中小跨径空腹式拱桥腹拱病害评价方法

陶庆东，肖盛燮

(1.绵阳职业技术学院建筑工程系，四川 绵阳 621000；2.重庆交通大学土木建筑学院， 重庆 400074)



中小跨径空腹式拱桥腹拱病害评价方法

陶庆东1,2，肖盛燮1

(1.绵阳职业技术学院建筑工程系，四川 绵阳 621000；2.重庆交通大学土木建筑学院， 重庆 400074)

摘要：现有的公路桥梁技术状况评定标准没有对空腹式拱桥腹拱、立柱出现的病害进行评价，在一定程度上提高了空腹式拱桥的总体技术状况评定分数及技术状况等级，导致在桥梁维修加固时忽略对腹拱病害进行处理，达不到对桥梁进行维修加固的目的。为得到更为合理的总体技术状况评定分数及确定技术状况等级，从自重应力、脉冲激励、车辆荷载等方面对比腹拱与主拱在应力的计算结果，得到拱桥腹拱、立柱病害应扣除的比较合理的分数，并通过在实例上进行应用研究，得到更为准确的桥梁总体技术状况评定分数。

关键词：空腹式拱桥；腹拱；检测病害；拱圈； 建议评价

拱桥是一种外形美观、造价低廉的桥梁形式，具有施工时不需要大型的吊装设备、跨径可以根据跨越的沟渠、中小河流进行调整的特点。重庆于上世纪八九十年代建成了大量的中小跨径拱桥。经过多年使用，并随着交通的迅猛发展，超重车的增加，这些拱桥损坏严重，需要对其病害进行检测，以制订合理的维修加固方案。通过对重庆市大量的拱桥病害进行检测发现，中小跨径空腹式拱桥主拱圈、腹拱、腹拱立墙等出现风化、渗水、泛碱的病害较为常见，主要是由于早期拱桥未设排水系统及设置的排水系统损坏所致，这些病害在很大程度上影响了空腹式拱桥的耐久性、使用寿命及结构受力性能等；但现有的JTGT H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》[1]并未对空腹式拱桥腹拱、腹拱立墙出现的病害[2-3]进行评价，从而在一定程度上提高了空腹式拱桥的总体技术状况评定分数，提高了空腹式拱桥的技术状况等级，导致在桥梁维修加固时忽略对腹拱的病害进行处理，达不到对桥梁进行维修加固的预期目的。本文以重庆某空腹式板拱桥为工程实例，从自重应力、脉冲激励、车辆荷载以及地震荷载等方面研究腹拱对空腹式拱桥的贡献，并对腹拱所受的应力与主拱进行比较，提出腹拱在拱桥病害检测中应该扣除的分值，得到更为合理的空腹式拱桥的总体技术状况评定分数[4]，进而确定技术状况等级，为空腹式拱桥维修加固提供理论指导。

1工程实例

1.1工程概况

土桥，位于重庆市省道S104南川区，建于1995年，是一座单跨空腹式石板拱桥。桥梁全长52 m，净跨40 m，桥宽13.7 m，车行道宽11.7 m，拱圈跨径40 m。本桥上部结构由拱圈、拱上结构和钢筋混凝土梁板组成，拱圈和拱上侧墙均由砌体(条石)浆砌而成，净跨40 m。下部结构由桥台、基础组成；桥墩台由砌体(条石)浆砌而成，桥台为重力式U形桥台，墩台基础均为扩大基础，未设置墩台防护设施、锥坡、翼墙及调治构造物，图1为土桥的南立面图。图2、图3为空腹式拱桥腹拱常见病害。

图1　土桥南立面图

图2　1#腹拱及1#立墙下游侧渗水

图3　1#腹拱局部灰缝脱落

笔者认为腹拱对于整个上部结构受力起着非常重要的作用，一旦其在桥梁运营过程中发生破坏，会直接影响整个拱桥的受力特征。现行JTGT H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》对于主拱圈局部渗水、风化等单种病害各扣20分，对腹拱、立柱等上部结构的渗水、风化等不进行扣分。如此处理，对于空腹式拱桥的桥梁总体评定不妥，因此建议对腹拱等常见病害进行技术评定并扣分，达到在桥梁维修与加固时重视腹拱病害维修与加固的目的。主拱圈渗水、灰缝脱落病害扣分标准见表1、表2。

表1　主拱圈灰缝脱落病害扣分标准

表2　主拱圈渗水病害扣分标准

1.2模型概况

采用ABAQUS(6.11)软件对拱桥进行有限元模拟，材料密度取2 400 kg/m3，E为29.5 MN/m2，v为0.2，考虑自重应力、标准轴静载、标准轴动载、X向(纵向)、Z向(横向)地震作用各工况下腹拱、主拱所受的应力及其比值，探讨腹拱在拱桥病害检测中应该扣除的分值。空腹式拱桥有限元模型如图4所示。

图4　空腹式拱桥有限元模型

1.3分析过程荷载的施加

有限元模型的分析计算主要通过不同的工况的模拟完成，工况1：仅考虑空腹式拱桥在自重应力作用的反应，分析两侧腹拱及主拱的响应；工况2：考虑车辆静荷载、自重应力荷载共同作用下的腹拱及主拱的响应；工况3：考虑车辆脉冲荷载、自重应力荷载共同作用下的腹拱及主拱的响应；工况4：根据公路桥梁荷载规范分别考虑纵向、横向以及纵向、横向地震共同作用下的腹拱及主拱的响应。空腹式拱桥结构响应重点分析断面图如图5所示。

图5　结构响应重点分析断面图

2各工况应力对拱桥主拱圈及腹拱影响分析

2.1自重应力影响分析

由于拱桥在自重作用下，拱桥两侧结构反应相互对称，所以按轴对称问题研究空腹式拱桥在自重应力作用下的响应和腹拱圈、主拱圈的应力以及立柱柱底、主拱脚的应力，如表3所示。由表3可以得出，在自重应力作用下，仅考虑拱脚的应力时，腹拱的左拱脚断面3、8、12与左主拱断面1的应力比为0.47、0.61、0.645；腹拱的左拱脚断面4、7、11与左主拱断面2的应力比为0.867、0.67、1.034；由于主拱圈两侧对称，自重应力作用下，受力也对称，所以腹拱的右拱脚断面5、9、13与左主拱断面1′的应力比为0.375、0.387、0.553；腹拱的右拱脚断面6、10、14与右主拱断面2的应力比为0.465、0.46、1.566，可以得出，仅考虑拱脚的应力时，空腹式拱桥的腹拱应力已与主拱脚的应力在一个量级上，不可忽略，比值在0.46～1.566之间，但考虑到主拱圈受力的整体性，腹拱的重要性不如主拱，比值在0.46～1.0，对于腹拱出现的渗水、风化等病害建议扣除10～20分；仅考虑拱顶的应力时，腹拱的拱顶断面1、3、5与主拱圈拱顶断面13的应力比为1.39、0.964、0.885；腹拱的拱顶断面2、4、6与主拱圈拱顶断面B的应力比为2.469、0.655、1.306，由此可以得出，仅考虑拱脚的应力时，比值在0.885～2.469之间，由于腹拱重要性不如主拱，比值为0.885～1.0，对于腹拱出现的渗水、风化病害建议扣除15～20分。

表3　自重应力下各典型部位的结果计算表

2.2标准轴静载的影响分析

桥梁为二级干线公路，重型车辆较多，静车辆荷载作用下，车道荷载[5]取公路-II级标准，集中荷载取PK=270 kN，均布荷载取qK=7.875 kN/m，车辆荷载按标准指标选取，取为550 kN。静车辆荷载作用下空腹式拱桥各典型部位的计算结果如表4所示。

表4　静车载作用下各典型部位的结果计算表

由表4可以得出，在静车载作用下，仅考虑拱脚的应力时，腹拱的左拱脚断面3、8、12与左主拱断面1的应力比为0.444、0.177、0.29；腹拱的左拱脚断面4、7、11与左主拱断面2的应力比为0.791、0.595、0.974；由于主拱圈两侧对称，静车载作用下，受力也对称，所以腹拱的右拱脚断面5、9、13与左主拱断面1′的应力比为0.385、0.389、0.546；腹拱的右拱脚断面6、10、14与右主拱断面2的应力比为0.515、0.418、1.458，可以得出，仅考虑拱脚的应力时，空腹式拱桥腹拱应力与主拱脚比值为0.44～1.458。考虑到主拱圈受力的整体性，腹拱的重要性不如主拱，比值在0.44～1.0，对于腹拱出现的渗水、风化等病害建议扣除10～20分；仅考虑拱顶的应力时，腹拱的拱顶断面1、3、5与主拱圈拱顶断面A的应力比为2.05、0.555、0.689；腹拱的拱顶断面2、4、6与主拱圈拱顶断面B的应力比为1.26、0.875、0.96，由此可以得出，仅考虑拱脚的应力时，比值在0.689～2.05，考虑到腹拱的重要性不如主拱，比值取0.689～1.0。对于腹拱出现的渗水、风化等病害建议扣除15～20分。

2.3标准轴动载-脉冲激励反应分析

脉冲激励荷载作用下各典型部位的结果如表5所示。

半周正弦脉冲力[6]是介于三角形与矩形波荷载之间的一种脉冲反应分析方法，其更符合实际工程应用，其控制方程为

根据公路桥涵设计通用规范[5]，桥梁设计采用公路-II级车道荷载，考虑车辆荷载拱桥结构的半周正弦脉冲力作用下结构的响应，取半周正弦脉冲力等于车辆荷载，即p0=305.6 kPa，td=0.2 s，半周正弦脉冲力曲线如图6所示。

图6　脉冲荷载曲线图

主拱圈腹拱拱圈断面位置应力/MPa断面位置应力/MPa断面位置应力/MPa拱脚12.0421.181'2.242'1.18拱脚3/40.897/0.5393'/4'0.92/0.5988/70.967/0.6838'/7'1.055/0.65512/110.929/0.72612'/11'1.058/0.797总和2.793/1.948总和2.376/2.05拱顶A0.54B0.43拱顶1/71.05/1.112/80.96/0.8573/90.64/0.5994/100.52/0.5315/110.86/0.7756/120.589/0.582总和2.55/2.48总和2.069/1.97

由表5可以得出，在脉冲激励荷载作用下，仅考虑拱脚的应力时，腹拱的左拱脚断面3、8、12与左主拱断面1的应力比为0.439、0.474、0.455；腹拱的左拱脚断面4、7、11与左主拱断面2的应力比为0.457、0.579、0.615；腹拱的右拱脚断面3′、8′、12′与右主拱断面1′的应力比为0.411、0.471、0.472；腹拱的右拱脚断面4′、7′、11′与右主拱断面2′的应力比为0.507、0.555、0.675。可以得出：仅考虑拱脚的应力时，空腹式拱桥的腹拱应力与主拱脚的应力比值为0.411～0.675，对于腹拱出现的渗水、风化等病害建议扣除10～15分；仅考虑拱顶的应力时，腹拱的拱顶断面7、9、11与主拱圈拱顶断面A的应力比为2.06、1.11、1.44；腹拱的拱顶断面8、10、12与主拱圈拱顶断面B的应力比为1.99、1.235、1.35；腹拱的拱顶断面1、3、5与主拱圈拱顶断面A的应力比为1.94、1.185、1.59；腹拱的拱顶断面2、4、6与主拱圈拱顶断面B的应力比为2.23、1.209、1.37由此可以得出，仅考虑拱顶的应力时，空腹式拱桥的腹拱应力与主拱脚的应力比值为1.11～1.99，考虑到主拱圈受力的整体性，腹拱的重要性不如主拱，比值取1.0；因此，对于腹拱出现的渗水、风化等病害建议扣除20分。

2.4腹拱渗水、风化病害扣分判定标准

根据以上各工况的计算结果，建议对空腹式拱桥腹拱渗水、风化病害进行扣分，具体的建议扣分标准[7]见表6。

表6　腹拱渗水、风化病害扣分判别表　分

2.5算例

2013年土桥的下部结构、桥面系的技术状况评定分数为88.39、62.4分；未考虑腹拱病害扣除的分数时，上部结构的技术状况评定分数为75.58分，其中主拱圈分数为68.69分，腹拱、立柱等拱上结构分数100分，占上部结构比重分别为78%、22%，根据文献[2]桥梁总体的技术状况评分为78.07分；考虑腹拱病害扣除的分数时，考虑腹拱出现渗水、风化2项病害，并参照主拱圈病害类型总标度，得到腹拱、立柱等拱上结构分数为68.69分，汇总而得到，桥梁总体的技术状况评分为75.31分。桥梁技术状况等级仍为3类，但对于某些情况下桥梁可能会因为分数的较小差别而出现不同的技术状况等级；因此探讨空腹式法拱桥腹拱的精确扣分标准仍然很关键。

3结论及建议

通过研究空腹式拱桥在自重应力、标准轴静载、标准轴动载、地震作用各工况下腹拱、主拱所受的应力及其比值，探讨得出空腹式拱桥腹拱出现的渗水、风化等病害应扣除一定的分值，否则会造成对拱桥的病害评估不足，影响空腹式拱桥维修加固质量，使空腹式拱桥维修加固后达不到预期的使用效果，得到的结论如下：

1)对于自重应力状态下，仅考虑拱脚典型部位，腹拱病害建议扣除10～20分；仅考虑拱顶典型部位，腹拱病害建议扣除15～20分，总体评价时采用扣分上限，扣除15～20分。

2)对于标准轴静载应力状态下，仅考虑拱脚典型部位，腹拱病害建议扣除10～20分；仅考虑拱顶典型部位，腹拱病害建议扣除15～20分，总体评价时采用扣分上限，扣除15～20。

3)对于脉冲荷载应力状态下，仅考虑拱脚典型部位，腹拱病害建议扣除10～15分；仅考虑拱顶典型部位，腹拱病害建议扣除20分，总体评价时采用扣分上限，扣除20分。

4)对于横向地震作用下，仅考虑拱脚典型部位，腹拱病害建议扣除10～20分；仅考虑拱顶典型部位，腹拱病害建议扣除20分，总体评价时采用扣分上限，扣除15～20分；对于纵向地震作用下，仅考虑拱脚典型部位，腹拱病害建议扣除10～15分；仅考虑拱顶典型部位，腹拱病害建议扣除15～20分，总体评价时采用扣分上限，扣除15～20分。

5)根据各工况时，拱脚、拱顶以及同时考虑拱脚、拱顶状况下，腹拱、主拱的应力、位移及其比值，总体建议，空腹式拱桥腹拱渗水、风化病害应扣分20分。

参考文献

[1]公路桥梁技术状况评定标准：JTGT H21—2011[S].2011.

[2]李进洲, 余志武, 宋力，等.长益高速公路桥梁病害调查及加固措施[J].世界桥梁,2010(4):75.

[3]吴中文. 桥梁病害分析与检测维护[J].科技创新导报,2010(22):32.

[4]李涛. 中、小跨径公路既有桥梁下部结构评估体系及方法的研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2008.

[5]公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2004[S]. 2004.

[6]Anil K Chopra.结构动力学理论及其在地震工程中的应用[M]. 谢礼立 吕大刚,译.北京：高等教育出版社，2009.

[7]张晓静. 桥梁管理系统中的桥梁技术评价数学模型的建立[D]. 沈阳:东北大学,2009.

(编校：叶超)

Evaluation Method of Abdomen Arch Disease for Arch Bridge with Medium-Small Span Hollow Type

TAO Qingdong1,2，XIAO Shengxie1

(1.MianyangVocationalandTechnicalCollegeDepartmentofArchitecturalEngineering,Mianyang621000China；2.SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongiqingUniversityofCommunication,Chongqing400074China)

Abstract:The existing《Standards for Technical condition Evalution of Highway Bridges》don't evaluate the hollow type arch bridge abdomen arch, pillar’s diseases. It enhances the hollow type arch bridge evaluation scores of overall technology condition and the status of the technology level. This results in the maintenance of a bridge ignoring to the disease of abdomen arch, which can not meet the expectations of bridge maintenance. To get a more reasonable overall level of technical evaluation scores and determine the technical conditions, calculation stresses were contrasted between the main arch and abdomen arch from the gravity, pulse excitation, vehicle load and earthquake load and we obtained the reasonable scores deducted for defects of the main arch and abdomen arch. Through study and applications, the more accurate evaluation scores of bridge overall technical condition would be found and this would provide theoretical guidance for hollow type arch bridge maintenance.

Keywords:hollow type arch bridge; abdomen arch; detection disease;arch ring;suggest evaluation

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.02.020

中图分类号：U448.25

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)02-00104-6

基金项目：国家自然科学基金项目(50879097)；四川省教育厅项目(15ZB0409)。

收稿日期：2014-11-01

第一作者：陶庆东 (1987—) ，男，助教，博士研究生，主要研究方向为道路与桥梁减灾等。

·建筑与土木工程·