張海生 曾祥林 王 奇

1 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在石料豐富、山高谷深的西南地區(qū)，拱橋占90%以上，其中石拱橋數(shù)量最多。某圬工拱橋?yàn)榈冉孛鎽益溇€(xiàn)空腹式石拱橋，主拱為無(wú)鉸拱，跨徑50.87 m，寬9 m，主拱圈厚1.2 m;主拱兩端各有4個(gè)腹拱，腹拱圈厚0.35 m。該橋建成通車(chē)后，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，橋體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很多病害，并且隨著交通運(yùn)輸量的不斷增大，該橋的實(shí)際荷載等級(jí)要高于原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。因此，對(duì)該橋?qū)嶋H承載力的評(píng)估是有必要的。

2 評(píng)估計(jì)算

2.1 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載采用設(shè)計(jì)荷載:城市B級(jí)，人群荷載集度3.5 kN/m2;永久荷載，包括結(jié)構(gòu)材料自重25 kN/m3、二期恒載25.5 kN/m3、拱上填料22 kN/m3。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行一種不利荷載組合——永久荷載+汽車(chē)荷載+人群荷載，驗(yàn)算關(guān)鍵截面的承載能力。

2.2 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件建立全橋計(jì)算模型，見(jiàn)圖1，從左到右，主拱單元依次編號(hào)為1號(hào)～108號(hào)。橋跨上游側(cè)，從左到右，腹拱依次編號(hào)為1號(hào)～8號(hào)。1號(hào)，4號(hào)，5號(hào)，8號(hào)腹拱為三鉸拱，2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)腹拱為兩鉸拱。8個(gè)腹拱均等分為32個(gè)單元，每個(gè)腹拱單元從左到右依次編號(hào)為1號(hào)～32號(hào)，腹拱計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖1 全橋計(jì)算模型

圖2 腹拱模型

2.3 計(jì)算方法

利用有限元分析軟件對(duì)橋梁實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行有效模擬并計(jì)算各種荷載組合作用下各個(gè)單元截面的內(nèi)力，從而達(dá)到對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)估的目的。對(duì)于該橋承載能力的評(píng)估，只需驗(yàn)算

主拱圈在城市B級(jí)荷載作用下，各單元的安全儲(chǔ)備是否充足。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 主拱的計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算得出主拱在荷載組合——永久荷載+汽車(chē)荷載+人群荷載作用下的安全儲(chǔ)備系數(shù)介于0.72～2.78之間，大多數(shù)單元的安全儲(chǔ)備系數(shù)介于1.01～2.78之間，少數(shù)單元在最大軸力和最大彎矩工況下出現(xiàn)了安全儲(chǔ)備系數(shù)小于1的情況，詳見(jiàn)表1，表2。

表1 最大軸力工況下主拱部分單元承載能力驗(yàn)算結(jié)果

表2 最大彎矩工況下主拱部分單元承載能力驗(yàn)算結(jié)果

表1、表2中的計(jì)算結(jié)果表明主拱的拱腳安全儲(chǔ)備系數(shù)偏低。

2.4.2 腹拱的計(jì)算結(jié)果

由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，1號(hào)～4號(hào)腹拱與5號(hào)～8號(hào)腹拱計(jì)算結(jié)果相同，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由腹拱的計(jì)算結(jié)果可知，1號(hào)～8號(hào)腹拱在荷載組合——永久荷載+汽車(chē)荷載+人群荷載作用下的安全儲(chǔ)備系數(shù)均大于1，表明8個(gè)腹拱均具有足夠的強(qiáng)度。

表3 腹拱評(píng)估計(jì)算結(jié)果

2.5 評(píng)估計(jì)算結(jié)論

城市B級(jí)荷載等級(jí)作用下，橋跨結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，橋梁結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足城市B級(jí)荷載等級(jí)要求，但主拱拱腳安全儲(chǔ)備系數(shù)偏低。

表4 靜載試驗(yàn)及測(cè)試內(nèi)容

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)及測(cè)試內(nèi)容

根據(jù)評(píng)估計(jì)算結(jié)果，按照城市B級(jí)荷載等級(jí)對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)及測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)表4，試驗(yàn)截面示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)截面示意圖（單位：cm）

3.2 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.2.1 撓度測(cè)試結(jié)果

各試驗(yàn)工況撓度實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值比較見(jiàn)表5。

表5 撓度實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值的比較

試驗(yàn)結(jié)果表明:A工況下，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.55～0.84之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度;B工況下，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.61～0.94之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度;C工況下，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.40～1.71之間，超出合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)剛度偏低。

3.2.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

各試驗(yàn)工況應(yīng)力實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值比較見(jiàn)表6。

試驗(yàn)結(jié)果表明:A工況下，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.27～0.79之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度;B工況下，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.55～0.79之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度;C工況下，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.21～1.68之間，超出合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低。

表6 應(yīng)力實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值的比較

4 綜合結(jié)論

橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿(mǎn)足城市B級(jí)荷載等級(jí)要求，但拱腳安全儲(chǔ)備略偏低;拱腳最大負(fù)彎矩作用下，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度儲(chǔ)備;1/4跨附近最大正彎矩作用下，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，剛度儲(chǔ)備略偏低;跨中最大正彎矩作用下，橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度儲(chǔ)備均偏低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于某圬工拱橋的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果，建立了有限元分析模型，并結(jié)合荷載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該橋的承載能力進(jìn)行了評(píng)估。由于目前階段對(duì)于舊橋的承載能力評(píng)估只是采用荷載試驗(yàn)方法對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析，還不能定量研究各種影響橋梁承載力的因素。因此，既有橋梁的評(píng)估方法有待進(jìn)一步的探討。

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