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        大跨度石拱橋承載能力檢測(cè)評(píng)定

        2016-01-07 03:40:11趙銘偉
        交通科技 2015年5期
        關(guān)鍵詞:石拱橋拱圈校驗(yàn)

        趙銘偉

        (山西省交通科學(xué)研究院 太原 030006)

        大跨度石拱橋承載能力檢測(cè)評(píng)定

        趙銘偉

        (山西省交通科學(xué)研究院太原030006)

        摘要基于我國(guó)大量石拱橋修建歷史久遠(yuǎn)且交通運(yùn)營(yíng)需求不斷提高的現(xiàn)狀,亟須對(duì)這些老石拱橋的承載能力和健康狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。以某石拱橋?yàn)槔?,利用Midas軟件建立有限元分析模型,對(duì)其結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行驗(yàn)算,并按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行荷載試驗(yàn),以及相應(yīng)的分析,為橋梁養(yǎng)護(hù)部門做出合理的決策提供依據(jù)。

        關(guān)鍵詞石拱橋承載能力結(jié)構(gòu)驗(yàn)算荷載試驗(yàn)

        某橋建于1971年,為2×50 m+1×10 m的石拱橋,橋面凈寬6.4 m,全長(zhǎng)137.5 m;橋面橫向布置為0.5 m(欄桿)+6.4 m(車行道)+0.5 m

        (欄桿);橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-15級(jí),橋梁修建年代較早,設(shè)計(jì)、竣工資料缺少。圖1為該橋立面圖。

        圖1 立面圖(單位:cm)

        1結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

        1.1 主要計(jì)算參數(shù)

        由于橋梁修建年代較早,無(wú)設(shè)計(jì)、竣工資料,故通過(guò)鉆取石料心樣,推定石料標(biāo)號(hào)為40號(hào)粗料石。按照《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定,7.5號(hào)砂漿砌40號(hào)粗料石砌體抗壓極限強(qiáng)度為7.5 MPa;又根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2],本橋不計(jì)沖擊力,截面材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

        表1 主要材料參數(shù)取值表

        1.2軟件計(jì)算分析

        采用有限元結(jié)構(gòu)分析程序Midas軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,本檢算模型采用實(shí)測(cè)拱軸線的擬合曲線,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)拱軸線坐標(biāo)進(jìn)行擬合,得出以下結(jié)論:主拱圈凈跨徑為50 m,凈矢高為10 m,拱軸線與模數(shù)(m=2.514)的懸鏈線基本一致。拱軸線的測(cè)試結(jié)果表明橋跨結(jié)構(gòu)的幾何線形良好,無(wú)明顯變位。

        將上述橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,全橋單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果為:?jiǎn)慰缰鞴叭澐?16個(gè)單元,2跨共計(jì)232個(gè)單元;第3跨劃分10個(gè)單元;腹拱各劃分8個(gè)單元;全橋結(jié)構(gòu)共計(jì)401個(gè)單元,圖2為全橋結(jié)構(gòu)離散圖。

        圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖

        1.3 技術(shù)狀況評(píng)定

        根據(jù)外觀檢查結(jié)果,該橋主要病害為:主拱圈拱肋條石表面風(fēng)化,第1,2跨的主拱圈拱腹拱腳處均有少量縱向裂縫。腹拱砌縫存在砂漿脫落、風(fēng)化、滲水、鈣化等病害。

        根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[3]對(duì)該石拱橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定,該橋技術(shù)狀況評(píng)分為72.7分,評(píng)定為3類,即有中等缺損,尚能維持正常使用功能,見(jiàn)表2。

        表2 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定表 分

        1.4結(jié)構(gòu)檢算

        根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[4]及橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果:截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.18~0.76之間,截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.39~0.46之間。考慮到上部結(jié)構(gòu)石料滲水、風(fēng)化狀況嚴(yán)重,綜合分析取檢算系數(shù)Z2為1.00。

        根據(jù)檢查結(jié)果和評(píng)定規(guī)程,構(gòu)件截面損傷評(píng)定標(biāo)度R=3.0,構(gòu)件截面折減系數(shù)ζc=0.93。

        根據(jù)規(guī)范取相應(yīng)的組合系數(shù),對(duì)于結(jié)構(gòu)自重的荷載安全系數(shù),當(dāng)其產(chǎn)生的效應(yīng)與汽車或掛車產(chǎn)生的效應(yīng)同號(hào)時(shí),γ恒=1.2;異號(hào)時(shí),γ恒=0.9。為驗(yàn)證2跨主拱圈正截面受壓強(qiáng)度是否滿足汽車-15級(jí)、掛車-80的使用要求,以第一跨為例,考慮荷載在以下3種荷載組合下該橋梁極限承載能力及偏心距。

        組合I。1.00×1.0×(γ恒×恒載+1.4×汽車)。

        組合II。1.00×0.8×(γ恒×恒載+1.4×汽車+1.4×溫度)。

        組合III。1.00×0.8×(γ恒×恒載+1.4×掛車)。

        在各荷載組合下主拱圈控制界面極限承載能力及偏心距檢算結(jié)果見(jiàn)表3~表5。

        表3 組合I下控制截面極限承載能力及偏心距檢算表

        注:偏心限為0.25 m。

        表4 組合II下控制截面極限承載能力及偏心距檢算表

        注:偏心限為0.3 m。

        表5 組合III下控制截面極限承載能力及偏心距檢算表

        注:偏心限為0.3 m。

        表3~表5表明,該橋目前狀況下3跨主拱圈正截面受壓強(qiáng)度滿足汽車-15級(jí)、掛車-80的使用要求。

        2荷載試驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        本次靜載試驗(yàn)選取質(zhì)量較差的第一跨主拱圈進(jìn)行,針對(duì)該橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選取第一跨主拱圈的拱腳截面、1/4截面及拱頂截面作為試驗(yàn)測(cè)試截面。

        2.2 試驗(yàn)工況及加載效率

        根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容和計(jì)算分析結(jié)果,本次靜載試驗(yàn)各工況的荷載效率見(jiàn)表6。

        表6 試驗(yàn)截面各工況加載效率

        采用35 t加載車在控制斷面的內(nèi)力影響上等效加載,本次大橋試驗(yàn)截面荷載效率滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的要求。

        2.3 各工況車輛加載位置

        各工況的加載車輛布置圖見(jiàn)圖3。

        a) 工況1、工況2車輛縱向布置圖

        b) 工況3車輛縱向布置圖

        c) 工況4車輛縱向布置圖

        d) 工況1~工況4橫橋向車輛布置

        2.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

        (1) 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。在拱圈表面粘貼應(yīng)變片,以靜態(tài)電阻應(yīng)變儀自動(dòng)掃描觀測(cè)主拱圈應(yīng)變。在最大試驗(yàn)荷載作用下,主拱圈各控制截面應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7~表9(其中1/4正彎(B-B)工況觀測(cè)結(jié)果從略),表中應(yīng)變符號(hào)受拉為正,受壓為負(fù)。

        表7 主拱圈拱頂最大正彎截面(A-A)加載工況應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果

        由表7可見(jiàn),在試驗(yàn)荷載作用下,主拱圈拱頂最大正彎截面(A-A)加載工況下截面各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.16~0.69;卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%。

        表8 主拱圈1/4負(fù)彎截面(B-B)加載工況應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果

        由表8可見(jiàn),在試驗(yàn)荷載作用下,主拱圈1/4負(fù)彎截面(B-B)加載工況下截面各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.10~0.35;卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%。而正彎(B-B)加載工況下截面各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.18~0.76;卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%。

        表9 主拱圈拱腳最大負(fù)彎截面(C-C)工況應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果

        由表9可見(jiàn),在荷載作用下,主拱圈拱腳最大負(fù)彎截面(C-C)加載工況下截面各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.17~0.59;卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%。

        由表7~表9可見(jiàn),在試驗(yàn)荷載作用下,試驗(yàn)截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.16~0.76,卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變未超過(guò)20%,各應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于相應(yīng)理論計(jì)算值,表明受檢橋跨的實(shí)際強(qiáng)度在現(xiàn)有狀態(tài)下滿足規(guī)范要求。

        (2) 撓度測(cè)試結(jié)果。在最大試驗(yàn)荷載作用下控制截面撓度觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表10和表11,撓度符號(hào)規(guī)定向下為正,向上為負(fù),撓度單位為mm。

        表10 工況1撓度測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)表

        表11 工況3撓度測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)表

        由表10和表11可見(jiàn),在試驗(yàn)荷載作用下,各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.39~0.46;卸載后的相對(duì)殘余變位均小于20%,各撓度實(shí)測(cè)值小于相應(yīng)理論計(jì)算值,表明受檢橋跨主梁處于彈性工作狀態(tài),實(shí)際剛度在現(xiàn)有狀態(tài)下滿足規(guī)范要求。

        3結(jié)論

        (1) 利用有限元軟件Midas Civil建立模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算,結(jié)果表明該橋目前狀況下3跨主拱圈正截面受壓強(qiáng)度滿足汽車-15級(jí)、掛車-80使用要求。

        (2) 在試驗(yàn)荷載作用下,試驗(yàn)截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.16~0.76,卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變未超過(guò)20%,各應(yīng)變實(shí)測(cè)值小于相應(yīng)理論計(jì)算值,表明受檢橋跨的實(shí)際強(qiáng)度在現(xiàn)有狀態(tài)下滿足規(guī)范要求。

        (3) 在試驗(yàn)荷載作用下,各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.39~0.46;卸載后的相對(duì)殘余變位均小于20%,各撓度實(shí)測(cè)值小于相應(yīng)理論計(jì)算值,表明受檢橋跨主梁處于彈性工作狀態(tài),實(shí)際剛度在現(xiàn)有狀態(tài)下滿足規(guī)范要求。

        (4) 對(duì)老的石拱橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí),首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,在結(jié)構(gòu)滿足承載能力要求下,才可以進(jìn)行荷載試驗(yàn)。通過(guò)有限元軟件Midas Civil計(jì)算出的應(yīng)力和撓度與實(shí)測(cè)的應(yīng)力和撓度比較接近,基本上滿足精度要求,為養(yǎng)護(hù)單位做出合理的養(yǎng)護(hù)和加固決策提供依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]JTG D61-2005公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005.

        [2]JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

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

        [4]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.

        收稿日期:2015-05-07

        DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.014

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