中承式鋼筋混凝土拱橋承載能力評定

曹海榮 延安市公路管理局

中承式鋼筋混凝土拱橋承載能力評定

曹海榮 延安市公路管理局

拱橋結構以其優(yōu)美的空間造型及優(yōu)越的跨越能力，在我國的交通基礎建設中得到了廣泛應用。在長期重載作用下，結構出現不同數量的病害，損傷狀態(tài)下橋梁結構的承載性能評定是判斷橋梁能否繼續(xù)承載的重要手段，也是既有橋梁結構進行加固設計的前提。

拱橋 鋼筋混凝土 承載力

一、工程概況

（一）結構概況。該中承式鋼筋混凝土拱橋位于我國南方某省，橋梁全長218.9m。拱肋采用勁性骨架鋼筋混凝土結構，拱軸線為懸鏈線，計算跨徑為198m，計算矢高33m，矢跨比為1/6。吊桿采用54根φ7高強鋼絲組成。跨徑組合為：1×198m。橋面鋪裝為鋼筋混凝土，橋面凈寬：9m行車道+2×1m人行道。

下部構造：主拱基礎為整體式鋼筋混凝土拱座，橋臺為U形橋臺，兩橋臺直接放在兩拱座上。

設計荷載等級：汽車-20級，掛車-100。

（二）結構病害。由于大橋服役年限久遠，使得該橋在重載作用下產生較多的損傷，嚴重影響了該橋梁結構的繼續(xù)承載。橋梁問題主要體現在：1）主要承重構件：拱肋出現較多的伸縮裂縫；2）一般承重構件：橫梁底面、側面出現較多的豎向裂縫，裂縫寬度在0.14mm～0.23mm之間；一些橫梁出現側面與底面貫通的裂縫；3）橋臺：威坪側橋臺臺身有兩條斜向裂縫，總長0.90m，最寬0.3mm，根據竣工資料，是從施工縫發(fā)展而來；4）人行道欄桿：人行道欄桿柵出現斷開現象；5）風撐：風撐存在銹蝕現象。

為確保該橋梁結構能夠安全運營，需對該損傷狀態(tài)下的橋梁結構進行承載性能評估，通過對評估結果分析，進而用于指導該橋梁結構的維護措施和加固設計。

二、結構承載能力評定方法

基于該橋梁結構檢測的現有病害損傷分布狀況，該橋梁承載能力評定基本方法主要分以下三步進行：（1）選擇最不利或有代表性的橋跨結構或構件作為承載能力檢測評定的對象，并通過結構計算分析，初步確定橋梁結構或構件的承載能力；（2） 然后對初步確定的承載能力檢測評定對象，開展深入細致的橋梁調查和檢測工作；（3）根據橋梁結構或構件的實際檢測結果，對分項檢測指標做出評判，最后根據橋梁結構或構件的設計或竣工技術資料，通過結構檢算分析，評定橋梁結構或構件的承載能力及其使用條件。

三、結構計算模型建立

該橋梁結構主跨采用中承式勁性骨架鋼筋混凝土結構，按鋼筋混凝土結構用極限狀態(tài)法計算并考慮橋梁現狀對承載能力進行評價。

（一）結構模型。根據設計圖紙，采用MIDAS結構分析計算軟件建立該中承式鋼筋混凝土拱橋結構的分析模型，對原結構進行強度復核。橋梁檢算荷載為：汽車-20級、掛車-100

（二）材料特性。該橋梁材料主要為混凝土和鋼筋：1）拱肋混凝土(鋼管填心)為C50混凝土，拱肋外包為C40混凝土；2）主筋為HRB335級鋼筋，其余均為HPB235級鋼筋。

（三）荷載。按荷載性質分為恒載和活載，恒載包括結構自重、人行道欄桿、橋面鋪裝；活載包括：人群荷載、汽車荷載、掛車荷載。

根據荷載出現的組合狀態(tài)，分為三種工況即三種荷載組合：1）工況1：恒載+汽車；2）工況2：恒載+汽車+人群荷載；工況3：恒載+掛車。

（四）結構內力計算。通過對建立的橋梁結構進行有限元分析，得到拱橋1/4拱肋、1/2拱肋和3/4拱肋處在恒載、汽車荷載、人群荷載及掛車荷載作用下的截面內力，主要包括特征截面的彎矩和軸力。

四、承載能力極限狀態(tài)評定

（一）承載能力檢算系數(Z1)的確定。根據前述結構的病害現狀分布情況，結構表觀缺損狀況評定標度值為3，材質強度標度值為2，結構固有模態(tài)標度值為1。計算可得技術狀況評定值D=2.1。得到結構承載能力檢算系數Z1為1.09。

（二）承載能力惡化系數(ξe)的確定。承載能力惡化系數(ξe)是考慮鑒定期內橋梁結構質量狀況進一步衰退惡化對結構的不利影響，反映不利影響可能造成的結構抗力的降低。根據現場檢查，分別對表中各檢測指標進行評定得到惡化狀況評定值E=2.68。環(huán)境條件為板梁干濕交替、不凍、無侵蝕介質。分析計算得到板梁承載能力惡化系數ξe為0.0404。

（三）截面折減系數(ξc、ξs)的確定。截面折減系數(ξc、ξs)主要是考慮混凝土結構由于風化、碳化、物理或化學損傷以及由于鋼筋腐蝕、混凝土剝落造成的鋼筋有效面積損失對有效結構或構件截面抗力效應的影響。

根據現場檢查情況分別對表中各檢測指標給出評定標度值，計算得到構件截面損傷的綜合評定值R=2.9。

根據截面損傷的綜合評定值R，得出截面折減系數ξc=0.975。鋼筋的截面折減系數ξs值，拱腳和新拱腳截面混凝土未出現裂縫，確定其評定標度為1，鋼筋截面折減系數ξs為0.98。

（四）持久狀態(tài)橋梁結構承載能力極限狀態(tài)評定計算。根據結構檢算的結果，計入承載能力檢算系數Z1、承載能力惡化系數ξe、截面折減系數ξc、ξs后，計算得到拱肋控制截面的結構抗力。

根據計算的基于檢測結果、計入折減系數的承載能力評定表明，截面抗力效應大于荷載組合工況1，工況2，工況3的內力效應值，滿足荷載等級汽車-20級、掛車-100的要求。

五、結語

損傷狀態(tài)下橋梁結構的承載性能是保證橋梁結構正常、安全發(fā)揮其服役能力的重要保障，為確定長期重載作用下中承式鋼筋混凝土拱橋結構的承載能力，本文基于檢測獲取的橋梁病害狀況，對橋梁結構進行了極限狀態(tài)下結構的承載能力評估，評定結果可用于指導該類橋梁結構的加固設計。

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