圬工双曲拱旧桥承载力计算分析

兰国冠

(龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012)

0 引 言

双曲拱桥是20 世纪六七十年代发展起来的一种桥梁形式，其施工较简单，造价较低，其中，圬工桥以圬工材料作为主要建造材料，其制材方便且价格较低，较钢筋混凝土结构节约水泥和钢材，且节省木材(一般不用模板).但早期修建的圬工双曲拱桥大都存在荷载等级比较低且整体性较差，施工质量变异较大［1－2］，部分桥梁因营运年代较久，随着交通流量的不断增加，都出现了不同程度的病害［3－4］.因此，对这类桥梁进行承载力计算分析，对于制定维修及设计加固措施、保障桥梁结构安全有着重要意义.本研究以某圬工双曲拱桥为研究对象，针对该桥修建年代较久、桥面外观状况较差的状况，直接对其进行试验加载存在较大风险，故在加载前先对其进行静力计算分析显得尤为重要，此类计算分析对桥梁状态的评估和加固也有现实的意义.

1 工程概况

作为研究对象的圬工双曲拱桥(见图1)建于1972年，为3 波4 肋双曲圬工拱桥，全长77.5 m，拱肋尺寸为宽15.6 cm，高55 cm，拱肋间距为1.45 m，共6 孔，其中5 跨净跨为13.5 m，第六跨为5 m，桥面净宽为5 m 及人行道桥栏杆;设计荷载按汽-15、汽-13 计算(其中，汽-13 指的是标准车质量为13 t，汽-15 指的是标准车质量为15 t)，桥面有铺设18 cm 厚的混凝土铺装层，拱上建筑有横墙、侧墙、侧墙帽、护拱、砂砾石填料、钢筋混凝土桥面、人行道板及栏杆等.由于该桥设计荷载等级较低，现已实际营运40 多年，且近年过往车辆的数量和载重量都越来越大，为确保该桥能继续安全使用，需要对该桥进行全面的检查、试验和评估.尽管桥梁试验可以在桥梁重要受力部位测试应力和变形，但该桥原始设计资料缺失，直接对其进行试验加载存在较大风险.因此，在加载前首先通过有限元方法建立桥梁整体分析模型，对其进行静力计算分析，得到桥梁重点部位的应力和变形状态，可为桥梁承载力的预估与评价提供重要参考数据.

图1 圬工双曲拱桥图

2 理论计算

2.1 计算模型

桥梁结构在设计荷载作用下，表现为空间受力.为了准确分析该圬工拱桥在后期恒载和设计荷载下的结构反应，本研究对其采用了MIDAS 有限元软件进行分析.

取汽-13、汽-15 2 种荷载对桥梁进行移动荷载加载，得荷载基本组合下该拱桥的上表面或下表面内力图，并以此与现场回弹混凝土及砂浆强度相比较.

本研究在建立双曲拱桥有限元分析模型时考虑了拱上建筑的共同作用，将主拱圈与腹拱等结构建立统一的有限元模型［4］.腹拱立墙具有较大的刚度，模型中立墙简化为和主拱圈刚性连接的板单元;桥面加铺的18 cm 厚的混凝土铺装层，作为桥面板的一部分以实体单元输入.多孔双曲拱桥在荷载作用下，各拱墩结点易产生水平位移及转角，桥墩结点的水平位移及转角会引起拱圈内力的改变.同时，模型中还包括中间桥墩结构.

根据现场测量尺寸建立有限元空间模型，理论分析计算采用大型结构分析商用程序MIDAS 完成.采用梁单元、实体单元及平面板单元建立桥梁上部承重结构，单元分割时，拱助采用梁单元，桥面采用板单元，横向分为4 段，纵向分成25 段，桥面与拱助间用实体单元填充，自动划分实体网格，有限元分析模型如图2、图3 所示.

图2 拱肋与拱波有限元分析模型示意图

图3 圬工双曲拱桥有限元分析模型示意图

2.2 静载分析

2.2.1 静力试验荷载确定方法.

按照横向最不利位置确定车道与试验车辆的横向位置，并以跨中拱肋弯矩值为荷载控制值，调整试验车辆的纵向布置，使结构试验荷载效率满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》的要求，并按照上述分析方法求解结构的等效荷载反应及试验荷载效率系数［5－9］.

2.2.2 静载分析结果.

对不同加载等级下的工况进行理论计算分析，加载位置如图4 所示，拱肋拱波结构的变形与应力如图5 ～图8 所示.

图4 车道加荷载图示(汽-13 荷载、汽-15 荷载)

图5 汽-13 荷载标准下的位移图

图6 汽-13 荷载标准下的应力图

图7 汽-15 荷载标准下的位移图

图8 汽-15 荷载标准下的应力图

取汽-13 荷载，计算得荷载基本组合下主拱圈各截面的上表面或下表面内力见表1.由计算可知，在汽-13 荷载基本组合作用下，拱脚混凝土最大应力为4.71 N/mm2，与现场回弹混凝土及砂浆实测强度相比，承载能力不能满足要求.

取汽-15 荷载，计算得荷载基本组合下主拱圈各截面的上表面或下表面内力见表1.由计算可知，在汽-15 荷载基本组合作用下，拱脚混凝土最大应力为4.72 N/mm2，与现场回弹混凝土及砂浆实测强度相比，承载能力不能满足要求.

表1 汽-13、汽-15 作用下拱肋各截面处应力值(单位:MPa)

3 结 论

通过对某圬工双曲拱桥在设计等效荷载作用下桥跨典型控制截面的应力和变形进行理论分析得出以下结论:

1)对圬工双曲拱桥建立空间有限元模型分析得出了其加载后的内力变化，并与现场回弹混凝土及砂浆实测强度进行比对，此类计算分析为其实际承载力的评定及选择维修加固方案提供了可靠的依据.

2)计算结果表明，该桥目前的承载能力已不能满足设计规范及实际营运要求，在设计荷载下已处于非安全状态.

［1］王灿，朱新实.双曲拱桥病害原因分析及处治对策的研究［J］.公路，2002，47(11):74－76.

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