四川某國(guó)道舊石拱橋的檢測(cè)及承載能力評(píng)估

摘要 文章以四川某國(guó)道舊石拱橋擬提高荷載等級(jí)而進(jìn)行的檢測(cè)及承載能力評(píng)估為案例，介紹了通過外觀病害檢測(cè)及技術(shù)狀況評(píng)估，確定承載能力檢算系數(shù)的分析過程，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁結(jié)構(gòu)尺寸恢復(fù)、砂漿強(qiáng)度、石料強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，建立了有限元模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，判定橋梁承載能力是否滿足現(xiàn)行規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，并提出相關(guān)的評(píng)估結(jié)論及建議，為同類橋梁改造設(shè)計(jì)工作提供必要的技術(shù)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 舊石拱橋檢測(cè)；尺寸恢復(fù)；結(jié)構(gòu)檢算；承載能力評(píng)估

中圖分類號(hào) U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0129-05

0 引言

橋梁作為保證交通運(yùn)輸順暢的基礎(chǔ)設(shè)施，在交通事業(yè)快速發(fā)展階段，橋梁工程建設(shè)與維護(hù)面臨諸多挑戰(zhàn)。特別是在老舊橋梁中，因建設(shè)年代久遠(yuǎn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，加上長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中受到自然環(huán)境、交通荷載等諸多因素影響，安全隱患及性能退化問題常有發(fā)生。因此，對(duì)舊石拱橋進(jìn)行檢測(cè)及承載能力評(píng)估尤為重要，以便及時(shí)對(duì)潛在安全隱患進(jìn)行排除，為橋梁維修加固提供科學(xué)依據(jù)，采取科學(xué)方法對(duì)橋梁危害問題進(jìn)行妥善處理，保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

某國(guó)道需進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，改造后的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為速度60 km/h，路基寬度拓寬至18.5 m，橋梁寬度與路基保持一致，橋涵汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)。位于該國(guó)道路線上的某舊石拱橋，由于建造年代久遠(yuǎn)、設(shè)計(jì)圖紙缺失、橋梁荷載等級(jí)不詳，需對(duì)該橋進(jìn)行檢查及承載能力評(píng)估，為改造設(shè)計(jì)工作提供必要的技術(shù)參考依據(jù)，橋梁立面照如圖1所示。

2 圖紙恢復(fù)

由于石拱橋修建年代久遠(yuǎn)，圖紙缺失，現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀及鋼卷尺結(jié)合方法對(duì)橋梁圖紙尺寸進(jìn)行恢復(fù)，并通過CAD繪圖軟件繪制出該橋立面圖、橫斷面圖，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，該橋橋跨布置為1×30 m，橋下凈空6 m，全長(zhǎng)35 m。上部結(jié)構(gòu)為空腹式圬工無(wú)鉸板拱，共設(shè)置6個(gè)腹拱圈，主拱圈厚度為80 cm，主拱圈材料為條石。橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面鋪裝層采用瀝青混凝土，橋面凈寬16 m，橋面總寬17 m。該橋伸縮縫為型鋼伸縮縫，恢復(fù)的立面圖、橫斷面圖如圖2所示[1]。

3 拱橋主要病害檢測(cè)結(jié)果分析

（1）主拱圈：第1跨主拱圈拱腹，距小樁號(hào)拱腳5 m處存在滲水現(xiàn)象。

（2）腹拱圈：第1跨6#腹拱，距右側(cè)邊緣260 cm處，存在1條縱向裂縫，L=1 m，b=1 mm。第1跨5#腹拱存在2條縱向裂縫，L=150 cm，bmax=4 mm。第1跨4#腹拱，拱腳灰縫松散脫落。第1跨4#腹拱存在3條縱向裂縫，Lmax=130 cm，bmax=2 mm。第1跨3#腹拱存在3條縱向裂縫，Lmax=180 cm，bmax=5 mm。第1跨2#腹拱，拱頂灰縫松散脫落。第1跨1#腹拱，距右側(cè)邊緣1 m處，存在1條縱向裂縫，L=100 cm，b=1 mm[2]。病害典型照片如圖3所示：

4 拱橋材料參數(shù)檢測(cè)

4.1 砂漿強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

采用砂漿回彈法對(duì)構(gòu)件的砂漿強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢測(cè)工作按照《砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50315—2011）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件抽取主拱圈進(jìn)行了砂漿強(qiáng)度的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示[3]。

4.2 條石強(qiáng)度

橋梁石料強(qiáng)度檢測(cè)方法采用單軸抗壓強(qiáng)度法檢測(cè)巖石的抗壓強(qiáng)度，檢測(cè)方法、頻率，評(píng)定方法符合《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3431—2024）的要求。該橋在主拱圈采用鉆芯機(jī)對(duì)條石進(jìn)行了取樣。[4]

橋梁上部結(jié)構(gòu)主拱圈石料強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表2所示：

5 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定

根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG / T H21—2011）中的相關(guān)規(guī)定，公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定包括橋梁構(gòu)件、部件、橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和全橋評(píng)定。公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定應(yīng)采用分層綜合評(píng)定和5類橋梁?jiǎn)雾?xiàng)控制指標(biāo)相結(jié)合的方法，先對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行評(píng)定，然后對(duì)橋梁各部件進(jìn)行評(píng)定，再對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行評(píng)定，最后進(jìn)行橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定[5]。該橋總體技術(shù)狀況評(píng)定表如表3所示：

6 原橋承載能力評(píng)估

（1）承載能力極限狀態(tài)

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.2.1條的規(guī)定，圬工橋梁承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果按下式進(jìn)行計(jì)算評(píng)定：

式中：γo——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S——荷載效應(yīng)函數(shù)；R（·）——抗力效應(yīng)函數(shù)；fd——材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；——結(jié)構(gòu)的幾何尺寸；Z1——承載能力檢算系數(shù)；——截面折減系數(shù)。

（2）正常使用極限狀態(tài)

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.2.3條的規(guī)定，圬工橋梁正常使用極限狀態(tài)，宜按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。[6]

6.1 分項(xiàng)檢算系數(shù)確定

（1）根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，確定分項(xiàng)檢算系數(shù)如表4所示。

（2）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的截面折減系數(shù)如表5所示。

6.2 參數(shù)設(shè)置

檢算考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，取=1.1。

（1）材料參數(shù)

根據(jù)取樣試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，結(jié)構(gòu)檢算時(shí)主拱圈、橫墻及腹拱圈砌體材料取MU50粗料石砌體，M10砂漿。結(jié)構(gòu)石材容重取25 kN/m3，拱上填料綜合考慮容重取21 kN/m3，混凝土鋪裝及欄桿容重取25 kN/m3，瀝青混凝土容重取23 kN/m3。

（2）截面參數(shù)

按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)拱軸線建模計(jì)算。

（3）荷載參數(shù)

1）恒載。該橋承受的恒載主要包括結(jié)構(gòu)自身重力、拱上填料、橋面鋪裝及欄桿的重量，建模時(shí)將拱上填料、橋面鋪裝及護(hù)欄等考慮為二期恒載作用在結(jié)構(gòu)上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果，橋面鋪裝厚30 cm，其中瀝青層10 cm，混凝土層20 cm。

2）活載。根據(jù)改造需求，按現(xiàn)行規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中公路-Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力評(píng)估。行車道寬度為16 m，計(jì)算考慮4個(gè)車道。

3）溫度荷載。根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁厍闆r，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.12條考慮升降溫各20℃，依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61—2005）第5.1.8條計(jì)算拱圈的溫度變化作用效應(yīng)考慮0.7的折減系數(shù)。

6.3 計(jì)算模型

采用專用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas/Civil 2019進(jìn)行有限元建模分析。全橋共劃分為236個(gè)單元，其中主拱圈劃分62個(gè)單元，單跨腹拱圈劃分10個(gè)單元，有限元模型如圖4所示。

6.4 主拱圈承載能力檢算

依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61—2005），基本組合作用下石拱橋主拱拱腳、四分點(diǎn)及拱頂截面承載能力檢算結(jié)果如表6所示。由表可知，主拱圈截面強(qiáng)度滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載等級(jí)。

6.5 腹拱圈承載能力檢算

依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61—2005），

基本組合作用下石拱橋各腹拱拱腳、拱頂截面承載能力檢算結(jié)果如下表7所示。由表可知，各腹拱圈截面強(qiáng)度均不滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載等級(jí)。

7 結(jié)論及建議

7.1 結(jié)論

（1）依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011），全橋總體技術(shù)狀況為3類橋梁。（2）依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015），石拱橋在現(xiàn)行規(guī)范公路-Ⅰ級(jí)活載標(biāo)準(zhǔn)作用下，橋梁結(jié)構(gòu)主拱圈承載能力檢算結(jié)果滿足規(guī)范要求，腹拱圈均不滿足公路-I級(jí)荷載等級(jí)[7]。

7.2 建議

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力檢算結(jié)果，該橋承載能力不滿足路線改造后的荷載等級(jí)要求（腹拱圈截面）；建議根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和線路改造需求對(duì)該橋進(jìn)行病害及加固處治后利用。

參考文獻(xiàn)

[1]《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50026—2020）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.2021.

[2]《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG 5120—2021）[S].北京：人民交通出版社.2021.

[3]《砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50315—2011）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.2012.

[4]《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3431—2024）[S].北京：人民交通出版社.2005.

[5]《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[S].北京：人民交通出版社.2011.

[6]《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[S].北京：人民交通出版社.2011.

[7]《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[S].北京：人民交通出版社.2004.

收稿日期：2024-04-07

作者簡(jiǎn)介：石偉（1987—），男，本科，工程師，研究方向：橋梁檢測(cè)。