某箱肋拱橋提高荷載等級(jí)前承載能力評(píng)估分析

吳維彬 蔣凌杰 吳志隆 吳育後

摘要：文章以某箱肋拱橋擬提高荷載等級(jí)利用為背景，根據(jù)橋梁外觀檢測(cè)、特殊檢測(cè)及荷載試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合橋梁所處環(huán)境條件，確定橋梁的承載能力檢算系數(shù)、惡化系數(shù)等參數(shù)，并應(yīng)用承載能力檢算評(píng)定和荷載試驗(yàn)評(píng)定的方法，評(píng)估橋梁現(xiàn)有承載能力是否滿足原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和新荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：箱肋拱橋;外觀檢測(cè);特殊檢測(cè);荷載試驗(yàn);承載能力檢算;承載能力評(píng)估

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通量也快速增加，部分道路通行能力已無(wú)法滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)行升級(jí)改造以提高荷載等級(jí)和通行能力。其中就涉及到沿線橋梁是否能繼續(xù)使用、部分利用、維修加固后利用或拆除重建等實(shí)際問(wèn)題。

本文以某沿海二級(jí)路擬改造升級(jí)至公路Ⅰ級(jí)為背景，評(píng)估其沿線上某座箱肋拱橋現(xiàn)有承載能力是否滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求，并據(jù)此提出合理化建議。本文僅對(duì)新橋部分現(xiàn)有承載能力進(jìn)行評(píng)估，可為類似項(xiàng)目提供有益參考和借鑒。

1 橋梁概況

該橋?yàn)橐蛔?×80m鋼筋混凝土箱型肋拱橋，主孔矢跨比為1/8。該橋舊橋部分始建于20世紀(jì)90年代初，原橋?qū)拑H為8.5m，后經(jīng)2002-2003年拼寬改造，目前橋面布置為0.5m（防護(hù)欄）+11.25m（行車道）+2.0m（分隔帶）+11.25m（行車道）+0.5m（防護(hù)欄）。該橋上部結(jié)構(gòu)新、舊橋采用相同的結(jié)構(gòu)形式，相同的矢跨比和起拱線標(biāo)高;下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)。舊橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽車-20級(jí);新橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽車-超20級(jí)。主拱圈混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為：40號(hào)。橋梁立面圖、斷面圖見(jiàn)下頁(yè)圖1、圖2。

2 橋梁缺損狀況與材質(zhì)狀況

新橋主拱圈缺失狀況與材質(zhì)狀況概況如下：

（1）主要病害為：多處混凝土破損、露筋銹蝕和1道橫向裂縫。橫向裂縫位于R2號(hào)拱肋第5～6號(hào)基梁間中部底面，橫向貫通，寬0.07mm。

（2）混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度范圍：3～5。

（3）鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度范圍：3～4。

（4）混凝土碳化深度、混凝土銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度均為1。

（5）橋梁跨越海灣隘口，環(huán)境具有侵蝕介質(zhì)。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）可計(jì)算確定檢算系數(shù)Z1=0.96，承載能力惡化系數(shù)ξe=0.1008。

3 橋梁荷載試驗(yàn)

3.1 有限元分析

采用MidasCivil軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分析計(jì)算，主橋共劃分522個(gè)單元、490個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)離散模型見(jiàn)圖3。

3.2 控制斷面及測(cè)試內(nèi)容

橋梁荷載試驗(yàn)控制截面為拱腳A-A、C-C，1/4L跨斷面D-D、E-E，拱頂截面B-B。示意圖見(jiàn)圖4。

（1）拱肋撓度測(cè)點(diǎn)布置于拱肋底面拱腳、1/4L、拱頂，橋面撓度測(cè)點(diǎn)布置于防撞墻外側(cè)橋跨四分點(diǎn)位置。

（2）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于控制斷面底面和頂面，其中動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于控制斷面B、D、E底面。

（3）模態(tài)測(cè)點(diǎn)布置于右幅橋面中線1/4L、2/4L和3/4L處。

（4）試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為：控制斷面撓度和應(yīng)變、自振頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)。

3.3 加載效率

本次荷載試驗(yàn)以汽車-20級(jí)作為控制荷載，加載效率見(jiàn)表1。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

荷載試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

（1）控制斷面主要撓度測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍：0.46～0.64，相對(duì)殘余撓度<20%;

（2）控制斷面主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍：0.44～0.81，相對(duì)殘余應(yīng)變<20%;

（3）實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在0.091～0.273之間;

（4）自振頻率及阻尼比見(jiàn)表2。

4 橋梁承載能力評(píng)定

檢算按橋梁原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并計(jì)入承載能力檢算系數(shù)、惡化系數(shù)、構(gòu)件截面折減系數(shù)和鋼筋截面折減系數(shù)。

4.1 荷載取值

承載能力檢算考慮的荷載參數(shù)見(jiàn)表3。

4.2 承載能力檢算結(jié)果

根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，確定檢算系數(shù)Z2=1.045。

（1）承載能力極限狀態(tài)檢算

原標(biāo)準(zhǔn)檢算結(jié)果見(jiàn)表4，新標(biāo)準(zhǔn)檢算結(jié)果見(jiàn)表5。

由表4、表5可知，拱肋在承載能力極限狀態(tài)下，滿足原標(biāo)準(zhǔn)要求，但不滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）正常使用極限狀態(tài)檢算

在正常使用極限狀態(tài)下，拱肋撓度驗(yàn)算結(jié)果同時(shí)滿足原標(biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）該橋雖處于腐蝕環(huán)境運(yùn)營(yíng)約20年，但橋梁整體狀況較好，現(xiàn)有承載能力仍滿足原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，整體劣化程度較低。

（2）該橋在公路-Ⅰ級(jí)荷載等級(jí)下，承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果不滿足要求，即使采用經(jīng)荷載試驗(yàn)結(jié)果修正的檢算系數(shù)Z2，跨中斷面抗力比仍僅為0.72，且拱腳抗力比僅為0.57。

（3）雖然該橋目前整體狀況較好，但受限于建造時(shí)期經(jīng)濟(jì)水平及交通量增長(zhǎng)預(yù)期，橋梁原設(shè)計(jì)富余不足以在不采取任何措施的情況下提高荷載等級(jí)。

（4）考慮拆除重建一座大橋需要花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，建議對(duì)該橋進(jìn)行維修加固后再利用。

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