由于橋型美觀、取材方便、承載潛能較大等優(yōu)勢,我國南方地區(qū)早期建造了大量中小跨徑實腹式圬工拱橋。但目前在役的實腹式圬工拱橋建造時的設計荷載已不滿足當前道路荷載,且普遍已存在明顯的外觀病害,此類橋梁承載能力日益受到人們的重視。以南方某實腹式圬工拱橋為例,通過橋梁外觀病害檢查及實測基頻分別對橋梁技術狀況和橋梁剛度進行評定,在此基礎之上,根據(jù)規(guī)范以有限元分析軟件MIDAS建模驗算不同等級荷載作用下其承載能力是否滿足,進一步確定其車輛荷載限載。
實腹式圬工拱橋; 有限元分析; 承載能力; 限載
U445.7+1A
工程結構工程結構
[定稿日期]2023-03-24
[作者簡介]高智樂(1989—),男,碩士,工程師,研究方向為橋梁試驗檢測。
1" 工程概況
某南方城市兩跨實腹式圬工拱橋,建設年代不詳,且由于歷史原因缺乏橋梁竣工圖紙等檔案資料。附近公交總站出入大巴必經(jīng)該橋,且該橋偶有重車通過,橋梁管養(yǎng)部門為確保橋梁安全運營,擬對該橋進行限載通行。
由于缺乏資料,相關計算數(shù)據(jù)均需現(xiàn)場實測,經(jīng)實測得:該橋跨徑組合為16.0 m+16.0 m,主拱圈厚度為0.7 m;橋面總寬9.0 m,橫向布置為0.2 m混凝土護欄+0.8 m人行道+7.0 m行車道+0.8 m人行道+0.2 m混凝土護欄;護欄高1.3 m。橋梁立面見圖1。
2" 外觀主要病害
經(jīng)外觀檢查發(fā)現(xiàn),橋面鋪裝層存在多處橫向開裂,主拱圈底部存在多處滲水、析白,局部勾縫存在脫空,且有大量修補痕跡(圖2、圖3)。按照規(guī)范該橋技術狀況等級評定為B級。
3" 計算參數(shù)與模型
由于該橋缺乏設計圖紙等相關資料,有限元建模計算所需主要技術參數(shù)基于現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),或依據(jù)相關規(guī)范采用一定假設。
(1)為測量該橋主拱拱軸線,通過0.5級全站儀沿跨徑方向按1 m間距等分測量拱底邊緣測點的相對高程,然后通過曲線擬合獲得該橋主拱拱軸線。
(2)為保守起見,主拱圈材料按照JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規(guī)范》[1]3.3.1規(guī)定,取M7.5砂漿砌MU50石材;拱上填料假定采用M5砂漿砌片石材料,重度取20 kN/m3;橋面板采用C20混凝土。計算模型各材料參數(shù)見表1。
利用有限元軟件MIDAS CIVIL2020對該橋進行建模計算,共計204節(jié)點、267單元,以梁單元模擬主拱圈、拱上填料及橋面板,計算模型渲染圖見圖4。
根據(jù)JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規(guī)范》5.1.1,不考慮拱上填料與主拱圈的聯(lián)合作用,計算模型中拱上填料僅向主拱圈傳遞豎向作用力。
4" 動載試驗
在橋面、橋址附近無規(guī)則振源的情況下,利用北京東方所研發(fā)的云系列INV3068型智能采集儀及配套豎向振動拾振器采集橋跨結構測點位置處豎向振動加速度。經(jīng)快速傅立葉變換,綜合分析處理獲取結構一階自振頻率為10.74 Hz,
大于理論計算值5.58 Hz(圖5),表明結構實際剛度大于計算值。
工程結構高智樂: 基于承載能力驗算確定圬工拱橋限載的研究
5" 主拱承載能力驗算
5.1" 驗算方法說明
由于該實腹式圬工拱橋主要承受豎向荷載,可僅考慮在主拱橫斷面內(nèi)的豎向偏心受壓,即以單向偏心受壓構件進行驗算。根據(jù)JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規(guī)范》,主拱截面承載力驗算關鍵在于判斷偏心距值是否大于規(guī)范表4.0.9規(guī)定限值。對于本橋主拱,考慮基本組合作用時其偏心距限值e=0.21 m。
(1)砌體受壓構件,軸向力偏心距在規(guī)范限值內(nèi)時,單向偏心受壓構件承載能力按式(1)進行計算:
γ0Nd<φAfcd(1)
式中:γ0為結構重要性系數(shù),本橋取值1.0;Nd為軸向力設計值;φ為構件軸向力的偏心距e和長細比β對受壓構件承載能力的影響系數(shù);fcd為砌體或混凝土軸心抗壓強度設計值;A為構件截面面積。
(2)當軸向力偏心距超過規(guī)范限值內(nèi)時,單向偏心受壓構件承載能力按式(2)進行計算:
γ0Nd≤φAftmdAeW-1(2)
式中:e為單向偏心時,軸向力偏心距;W為單向偏心時,構件受拉邊緣的彈性抵抗矩;ftmd為構件受拉邊層的彎曲抗拉強度設計值。
5.2" 驗算荷載
根據(jù)交通運輸部辦公廳關于修訂印發(fā)《公路橋梁信息公示牌設置要求》和《公路橋梁限載標志設置要求》的通知(交辦公路〔2021〕20號),該橋附近其他主線道路橋梁已設置限載牌為總重30t,軸重13 t(滿足JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規(guī)范》汽車-20級荷載需求)。為能夠與附近其他主線橋梁限載統(tǒng)一,擬分別驗算“89規(guī)范”汽車-20級、汽車-15級和汽車-10級3種移動荷載,取其承載能力滿足的最大荷載為限載值。驗算荷載詳見表2。
綜合該圬工拱橋表觀缺損狀況、自振頻率等指標的評定結果,該橋承載能力檢算系數(shù)評定標度D值為1.4,根據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[2]7.1.6條說明,可不必進行正常使用極限狀態(tài)評定計算,本次驗算僅考慮承載能力極限狀態(tài),采用荷載基本組合進行驗算。
由于主拱結構不受太陽直射,對于該橋可不考慮溫度梯度作用,僅考慮系統(tǒng)整體升降溫,且根據(jù)JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規(guī)范》5.1.8條說明,荷載組合中乘以0.7的折減系數(shù);此外根據(jù)以上規(guī)范5.1.10條說明,荷載組合時墩臺位置不均勻沉降作用效應乘以0.5的折減系數(shù)。
5.3" 驗算結果
通過有限元軟件MIDAS CIVIL2020分別計算汽車-20、汽車-15及汽車-10車輛荷載作用下,主拱最大軸力及彎矩包絡分別見圖6~圖8。
根據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》7.7.1條說明,該橋主拱按偏心受壓構件取承載能力檢算系數(shù)Z1=1.13。
對主拱拱頂、拱跨3/8、拱腳截面進行驗算,驗算結果見表3~表5。由驗算結果可知,在汽車-20級荷載組合作用下,該橋主拱拱腳處由于出現(xiàn)大偏心受壓的受力狀態(tài),軸力偏心距大于限值0.21,根據(jù)公式(2)計算其承載能力出現(xiàn)嚴重不足;在汽車-15級荷載組合作用下,1#跨0#臺拱腳截面同樣因出現(xiàn)大偏心受壓,承載能力出現(xiàn)嚴重不足。
而在汽車-10級荷載組合作用下,該橋主拱截面整體滿足小偏心受壓的受力狀態(tài),承載能力尚可滿足,拱腳位置安全系數(shù)最小分別為1.2。
6" 結論
通過對該圬工拱橋進行專項檢查及承載能力驗算,可得幾點結論:
(1)該橋主要外觀病害為橋面鋪裝層存在多處橫向開裂;主拱底面存在多處滲水析白,且有大量修補痕跡。
(2)通過動載試驗測得該橋基頻大于理論計算值,表明其剛度大于理論計算值。
(3)在汽車-20及汽車-15級荷載組合作用下,該橋主拱拱腳可能存在大偏心受壓的受力狀態(tài),拱腳截面承載能力也因此會陡然下降,出現(xiàn)嚴重不足;而在汽車-10級荷載組合作用下,該橋主拱截面整體滿足小偏心受壓的受力狀態(tài),承載能力尚可滿足,拱腳位置安全系數(shù)最小分別為1.2。
7" 建議
根據(jù)橋梁外觀檢查情況及驗算結論,針對該橋提出幾點建議:
(1)建議橋梁管養(yǎng)部門加強該圬工拱橋養(yǎng)護工作,及時處理橋面鋪裝開裂病害,改善橋面排水,避免雨水持續(xù)下滲導致主拱圈受到長期侵蝕。
(2)建議按照汽車-10級荷載標準進行限載,根據(jù)交通運輸部辦公廳關于修訂印發(fā)《公路橋梁信息公示牌設置要求》和《公路橋梁限載標志設置要求》的通知(交辦公路〔2021〕20號),限載為總重15 t、軸重10 t。
參考文獻
[1]" 公路圬工橋涵設計規(guī)范: JTG D61-2005[S].北京:人民交通出版社,2005.
[2]" 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程: JTG/T J21-2011[S].北京:人民交通出版社,2011.
[3]" 彭超恒.基于MIDAS的橋梁安全檢測評估[J].建設科技,2021(432):83-86.