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)

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收稿日期：2015-05-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.014