旧双曲拱桥承载能力评定的研究

林 鸣，陈 康，赵少杰

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008; 2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

双曲拱桥是1964年在我国首创并建成的。这种桥型以其特有的优点在公路桥梁建设中得到广泛应用［1］。近些年，我国双曲拱桥大部分已服役超过30 a，病害普遍较多。由于早期修建的双曲拱桥一般荷载等级都比较低，如何对服役桥梁进行安全评估，准确的判定双曲桥的实际承载能力，确保桥梁的安全运营成为了备受关注的话题。文章以邵阳市某老桥为工程依托，通过对该桥进行荷载试验，来对双曲拱桥的承载能力评定做具体的分析介绍。

1 双曲拱桥特点及内力分析理论

1.1 双曲拱桥的构造特点

双曲拱桥由主拱圈和拱上建筑组成。主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系构件等几部分组成，其外形在纵横两个方面均呈弧形曲线，故称双曲拱桥［2］。

双曲拱桥的构造特点主要体现在拱桥施工中的“化整为零”和“集零为整”的思想上，拱桥“化整为零”的思想就是将主拱圈分成拱肋、拱波、拱板几部分，分别施工。“集零为整”就是由拱肋、拱波、拱板组成组合截面。

1.2 双曲拱桥的内力分析理论

双曲拱桥结构形式、受力非常复杂，为多次超静定的空间结构。以空腹式拱桥为例，当荷载作用在桥面结构时，通过填料将荷载传给拱波和腹拱，拱肋接受拱波和腹拱墩传来的荷载再传给桥墩或桥台，相邻拱波和横系梁把拱肋联系在一起。

在对拱桥内力进行分析时，一般采用弹性理论;对荷载作用，首先要了解桥梁的荷载横向分布，再联合内力影响线，作为拱桥内力空间分布的一种近似的分析方法。有了内力影响线之后，即可按最不利荷载位置布载，以求得最大内力。本文吸取前人的成果，并采用MIDAS-civil软件中的空间梁格法来对拱桥建立整体模型并进行分析。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本文背景桥梁是320及207国道过境线宝庆路上的一座重要桥梁。桥梁跨越河流，建成于1965年，为5跨20 m混凝土双曲拱桥，桥梁全长125.00 m。

该桥沿桥横向布置10片拱肋，拱肋间距为1.35 m，各肋之间用横系梁增强横向联系;拱上建筑采用半空腹式拱式结构，各腹拱圈拱顶设置铰缝以适应拱上结构变形;下部结构采用重力式墩台。桥梁设计荷载等级为汽－15，挂－80。桥梁立面见图1。

2.2 病害介绍

经过现场详细外观检测，发现该桥主要病害为主拱圈拱脚位置出现U型贯通裂缝，缝宽在0.1～0.6 mm 之间，超过《规范》［3］允许范围(0.3 mm)，L/4L、L/2位置出现竖向裂缝，宽度在0.15 mm以下，未超限。另外，主拱波，腹拱波均不同程度出现纵向裂缝。见图2。

2.3 有限元模型的建立

本文计算采用桥梁专业分析软件MIDAS-civil，建立空间梁格法单元。全桥共建立结点数852个，单元数1 774个。模型采用虚拟梁单元模拟各拱肋之间横向联系，刚度近似等效为横隔梁及拱波的刚度，结构离散图如图3所示。

拱轴线的线形直接影响主拱圈截面内力的分布和大小，旧双曲拱桥可能存在着拱轴线形的变化，科学合理地拟合出实际的拱轴线对正确分析双曲拱桥受力起着至关重要的作用［4］。本桥修建年代久远，设计图纸缺失，且前期的运营拱轴线形已发生改变，为加强精确模拟桥梁真实状态，本次试验采用全站仪对拱桥主拱圈进行了线形测试，并对测得的离散数据进行了曲线拟合，得到了本文主拱圈模型，桥梁的材质参数选取以及钢筋位置分布均采用现场实测值。

图3 桥梁结构离散图

2.4 试验荷载方案

试验选择第1跨桥跨结构作为试验跨。选取拱顶和拱脚两个截面为控制截面，根据《规范》［5］按照汽－15，挂－80级荷载设计标准，在拱顶和拱脚等最不利位置布置试验车，试验分3个工况进行，每个工况采用分级逐步加载的方式进行，3个工况及荷载效率如表1所示;试验应变测试采用振弦式应变计，测点布置于A、B截面各拱肋下缘;挠度测量采用吊锤法，测点布置在A截面各拱肋上，采用高精度位移计在桥下测试荷载作用下拱肋挠度。见图4。

表1 加载内容、静力荷载效率、加载车数一览表

2.5 承载能力分析及评定

2.5.1 位移结果比较分析

为了了解拱肋在荷载作用下的变形情况以及桥梁的横向刚度，桥面标高测试已经无法满足精度要求，故试验在全桥10片拱肋拱顶都布置了挠度测点，根据实测情况结合理论计算对试验数据进行对比分析，可以看到各测点挠度实测值均小于理论值且规律基本一致，如图5～图8所示;从表2主要挠度测点数据分析可以看到，荷载作用下桥梁挠度校验系数在0.51～0.70之间，满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定。另外卸载后本桥的相对残余挠度系数0.09～0.38之间，部分测点超过了《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定限值(0.20)，出现了残余值大于0.20的点，表明桥梁弹性工作状态较差。图7和图8所示的是桥梁在满载时的横向分布系数对比。由图挠度横向分布曲线与计算值曲线形态存在一定差异，尤其拱顶截面偏载工况下差异较大，说明桥梁整体横向刚度偏弱，产生的原因与拱波纵向严重开裂有关。通过对各工况下拱脚水平位移的检测，发现最大水平位移为0.38 mm，变形较小，对结构受力影响可以基本忽略。

图4 应变、挠度测点布置图(单位:m)

表2 主要测点挠度数据 mm

2.5.2 应变结果比较分析

主要应变测点数据结果以及实测与理论值对比如图9、图10以及表3所示。由图示数据可得出本桥的应变校验系数在0.42～0.53之间，满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定。另外通过对卸载后本桥的残余应变测量分析，得出主要测点相对残余应变系数0.07～0.31。出现了残余值大于0.20的点，表明截面弹性工作状态较差。

表3 主要测点应变数据

2.5.3 裂缝扩展分析

在工况Ⅰ荷载作用下对已存在的典型裂缝(如L/2位置拱肋下缘收拉区裂缝、拱脚竖向裂缝上缘收拉区裂缝)进行了对比观测，观察其加载前、满载、卸载后宽度变化情况，观测位置与加载前观测位置一致。表4数据表明，5条被监测裂缝加载后均有变大的趋势，卸载后裂缝与加载前相比有略微扩展，其中最大差值为0.04 mm，说明桥梁弹性恢复能力一般。

表4 加载前后裂缝宽度变化表 mm

3 结论

1)采用MIDAS-civil软件空间梁格法对双曲拱桥进行建模分析，更加真实的模拟了双曲拱桥的整体受力状态。

2)针对修建年代久远且设计图纸缺失的双曲拱桥，文章采用实测的拱轴线线形和实测的桥梁材料参数建模，提高梁计算的精确性和可靠度。

3)本文荷载试验挠度测量采用吊锤方式，在桥下安装位移计对每片肋的挠度进行测试，精度达到0.01 mm，相比常规的桥面水准测量更加准确地反映出桥梁实际下挠以及横向连接状态。

4)本文工程背景邵阳市某双曲拱老桥拱肋、拱波开裂严重，桥梁的横向联系不足，结构弹性工作状态较差，但是实测桥梁挠度和应变校验系数均满足设计要求，这也是目前我国旧双曲拱桥比较常见的问题，笔者根据多年对双曲拱桥荷载试验的经验，发现虽然多数双曲拱桥外观状况较差，但是在拱脚位移较小且拱轴线形正常的情况下其承载能力仍能基本满足设计要求，这说明以前用弹性理论对桥梁进行设计受力分析是偏安全的，承载能力较设计荷载等级往往有较多富余量，同时也说明对于这种桥型仅凭外观检测结果对桥梁承载能力是否满足设计要求进行评定是不合理的。

［1］姚玲森.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［2］王晓阳，赵人达.危旧双曲拱桥的内力分析［J］.工程设计CAD与智能建筑，2001(9):59－60.

［3］JTG H11－2004，公路桥涵养护规范［S］.

［4］葛素娟，陈 淮，董建华.双曲拱桥承载能力评估［J］.河南科学，2004(1):108－112.

［5］JTG D60－2004，公路桥涵设计通用规范［S］.