大跨度石拱桥承载能力检测评定

赵铭伟

(山西省交通科学研究院　太原　030006)

大跨度石拱桥承载能力检测评定

赵铭伟

(山西省交通科学研究院太原030006)

摘要基于我国大量石拱桥修建历史久远且交通运营需求不断提高的现状，亟须对这些老石拱桥的承载能力和健康状况进行准确的评价。以某石拱桥为例，利用Midas软件建立有限元分析模型，对其结构承载能力进行验算，并按照现行规范进行荷载试验，以及相应的分析，为桥梁养护部门做出合理的决策提供依据。

关键词石拱桥承载能力结构验算荷载试验

某桥建于1971年，为2×50 m+1×10 m的石拱桥，桥面净宽6.4 m，全长137.5 m；桥面横向布置为0.5 m(栏杆)+6.4 m(车行道)+0.5 m

(栏杆)；桥梁设计荷载为汽车-15级，桥梁修建年代较早，设计、竣工资料缺少。图1为该桥立面图。

图1　立面图(单位：cm)

1结构验算

1.1　主要计算参数

由于桥梁修建年代较早，无设计、竣工资料，故通过钻取石料心样，推定石料标号为40号粗料石。按照《公路圬工桥涵设计规范》[1]规定，7.5号砂浆砌40号粗料石砌体抗压极限强度为7.5 MPa；又根据《公路桥涵设计通用规范》[2]，本桥不计冲击力，截面材料参数取值见表1。

表1　主要材料参数取值表

1.2软件计算分析

采用有限元结构分析程序Midas软件对结构进行分析，本检算模型采用实测拱轴线的拟合曲线，通过对实测拱轴线坐标进行拟合，得出以下结论：主拱圈净跨径为50 m，净矢高为10 m，拱轴线与模数(m=2.514)的悬链线基本一致。拱轴线的测试结果表明桥跨结构的几何线形良好，无明显变位。

将上述桥梁结构进行离散，全桥单元划分结果为：单跨主拱圈划分116个单元，2跨共计232个单元；第3跨划分10个单元；腹拱各划分8个单元；全桥结构共计401个单元，图2为全桥结构离散图。

图2　结构计算模型示意图

1.3　技术状况评定

根据外观检查结果，该桥主要病害为：主拱圈拱肋条石表面风化，第1，2跨的主拱圈拱腹拱脚处均有少量纵向裂缝。腹拱砌缝存在砂浆脱落、风化、渗水、钙化等病害。

根据《公路桥梁技术状况评定标准》[3]对该石拱桥进行技术状况评定，该桥技术状况评分为72.7分，评定为3类，即有中等缺损，尚能维持正常使用功能，见表2。

表2　桥梁技术状况评定表　分

1.4结构检算

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[4]及桥梁荷载试验结果：截面应变校验系数在0.18～0.76之间，截面挠度校验系数在0.39～0.46之间。考虑到上部结构石料渗水、风化状况严重，综合分析取检算系数Z2为1.00。

根据检查结果和评定规程，构件截面损伤评定标度R=3.0，构件截面折减系数ζc=0.93。

根据规范取相应的组合系数，对于结构自重的荷载安全系数，当其产生的效应与汽车或挂车产生的效应同号时，γ恒=1.2；异号时，γ恒=0.9。为验证2跨主拱圈正截面受压强度是否满足汽车-15级、挂车-80的使用要求，以第一跨为例，考虑荷载在以下3种荷载组合下该桥梁极限承载能力及偏心距。

组合I。1.00×1.0×(γ恒×恒载+1.4×汽车)。

组合II。1.00×0.8×(γ恒×恒载+1.4×汽车+1.4×温度)。

组合III。1.00×0.8×(γ恒×恒载+1.4×挂车)。

在各荷载组合下主拱圈控制界面极限承载能力及偏心距检算结果见表3~表5。

表3　组合I下控制截面极限承载能力及偏心距检算表

注：偏心限为0.25 m。

表4　组合II下控制截面极限承载能力及偏心距检算表

注：偏心限为0.3 m。

表5　组合III下控制截面极限承载能力及偏心距检算表

注：偏心限为0.3 m。

表3~表5表明，该桥目前状况下3跨主拱圈正截面受压强度满足汽车-15级、挂车-80的使用要求。

2荷载试验

2.1　实验内容

本次静载试验选取质量较差的第一跨主拱圈进行，针对该桥梁的结构特点，选取第一跨主拱圈的拱脚截面、1/4截面及拱顶截面作为试验测试截面。

2.2　试验工况及加载效率

根据试验内容和计算分析结果，本次静载试验各工况的荷载效率见表6。

表6　试验截面各工况加载效率

采用35 t加载车在控制断面的内力影响上等效加载，本次大桥试验截面荷载效率满足相关规范规定的要求。

2.3　各工况车辆加载位置

各工况的加载车辆布置图见图3。

a)　工况1、工况2车辆纵向布置图

b)　工况3车辆纵向布置图

c)　工况4车辆纵向布置图

d)　工况1~工况4横桥向车辆布置

2.4　静载试验结果

(1) 应变测试结果。在拱圈表面粘贴应变片，以静态电阻应变仪自动扫描观测主拱圈应变。在最大试验荷载作用下，主拱圈各控制截面应变观测结果见表7~表9(其中1/4正弯(B-B)工况观测结果从略)，表中应变符号受拉为正，受压为负。

表7　主拱圈拱顶最大正弯截面(A-A)加载工况应变观测结果

由表7可见，在试验荷载作用下，主拱圈拱顶最大正弯截面(A-A)加载工况下截面各应变测点校验系数范围为0.16～0.69；卸载后的相对残余应变均小于20%。

表8　主拱圈1/4负弯截面(B-B)加载工况应变观测结果

由表8可见，在试验荷载作用下，主拱圈1/4负弯截面(B-B)加载工况下截面各应变测点校验系数范围为0.10～0.35；卸载后的相对残余应变均小于20%。而正弯(B-B)加载工况下截面各应变测点校验系数范围为0.18～0.76；卸载后的相对残余应变均小于20%。

表9　主拱圈拱脚最大负弯截面(C-C)工况应变观测结果

由表9可见，在荷载作用下，主拱圈拱脚最大负弯截面(C-C)加载工况下截面各应变测点校验系数范围为0.17～0.59；卸载后的相对残余应变均小于20%。

由表7~表9可见，在试验荷载作用下，试验截面各测点应变校验系数范围为0.16～0.76，卸载后的相对残余应变未超过20%，各应变实测值均小于相应理论计算值，表明受检桥跨的实际强度在现有状态下满足规范要求。

(2) 挠度测试结果。在最大试验荷载作用下控制截面挠度观测结果见表10和表11，挠度符号规定向下为正，向上为负，挠度单位为mm。

表10　工况1挠度测试结果及校验系数表

表11　工况3挠度测试结果及校验系数表

由表10和表11可见，在试验荷载作用下，各控制截面挠度校验系数范围为0.39～0.46；卸载后的相对残余变位均小于20%，各挠度实测值小于相应理论计算值，表明受检桥跨主梁处于弹性工作状态，实际刚度在现有状态下满足规范要求。

3结论

(1) 利用有限元软件Midas Civil建立模型，进行结构检算，结果表明该桥目前状况下3跨主拱圈正截面受压强度满足汽车-15级、挂车-80使用要求。

(2) 在试验荷载作用下，试验截面各测点应变校验系数范围为0.16～0.76，卸载后的相对残余应变未超过20%，各应变实测值小于相应理论计算值，表明受检桥跨的实际强度在现有状态下满足规范要求。

(3) 在试验荷载作用下，各控制截面挠度校验系数范围为0.39～0.46；卸载后的相对残余变位均小于20%，各挠度实测值小于相应理论计算值，表明受检桥跨主梁处于弹性工作状态，实际刚度在现有状态下满足规范要求。

(4) 对老的石拱桥进行荷载试验时，首先要进行结构验算，在结构满足承载能力要求下，才可以进行荷载试验。通过有限元软件Midas Civil计算出的应力和挠度与实测的应力和挠度比较接近，基本上满足精度要求，为养护单位做出合理的养护和加固决策提供依据。

参考文献

[1]JTG D61-2005公路圬工桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]JTG/T J21-2011公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]JTG/T H21-2011公路桥梁技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社，2011.

收稿日期：2015-05-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.014