■劉 明

(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025)

既有石拱橋通行安全評(píng)估研究

■劉 明1,2

(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025)

以一座(4×30)m空腹式等截面石拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)對(duì)橋梁目前高峰期交通流量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)及計(jì)算，分析目前的通行狀況是否滿(mǎn)足橋梁的通行要求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃考慮后期由于交通量增大，橋面擁堵的情況下對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行了檢算。最后通過(guò)橋梁靜載試驗(yàn)對(duì)橋面擁堵情況進(jìn)行了安全驗(yàn)證。結(jié)合檢算及靜載試驗(yàn)的結(jié)果判斷橋梁是否滿(mǎn)足安全通行的要求，該過(guò)程與方法對(duì)于該類(lèi)橋型的通行安全評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

石拱橋 交通流量 通行安全 評(píng)估研究

1 引言

石拱橋是一種歷史悠久，充滿(mǎn)生機(jī)的橋梁形式。相比其他橋型，石拱橋具有能充分發(fā)揮圬工材料的受力特點(diǎn)、承載能力大、取材方便、施工方便、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。20世紀(jì)50-60年代，我國(guó)在公路、城市中修建了大量的石拱橋，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)荷載偏低，在橋梁的運(yùn)營(yíng)期，由于頻繁承載甚至超載，加上自然環(huán)境的侵蝕等的影響，造成橋梁的損傷和局部破壞。石拱橋不斷下降的承載能力與日益增長(zhǎng)的交通需求之間的矛盾越來(lái)越大。如何對(duì)既有石拱橋通行狀況進(jìn)行安全評(píng)估成為當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題[2]。

本文以一座(4×30m)空腹式等截面城市石拱橋?yàn)槔ㄟ^(guò)對(duì)橋梁高峰期交通流量的調(diào)查及統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析目前的通行狀況是否滿(mǎn)足橋梁的通行要求。根據(jù)調(diào)查結(jié)果假定橋面擁堵20t貨車(chē)的情況下對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行了檢算并通過(guò)靜載試驗(yàn)對(duì)該情況下的橋梁安全進(jìn)行了驗(yàn)證。相關(guān)方法可對(duì)同類(lèi)橋梁通行安全評(píng)估具有借鑒參考意義。

2 工程概況

某石拱橋?yàn)?4×30m)空腹式石拱橋，為省道及城區(qū)重要的交通通道。橋面布置為1.5m(人行道凈寬)+8.85m(行車(chē)道)+1.5m(人行道凈寬)。上部結(jié)構(gòu)為單跨凈跨徑30m，凈矢高5.0m，凈矢跨比1/6的空腹式石拱橋。主、腹拱圈寬度為10.0m，主拱圈厚度0.8m，腹拱圈厚度0.3m。主、腹拱圈、橫墻、側(cè)墻采用M10砂漿砌Mu80粗料石；路面為混凝土鋪裝層。下部結(jié)構(gòu)：塊石砌體重力式橋墩、橋臺(tái)。橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

3 高峰期交通流量調(diào)查

3.1 車(chē)型分布

根據(jù)橋梁的交通流特點(diǎn)，分別確定 07：40～08：40、17：30～18：30為大橋的早、晚交通量高峰期。通過(guò)對(duì)橋梁高峰期交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，以獲取較準(zhǔn)確的交通量。

早高峰時(shí)段數(shù)據(jù)樣本中，平均每天早高峰共實(shí)測(cè)到412輛車(chē)輛數(shù)據(jù)，其中小型車(chē)共238輛，占全部流量的57%;中型車(chē)共122輛，占全部流量的 30%;大型車(chē)共45輛，占全部流量的11%；拖掛車(chē)共 7輛，占全部流量的2%。晚高峰時(shí)段數(shù)據(jù)樣本中，平均每天晚高峰共實(shí)測(cè)到484輛車(chē)輛數(shù)據(jù)，其中小型車(chē)共338輛，占全部流量的70%;中型車(chē)共102輛，占全部流量的21%;大型車(chē)共25輛，占全部流量的 5%；拖掛車(chē)共19輛，占全部流量的4%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)可以看出，過(guò)橋交通量中中型車(chē)以上的車(chē)輛分布相對(duì)較大。尤其是早高峰時(shí)段，共占全部流量的43%。各類(lèi)車(chē)型所占比例如圖2、圖3所示。

圖2 早高峰時(shí)段車(chē)型分布圖

圖3 晚高峰時(shí)段車(chē)型分布圖

3.2 高峰小時(shí)交通量

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)[3]，三級(jí)公路的服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以行駛延誤為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其設(shè)計(jì)通行能力按三級(jí)服務(wù)水平設(shè)計(jì)，一個(gè)車(chē)道的設(shè)計(jì)通行能力如表1。

表1 三級(jí)公路的設(shè)計(jì)通行能力

交通量換算采用小客車(chē)為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型，采取標(biāo)準(zhǔn)車(chē)折算。經(jīng)計(jì)算，早高峰時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)交通量Q早為532pcu/h，晚高峰時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)交通量Q晚為598pcu/h?？梢?jiàn)橋梁雙車(chē)道的通行能力為800～1400pcu/h，橋梁現(xiàn)有通行能力大于早晚高峰期小時(shí)交通量Q，表明目前橋梁橋面通行能力尚能滿(mǎn)足該路段正常早晚高峰期的通行要求。

4 橋梁承載能力檢算

從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃來(lái)看，若橋梁路段后期交通量增大，由于等候紅綠燈，以橋面擁堵總重20t的貨車(chē)(主要技術(shù)參數(shù)為前軸重70kN，后軸重130kN，軸距為4.0m，輪距為1.8m)，貨車(chē)以橫橋向3輛(橫向間距為1.5m)，縱橋向間距為1.5m的布置方式堵塞于橋面的情況，按橋梁各控制截面影響線進(jìn)行最不利情況下縱向布載，對(duì)該橋進(jìn)行承載能力檢算。

4.1 結(jié)構(gòu)分析模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立不考慮拱上建筑聯(lián)合作用的平面桿系模型，拱肋、腹拱、立墻、拱上填料和橋面采用梁?jiǎn)卧M。模型中腹拱、立墻簡(jiǎn)化為和主拱圈連接的梁?jiǎn)卧?，共劃?837個(gè)梁?jiǎn)卧ＤＰ椭泄吧咸盍喜捎秘Q向布置的梁?jiǎn)卧M，與主拱、腹拱及橋面兩端均采用鉸接，設(shè)置較小的剛度，拱上填料主要傳遞拱上結(jié)構(gòu)活載的作用。石材強(qiáng)度等級(jí)取Mu80，砂漿強(qiáng)度等級(jí)取M10，砌體受壓彈性模量E=7300MPa。塊石砂漿砌體軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd取1.14MPa，砂漿砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftmd取0.086MPa。橋梁有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)分析模型

4.2 荷載組合

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[4]進(jìn)行荷載組合計(jì)算。

①恒載：主拱圈、立墻、拱上填料、橋面鋪裝等。

②車(chē)輛荷載：橋面擁堵貨車(chē)情況。

③溫度作用：參考年溫度變化，以最高月平均溫度與拱圈合攏溫度之差作為升溫荷載計(jì)算依據(jù)，以最低月平均溫度與拱圈合攏溫差作為降溫荷載計(jì)算依據(jù)。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)第4.3.12條文規(guī)定，溫度作用效應(yīng)根據(jù)規(guī)范考慮0.7折減。由于缺乏舊橋設(shè)計(jì)、竣工等資料，參照以往的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)卦聹囟茸兓?，橋梁合攏溫度為15℃，月平均溫度最高為35℃，月平均溫度最低為0℃。該橋進(jìn)行承載能力檢算時(shí)，溫度作用考慮整體升溫20℃和降溫15℃。

組合Ⅰ=1.2恒+1.4車(chē)輛+1.12人群荷載；

組合Ⅱ=1.2恒+1.4車(chē)輛+1.12人群荷載+0.78溫度(升溫 20℃或降溫 15℃)。

4.3 承載能力檢算結(jié)果

依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)[5]對(duì)橋梁進(jìn)行承載能力檢算。橋面在20t貨車(chē)擁堵作用下，主拱圈拱頂截面、拱腳截面、L/4截面承載能力滿(mǎn)足安全使用要求，橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力滿(mǎn)足橋面擁堵貨車(chē)的使用要求，結(jié)構(gòu)處于安全承載的臨界狀態(tài)。承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 擁堵?tīng)顩r下拱肋正截面強(qiáng)度檢算

5 橋梁靜載試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)過(guò)程

隨機(jī)選取其中一跨作為試驗(yàn)對(duì)象。以橋面擁堵總重20t的貨車(chē)情況、人群荷3.5kN/m2的荷載為校驗(yàn)荷載，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，采用2輛38t后八輪加載車(chē)進(jìn)行分級(jí)加載，并通過(guò)布置荷載工況，使現(xiàn)場(chǎng)加載產(chǎn)生的內(nèi)力與校驗(yàn)荷載產(chǎn)生的理論內(nèi)力的比值符合 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)[6]要求。

靜載試驗(yàn)控制截面見(jiàn)圖5，試驗(yàn)跨跨中、L/4截面位置主拱圈等間距布置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，如圖6所示，加載及退載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后測(cè)讀撓度數(shù)據(jù)。工況一～工況三車(chē)輛加載順橋向布置圖詳見(jiàn)圖7～圖9，橫橋向加載根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況居中加載。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)控制截面的撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.65～0.74之間，滿(mǎn)足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[7]中規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求；相對(duì)殘余變形在0.00%～5.26%之間，滿(mǎn)足規(guī)范[7]規(guī)定的相對(duì)殘余變形限值要求(限值20%)，表面恢復(fù)情況良好。試驗(yàn)過(guò)程中主拱圈未見(jiàn)明顯異常。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁滿(mǎn)足橋面擁堵貨車(chē)、人群3.5kN/m2校驗(yàn)荷載下的安全使用要求。

圖5 控制截面(單位：cm)

圖6 截面撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖7 工況一車(chē)輛立面布置圖(單位：cm)

圖8 工況二車(chē)輛立面布置圖(單位：cm)

圖9 工況三車(chē)輛立面布置圖(單位：cm)

表3 各工況靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)既有石拱橋現(xiàn)狀的通行狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)、橋面擁堵情況下橋梁承載能力檢算以及橋梁靜載試驗(yàn)，綜合評(píng)定橋梁是否滿(mǎn)足通行安全要求，結(jié)論如下：

(1)既有橋梁通行安全評(píng)估應(yīng)基于現(xiàn)狀交通調(diào)查結(jié)果進(jìn)行檢算評(píng)定。本文通過(guò)對(duì)該橋通行車(chē)型分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、對(duì)高峰小時(shí)交通量進(jìn)行了計(jì)算。并針對(duì)橋面擁堵情況下對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行了檢算，最后通過(guò)靜載試驗(yàn)對(duì)擁堵情況進(jìn)行了安全驗(yàn)證的方法對(duì)既有橋梁的通行安全進(jìn)行了科學(xué)評(píng)估。

(2)目前橋梁橋面通行能力尚能滿(mǎn)足該路段正常早晚高峰期的通行要求，若突發(fā)交通量增大，交通管理部門(mén)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)采用分流疏導(dǎo)交通措施或調(diào)整信號(hào)燈的周期時(shí)長(zhǎng)，避免擁堵排隊(duì)至橋面。

(3)若后期交通量增大，通過(guò)調(diào)整紅綠燈信號(hào)燈的周期時(shí)長(zhǎng)已無(wú)法避免橋面堵車(chē)時(shí)，必須嚴(yán)格禁止總重超過(guò)20t的車(chē)輛于高峰期間通行橋梁，以確保橋梁安全。

[1]羅英，唐寰澄.中國(guó)石拱橋研究[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]徐圣祥.既有圬工拱橋檢測(cè)和評(píng)定方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010

[3]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTGB01-2014，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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.

[5]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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.

[6]中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[7]中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)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.