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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

        2014-12-27 01:22:08杰,王
        關(guān)鍵詞:雙曲拱橋拱圈標(biāo)度

        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.

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        U448.22

        A

        2095-414X(2014)06-0090-05

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