗算，并按照現行規范進行荷載試驗，以及相應的分析，為橋梁養護部門做出合理的決策提供依據。

關鍵詞石拱橋承載能力結構驗算荷載試驗

某橋建于1971年，為2×50 m+1×10 m的石拱橋，橋面凈寬6.4 m，全長137.5 m；橋面橫向布置為0.5 m(欄桿)+6.4 m(車行道)+0.5 m

(欄桿)；橋梁設計荷載為汽車-15級，橋梁修建年代較早，設計、竣工資料缺少。圖1為該橋立面圖。

圖1　立面圖(單位：cm)

1結構驗算

1.1　主要計算參數

由于橋梁修建年代較早，無設計、竣工資料，故通過鉆取石料心樣，推定石料標號為40號粗料石。按照《公路圬工橋涵設計規范》[1]規定，7.5號砂漿砌40號粗料石砌體抗壓極限強度為7.5 MPa；又根據《公路橋涵設計通用規范》[2]，本橋不計沖擊力，截面材料參數取值見表1。

表1　主要材料參數取值表

1.2軟件計算分析

采用有限元結構分析程序Midas軟件對結構進行分析，本檢算模型采用實測拱軸線的擬合曲線，通過對實測拱軸線坐標進行擬合，得出以下結論：主拱圈凈跨徑為50 m，凈矢高為10 m，拱軸線與模數(m=2.514)的懸鏈線基本一致。拱軸線的測試結果表明橋跨結構的幾何線形良好，無明顯變位。

將上述橋梁結構進行離散，全橋單元劃分結果為：單跨主拱圈劃分116個單元，2跨共計232個單元；第3跨劃分10個單元；腹拱各劃分8個單元；全橋結構共計401個單元，圖2為全橋結構離散圖。

圖2　結構計算模型示意圖

1.3　技術狀況評定

根據外觀檢查結果，該橋主要病害為：主拱圈拱肋條石表面風化，第1，2跨的主拱圈拱腹拱腳處均有少量縱向裂縫。腹拱砌縫存在砂漿脫落、風化、滲水、鈣化等病害。

根據《公路橋梁技術狀況評定標準》[3]對該石拱橋進行技術狀況評定，該橋技術狀況評分為72.7分，評定為3類，即有中等缺損，尚能維持正常使用功能，見表2。

表2　橋梁技術狀況評定表　分

1.4結構檢算

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》[4]及橋梁荷載試驗結果：截面應變校驗系數在0.18～0.76之間，截面撓度校驗系數在0.39～0.46之間?？紤]到上部結構石料滲水、風化狀況嚴重，綜合分析取檢算系數Z2為1.00。

根據檢查結果和評定規程，構件截面損傷評定標度R=3.0，構件截面折減系數ζc=0.93。

根據規范取相應的組合系數，對于結構自重的荷載安全系數，當其產生的效應與汽車或掛車產生的效應同號時，γ恒=1.2；異號時，γ恒=0.9。為驗證2跨主拱圈正截面受壓強度是否滿足汽車-15級、掛車-80的使用要求，以第一跨為例，考慮荷載在以下3種荷載組合下該橋梁極限承載能力及偏心距。

組合I。1.00×1.0×(γ恒×恒載+1.4×汽車)。

組合II。1.00×0.8×(γ恒×恒載+1.4×汽車+1.4×溫度)。

組合III。1.00×0.8×(γ恒×恒載+1.4×掛車)。

在各荷載組合下主拱圈控制界面極限承載能力及偏心距檢算結果見表3~表5。

表3　組合I下控制截面極限承載能力及偏心距檢算表

注：偏心限為0.25 m。

表4　組合II下控制截面極限承載能力及偏心距檢算表

注：偏心限為0.3 m。

表5　組合III下控制截面極限承載能力及偏心距檢算表

注：偏心限為0.3 m。

表3~表5表明，該橋目前狀況下3跨主拱圈正截面受壓強度滿足汽車-15級、掛車-80的使用要求。

2荷載試驗

2.1　實驗內容

本次靜載試驗選取質量較差的第一跨主拱圈進行，針對該橋梁的結構特點，選取第一跨主拱圈的拱腳截面、1/4截面及拱頂截面作為試驗測試截面。

2.2　試驗工況及加載效率

根據試驗內容和計算分析結果，本次靜載試驗各工況的荷載效率見表6。

表6　試驗截面各工況加載效率

采用35 t加載車在控制斷面的內力影響上等效加載，本次大橋試驗截面荷載效率滿足相關規范規定的要求。

2.3　各工況車輛加載位置

各工況的加載車輛布置圖見圖3。

a)　工況1、工況2車輛縱向布置圖

b)　工況3車輛縱向布置圖

c)　工況4車輛縱向布置圖

d)　工況1~工況4橫橋向車輛布置

2.4　靜載試驗結果

(1) 應變測試結果。在拱圈表面粘貼應變片，以靜態電阻應變儀自動掃描觀測主拱圈應變。在最大試驗荷載作用下，主拱圈各控制截面應變觀測結果見表7~表9(其中1/4正彎(B-B)工況觀測結果從略)，表中應變符號受拉為正，受壓為負。

表7　主拱圈拱頂最大正彎截面(A-A)加載工況應變觀測結果

由表7可見，在試驗荷載作用下，主拱圈拱頂最大正彎截面(A-A)加載工況下截面各應變測點校驗系數范圍為0.16～0.69；卸載后的相對殘余應變均小于20%。

表8　主拱圈1/4負彎截面(B-B)加載工況應變觀測結果

由表8可見，在試驗荷載作用下，主拱圈1/4負彎截面(B-B)加載工況下截面各應變測點校驗系數范圍為0.10～0.35；卸載后的相對殘余應變均小于20%。而正彎(B-B)加載工況下截面各應變測點校驗系數范圍為0.18～0.76；卸載后的相對殘余應變均小于20%。

表9　主拱圈拱腳最大負彎截面(C-C)工況應變觀測結果

由表9可見，在荷載作用下，主拱圈拱腳最大負彎截面(C-C)加載工況下截面各應變測點校驗系數范圍為0.17～0.59；卸載后的相對殘余應變均小于20%。

由表7~表9可見，在試驗荷載作用下，試驗截面各測點應變校驗系數范圍為0.16～0.76，卸載后的相對殘余應變未超過20%，各應變實測值均小于相應理論計算值，表明受檢橋跨的實際強度在現有狀態下滿足規范要求。

(2) 撓度測試結果。在最大試驗荷載作用下控制截面撓度觀測結果見表10和表11，撓度符號規定向下為正，向上為負，撓度單位為mm。

表10　工況1撓度測試結果及校驗系數表

表11　工況3撓度測試結果及校驗系數表

由表10和表11可見，在試驗荷載作用下，各控制截面撓度校驗系數范圍為0.39～0.46；卸載后的相對殘余變位均小于20%，各撓度實測值小于相應理論計算值，表明受檢橋跨主梁處于彈性工作狀態，實際剛度在現有狀態下滿足規范要求。

3結論

(1) 利用有限元軟件Midas Civil建立模型，進行結構檢算，結果表明該橋目前狀況下3跨主拱圈正截面受壓強度滿足汽車-15級、掛車-80使用要求。

(2) 在試驗荷載作用下，試驗截面各測點應變校驗系數范圍為0.16～0.76，卸載后的相對殘余應變未超過20%，各應變實測值小于相應理論計算值，表明受檢橋跨的實際強度在現有狀態下滿足規范要求。

(3) 在試驗荷載作用下，各控制截面撓度校驗系數范圍為0.39～0.46；卸載后的相對殘余變位均小于20%，各撓度實測值小于相應理論計算值，表明受檢橋跨主梁處于彈性工作狀態，實際剛度在現有狀態下滿足規范要求。

(4) 對老的石拱橋進行荷載試驗時，首先要進行結構驗算，在結構滿足承載能力要求下，才可以進行荷載試驗。通過有限元軟件Midas Civil計算出的應力和撓度與實測的應力和撓度比較接近，基本上滿足精度要求，為養護單位做出合理的養護和加固決策提供依據。

參考文獻

[1]JTG D61-2005公路圬工橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2]JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]JTG/T J21-2011公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]JTG/T H21-2011公路橋梁技術狀況評定標準[S].北京：人民交通出版社，2011.

收稿日期：2015-05-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.014