林 杰，王 晨

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危舊雙曲拱橋技術(shù)狀況及承載能力評(píng)定方法研究

林 杰，王 晨*

（湖北省高速公路實(shí)業(yè)開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430051）

自1964年雙曲拱橋在我國首創(chuàng)并建成以來，因其結(jié)構(gòu)新穎、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。但由于該類橋梁結(jié)構(gòu)的缺陷性，在運(yùn)營一段時(shí)間后易出現(xiàn)不同程度的損傷，故急需對(duì)其實(shí)際承載力進(jìn)行評(píng)定，確保營運(yùn)安全。本文系統(tǒng)地闡述了對(duì)某雙曲拱橋的外觀檢查、特殊檢查、及內(nèi)力計(jì)算過程，在依托各種先進(jìn)檢測手段和有限元分析軟件的基礎(chǔ)上，研究雙曲拱橋技術(shù)狀況及承載能力評(píng)定方法。

雙曲拱橋；技術(shù)狀況評(píng)定；承載力能力評(píng)定；有限元

自上世紀(jì)60年代以來，雙曲拱橋在我國公路橋梁行業(yè)得到廣泛的推廣及應(yīng)用，但隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，該類橋梁因原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低大多不能滿足現(xiàn)有車輛的通行要求[1]。并且，由于雙曲拱橋自身結(jié)構(gòu)的缺陷性，導(dǎo)致拱圈整體性較差，諸多病害隨著橋梁使用年限的增加逐漸惡化，給橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性及使用安全帶來極大的隱患。

本文以某雙曲拱橋?yàn)檠芯勘尘?，依?jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)該橋進(jìn)行外觀檢查及特殊檢查的基礎(chǔ)上，采用有限元理論進(jìn)行空間仿真計(jì)算和分析，研究危舊雙曲拱橋技術(shù)狀況與承載能力的評(píng)定方法，為同類工程提供借鑒與參考。

1 危舊雙曲拱橋技術(shù)狀況評(píng)定及承載能力評(píng)定思路

1.1 危舊雙曲拱橋技術(shù)狀況評(píng)定思路

通過對(duì)橋梁橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的外觀檢查，描述橋梁各部件的缺陷，采用先分部再綜合的辦法，依次計(jì)算構(gòu)件、部件、上部結(jié)構(gòu)（下部結(jié)構(gòu)、橋面系）的技術(shù)狀況得分，最后根據(jù)橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況對(duì)全橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定[2]。

1.2 危舊雙曲拱橋承載能力評(píng)定思路

若橋梁的技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為4、5類，則應(yīng)進(jìn)行特殊檢查，對(duì)其實(shí)際承載能力進(jìn)行評(píng)定[3]。

首先對(duì)橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測評(píng)定，以獲取上述各項(xiàng)參數(shù)，具體包括拱軸線測量、混凝土強(qiáng)度測試、鋼筋保護(hù)層厚度測試、鋼筋銹蝕電位測試，其中，對(duì)于鋼筋銹蝕電位的評(píng)定標(biāo)度值為3、4、5的主要構(gòu)件或主要受力部位還應(yīng)進(jìn)行混凝土氯離子含量測試、混凝土電阻率測試、以及混凝土碳化狀況檢測。

其次，對(duì)雙曲拱橋進(jìn)行內(nèi)力分析，雙曲拱橋?yàn)槌o定空間結(jié)構(gòu)，受力形式復(fù)雜，當(dāng)荷載作用于橋面系時(shí)，通過拱頂填料將荷載傳給腹拱與拱波，腹拱與拱波再將荷載傳遞給拱肋，最后傳遞至橋墩和橋臺(tái)。為準(zhǔn)確模擬上述受力過程，運(yùn)用有限元軟件建立空間梁格模型，采用彈性理論，對(duì)雙曲拱橋進(jìn)行受力分析。

最后，根據(jù)上述檢測結(jié)果與內(nèi)力分析結(jié)果對(duì)橋梁進(jìn)行承載能力評(píng)定。

2 工程實(shí)例分析

某雙曲拱橋橋長約102m，寬9m，上部結(jié)構(gòu)為3跨30m鋼筋混凝土雙曲拱橋，下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋修建于1974年，并于2010年底進(jìn)行了局部加固，由于圖紙遺失，設(shè)計(jì)通行荷載等級(jí)不詳，目前實(shí)際按公路-II級(jí)通行。橋梁正、立面圖如下圖1、2所示。

圖1 正面圖

圖2 立面圖

2.1 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定

2.1.1 外觀檢查結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場詳細(xì)外觀檢測，全橋主要病害為：橋面鋪裝部分伸縮縫鋼梁斷裂，錨固區(qū)砼大面積破損；拱肋被噴射混凝土包裹，多處出現(xiàn)徑向裂縫和拱腳開裂滲水，拱波頂部縱橋向裂縫和局部橫縫較為密集，腹拱圈拱腳與立柱結(jié)合處水泥砂漿脫落現(xiàn)象普遍，且大部分腹拱圈頂部橫橋向開裂，部分立柱及立柱間系梁也存在開裂現(xiàn)象；橋臺(tái)側(cè)墻局部出現(xiàn)水平、斜向開裂病害。典型圖片如圖3~圖8所示。

圖3 伸縮縫鋼梁斷裂、錨固區(qū)砼破損

圖4 拱肋多處徑向裂縫伴滲水鈣化

圖5 拱波頂部縱縫伴滲水鈣化

圖6 腹拱圈拱頂橫橋向貫穿縱縫

圖7 側(cè)墻水平開裂

圖8 側(cè)墻斜向開裂

2.1.2 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果

依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011），對(duì)該橋進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定，結(jié)果如下：上部結(jié)構(gòu)評(píng)分為51.1分，評(píng)定為4類，下部結(jié)構(gòu)評(píng)分為88.0分，評(píng)定為2類，橋面系評(píng)分為54.7分，評(píng)定為4類，綜合以上評(píng)定結(jié)果，全橋技術(shù)狀況得分66.5分，根據(jù)主要部件最差的缺損狀況評(píng)定原則，橋梁主拱圈評(píng)定達(dá)到4類，故該橋評(píng)定為4類橋。

2.2 橋梁承載能力評(píng)定

配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)橋梁檢測結(jié)果式（1）進(jìn)行計(jì)算：

2.2.1 參數(shù)的確定

通過對(duì)該雙曲拱橋進(jìn)行特殊檢查，評(píng)定各項(xiàng)檢測內(nèi)容的標(biāo)度，從而確定承載能力檢算系數(shù)、惡化系數(shù)等參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場檢測情況：橋梁材質(zhì)強(qiáng)度狀況處于較好狀態(tài)，評(píng)定標(biāo)度為2；鋼筋有銹蝕活動(dòng)性，且發(fā)生概率大于90%，鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度為3；混凝土碳化誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性很小，評(píng)定標(biāo)度為1[4]；鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的耐久性影響不顯著，評(píng)定標(biāo)度為1；個(gè)別拱肋鋼筋銹蝕的速度較快，按照測區(qū)電阻率最小值評(píng)定混凝土電阻率標(biāo)度原則，其評(píng)定標(biāo)度為4；混凝土中氯離子誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性很小，按照測區(qū)最高氯離子含量值評(píng)定混凝土氯離子標(biāo)度原則，其評(píng)定標(biāo)度為1；根據(jù)實(shí)測自振頻率與理論自振頻率的比值，橋梁上部結(jié)構(gòu)自振頻率標(biāo)度為3。

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J11-2011）相關(guān)規(guī)定，可知：

主拱圈承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D=4*0.4+2*0.3+3*0.3=3.1，采用線性內(nèi)插法，求出該橋承載能力檢算Z1為0.99。

2.2.2 有限元模型建立

由于本橋修建年代久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)資料缺失，為精確模擬橋梁的真實(shí)狀態(tài)，采用全站儀、反光片、鋼尺等測量工具，對(duì)第一跨主拱圈線型進(jìn)行測量，將所測主拱圈線形導(dǎo)入至有限元模型中。

本文采用MIDAS CIVIL 2011建立有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率，在考慮自重、汽車活載、人群荷載、體系升降溫差15℃等荷載作用下，利用橋梁博士3.1建立有限元模型進(jìn)行內(nèi)力分析。

圖9 midas civil有限元模型

圖10 橋梁博士有限元模型

2.2.3 承載能力極限和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

由于缺少詳細(xì)的施工資料，計(jì)算恒載內(nèi)力時(shí)，未就主拱形成過程進(jìn)行模擬，只計(jì)算成橋狀態(tài)永久荷載的作用，汽車荷載按公路-II級(jí)、人群荷載按3.5kN/m，溫度荷載按體系升降溫差15℃進(jìn)行計(jì)算。

表1 主拱圈正截面強(qiáng)度驗(yàn)算表

3 結(jié)論

本文采用理論計(jì)算與外觀檢查、特殊檢查相結(jié)合的方法，對(duì)危舊雙曲拱橋的技術(shù)狀況及承載能力的評(píng)定方法進(jìn)行了研究，現(xiàn)得到如下結(jié)論：

（1）基于外觀病害檢測結(jié)果，依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011）中的“橋梁主要部件最差的缺損狀況評(píng)定原則”對(duì)橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定。

（2）根據(jù)實(shí)測資料擬算拱軸線，用此拱軸線進(jìn)行拱橋內(nèi)力分析，其結(jié)果符合該橋的實(shí)際情況，表明該方法確定拱軸線可行[5]。

（3）依托各種先進(jìn)的檢測手段，研究其對(duì)影響橋梁承載能力評(píng)定的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的測試方法和評(píng)定方法。

（4）借助于Midas Civil與橋梁博士有限元軟件，建立拱橋的空間模型進(jìn)行模態(tài)分析和內(nèi)力驗(yàn)算，理論分析結(jié)果與現(xiàn)場檢測評(píng)定結(jié)果基本一致，說明特殊檢查結(jié)果與有限元模型的合理性和準(zhǔn)確性，表明該類方法評(píng)估橋梁承載能力是可靠的[6]。

[1] 李金枝．既有雙曲拱橋承載能力空間分析與評(píng)估[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2013. 1.

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

[3] JTG/T J21-2011．公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程[S]．北京：交通運(yùn)輸部辦公廳，2011.

[4] CECS 02：2005．超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2005.

[5] 舊雙曲拱橋承載能力評(píng)定的研究[J]. 湖南交通科技，2012，（38）：1.

[6] 龔德智．雙曲拱橋的極限承載力分析[D]. 西安：長安大學(xué)，2005. 48.

Study on the Evaluation Method about Technical Condition and Bearing Capacity of the Old Double-curved Arch Bridge

LIN Jie, WANG Chen

(Hubei expressway business development Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430051,China)

Double-curved arch bridge was firstly built since 1964 ,it had been widely used because of its novel structure and beautiful shape. However, as the defect of this type of bridge structure, it is easy to appear different degree of damage after using a period of time, so it is urgent to evaluate its actual beraing capacity, ensuring the operation safely. This paper systematically describes the visual inspection、special inspection and the internal force calculation process of a double-curved arch bridge, based on the advancing detection means and the finite element analysis software, studying on the evaluation method about technical condition and bearing capacity of double-curved arch bridge.

Double-curved Arch Bridge; Technical Condition Evaluation; Bearing Capacity Evaluation; The Finite Element

王晨（1989-），男，碩士，研究方向：橋梁檢測及加固設(shè)計(jì).

U448.22

A

2095－414X(2014)06－0090－05