旧实腹式石拱桥承载能力评定

梁金华

云南浩海建设集团有限公司（650215）

旧实腹式石拱桥承载能力评定

梁金华

云南浩海建设集团有限公司（650215）

为评定洛河大桥的承载能力，对该桥进行了静载试验，并利用桥梁结构专用分析程序MIDAS CIVIL进行了有限元分析。根据理论分析和试验所确定的材料力学参数，可用于对此类结构的分析评定工作。综合分析表明，桥跨结构在设计荷载作用下处于弹性工作阶段，其刚度和承载能力满足设计要求。

石拱桥；静载试验；有限元

0 前言

石拱桥是一种古老的桥梁形式，迄今已有几千年的建造历史。目前建造新的石拱桥作为主要桥梁使用的情况已不多见，但在对现有道路系统进行承载力升级改造时经常需要对现存的大量石拱桥进行综合性能评估，以判断其使用寿命或进一步发挥其潜力。同时，许多石拱桥作为重要的历史文物，也需要妥善保护或进行修复。所以，有必要对这种桥梁形式做进一步的探讨和研究[1]。

在石拱桥存在和发展的历史阶段内，其设计与施工都是基于工匠的实践经验，真正运用科学的方法来设计分析石拱桥只有300年左右的时间[1]。

这里结合一座三孔实腹式石拱桥的静载试验，运用有限元方法对该桥进行了综合分析，其结果可以为类似桥梁的评估作参考。

1 桥梁介绍

洛河大桥位于陕西省境内,建成时间较早,技术资料缺失。根据桥梁结构形式判断，该桥于20世纪60年代建成。该桥全长110 m，桥跨组合采用3 m× 35 m的实腹式石拱桥，矢高6.9 m，桥面全宽7 m，人行道宽为1.5 m。根据同年代桥梁的设计荷载，推定该桥的设计荷载为汽—13，拖—60。

该桥自建成后已经运营了近50年,并作为重要的城市公路桥梁使用至今。随着城市改造的进行，交通流量和车辆荷载等级不断增大，为了确保该桥的安全性和适用性,为养护工作提供科学依据,技术人员对洛河大桥进行了一次比较全面的结构分析和静载试验。

2 静载试验

根据道路通行标准，静载试验采用280 kN载重汽车（车重+荷重）2辆。测试工况为跨中加载，负荷较小的车辆前轴朝向拱跨中。根据理论计算，荷载加于第一孔1/4跨度处会对结构的作用更为不利。加载车辆沿行车道横向等距布置。

量测内容包括第一孔1/4跨度处挠度和拱脚处的纵向水平位移。为了确保测量的精度，沿桥的纵向共选择了2个截面，使用固定于河床的位移计量测。量测方案是在加载前后，分别观测第一孔1/4跨度处挠度和拱脚纵向水平位移读数，以掌握拱和基础的变形及其恢复情况。同时，在试验中还密切注意观察拱圈是否有异常的破坏现象发生。

试验结果表明，在试验荷载下拱脚纵向水平位移很小，在20 μm以内，可以忽略不计。第一孔1/4跨度处相对最大竖向变位实测最大值为1.12 mm，挠跨比为1/31 250，与规范[2]中关于拱桥1/1 000的挠度限值相比，完全满足要求。试验荷载卸除以后，拱圈的挠度基本得到了完全恢复，说明在汽-13荷载作用下，该桥大部处于弹性工作阶段。

3 有限元模型分析

3.1 有限元模型

根据桥梁结构形式，采用桥梁结构分析专用程序MIDAS CIVIL 2010进行建模和分析。全桥共分为64个梁单元，结构离散模型如图1所示。

图1 结构离散图

材料的线弹性模量对计算石拱桥变形及各部分的相互作用影响很大。由于石拱及填料为非均匀不连续材料，很难通过实测的方法直接得到其弹性模量。这里采用的方法是根据现场静载试验的结果来调整有限元模型的弹性模量参数，使活荷载下的跨中挠度实测值与计算值相一致。由此得到的石材弹性模量为57.6 GPa，此数值可以用于类似结构的分析。

表1 四分点截面中载测点相对最大竖向变位比较

3.2 计算结果

有限元计算的主要结果如表1所示。试验荷载下,拱圈最大竖向位移发生在第一孔四分点截面处。

图2 四分点截面中载相对最大竖向变位横向分布

3.3 结果分析

根据表1和图2可得到以下结论：

中载作用下，校验系数最大值为0.15，最小值为0.14，平均值为0.15。挠度校验系数在常值范围内，结构整体刚度较大。

4 结论及建议

4.1 结论

在相当于汽—13、拖—60的试验荷载作用下，测试截面挠度实测值远小于理论计算值，说明桥梁整体刚度远大于计算模型，桥梁拱上填料参与受力作用明显，减小了主拱圈的内力与变形，也说明了该桥梁有一定的承载潜力。

综合分析表明，桥跨结构在设计荷载作用下处于弹性工作阶段,其刚度和承载能力满足设计要求。

4.2 建议

由于该桥建设年代较久，材料力学性能可能会退化，根据试验测试结果，该桥可以通行的荷载标准为汽车—15级，挂车—80。严禁超过55 t的重车通行，低于该吨位的重车通行时也应全桥单辆车通行，中慢速行驶。

[1]聂建国,樊健生.700年石拱桥的静力加载试验与结构分析[J].清华大学学报（自然科学版），2003.

[2]中华人民共和国交通部.JTJ 022-85,公路砖石及混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社,1985.