既有石拱桥通行安全评估研究

2017-11-01■刘明

福建交通科技 2017年5期

关键词：检算石拱桥拱圈

■刘明

(1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350025)

既有石拱桥通行安全评估研究

■刘明1,2

(1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350025)

以一座(4×30)m空腹式等截面石拱桥为工程背景，通过对桥梁目前高峰期交通流量的调查统计及计算，分析目前的通行状况是否满足桥梁的通行要求。从长远规划考虑后期由于交通量增大，桥面拥堵的情况下对桥梁承载能力进行了检算。最后通过桥梁静载试验对桥面拥堵情况进行了安全验证。结合检算及静载试验的结果判断桥梁是否满足安全通行的要求，该过程与方法对于该类桥型的通行安全评估具有一定的参考价值。

石拱桥交通流量通行安全评估研究

1 引言

石拱桥是一种历史悠久，充满生机的桥梁形式。相比其他桥型，石拱桥具有能充分发挥圬工材料的受力特点、承载能力大、取材方便、施工方便、养护费用低、使用寿命长等优点[1]。20世纪50-60年代，我国在公路、城市中修建了大量的石拱桥，由于当时技术的局限性，设计荷载偏低，在桥梁的运营期，由于频繁承载甚至超载，加上自然环境的侵蚀等的影响，造成桥梁的损伤和局部破坏。石拱桥不断下降的承载能力与日益增长的交通需求之间的矛盾越来越大。如何对既有石拱桥通行状况进行安全评估成为当下亟需解决的问题[2]。

本文以一座(4×30m)空腹式等截面城市石拱桥为例，通过对桥梁高峰期交通流量的调查及统计计算，分析目前的通行状况是否满足桥梁的通行要求。根据调查结果假定桥面拥堵20t货车的情况下对桥梁上部结构承载能力进行了检算并通过静载试验对该情况下的桥梁安全进行了验证。相关方法可对同类桥梁通行安全评估具有借鉴参考意义。

2 工程概况

某石拱桥为(4×30m)空腹式石拱桥，为省道及城区重要的交通通道。桥面布置为1.5m(人行道净宽)+8.85m(行车道)+1.5m(人行道净宽)。上部结构为单跨净跨径30m，净矢高5.0m，净矢跨比1/6的空腹式石拱桥。主、腹拱圈宽度为10.0m，主拱圈厚度0.8m，腹拱圈厚度0.3m。主、腹拱圈、横墙、侧墙采用M10砂浆砌Mu80粗料石；路面为混凝土铺装层。下部结构：块石砌体重力式桥墩、桥台。桥型布置见图1。

图1 桥梁立面图(单位：cm)

3 高峰期交通流量调查

3.1 车型分布

根据桥梁的交通流特点，分别确定 07：40～08：40、17：30～18：30为大桥的早、晚交通量高峰期。通过对桥梁高峰期交通流量进行实时观测统计，以获取较准确的交通量。

早高峰时段数据样本中，平均每天早高峰共实测到412辆车辆数据，其中小型车共238辆，占全部流量的57%;中型车共122辆，占全部流量的 30%;大型车共45辆，占全部流量的11%；拖挂车共 7辆，占全部流量的2%。晚高峰时段数据样本中，平均每天晚高峰共实测到484辆车辆数据，其中小型车共338辆，占全部流量的70%;中型车共102辆，占全部流量的21%;大型车共25辆，占全部流量的 5%；拖挂车共19辆，占全部流量的4%。通过统计可以看出，过桥交通量中中型车以上的车辆分布相对较大。尤其是早高峰时段，共占全部流量的43%。各类车型所占比例如图2、图3所示。

图2 早高峰时段车型分布图

图3 晚高峰时段车型分布图

3.2 高峰小时交通量

根据《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)[3]，三级公路的服务水平分级标准以行驶延误为主要评价指标，其设计通行能力按三级服务水平设计，一个车道的设计通行能力如表1。

表1 三级公路的设计通行能力

交通量换算采用小客车为标准车型，采取标准车折算。经计算，早高峰时期的标准交通量Q早为532pcu/h，晚高峰时期的标准交通量Q晚为598pcu/h。可见桥梁双车道的通行能力为800～1400pcu/h，桥梁现有通行能力大于早晚高峰期小时交通量Q，表明目前桥梁桥面通行能力尚能满足该路段正常早晚高峰期的通行要求。

4 桥梁承载能力检算

从长远规划来看，若桥梁路段后期交通量增大，由于等候红绿灯，以桥面拥堵总重20t的货车(主要技术参数为前轴重70kN，后轴重130kN，轴距为4.0m，轮距为1.8m)，货车以横桥向3辆(横向间距为1.5m)，纵桥向间距为1.5m的布置方式堵塞于桥面的情况，按桥梁各控制截面影响线进行最不利情况下纵向布载，对该桥进行承载能力检算。

4.1 结构分析模型

采用有限元软件MIDAS/Civil建立不考虑拱上建筑联合作用的平面杆系模型，拱肋、腹拱、立墙、拱上填料和桥面采用梁单元模拟。模型中腹拱、立墙简化为和主拱圈连接的梁单元，共划分1837个梁单元。模型中拱上填料采用竖向布置的梁单元模拟，与主拱、腹拱及桥面两端均采用铰接，设置较小的刚度，拱上填料主要传递拱上结构活载的作用。石材强度等级取Mu80，砂浆强度等级取M10，砌体受压弹性模量E=7300MPa。块石砂浆砌体轴心抗压强度设计值fcd取1.14MPa，砂浆砌体弯曲抗拉强度设计值ftmd取0.086MPa。桥梁有限元模型见图4。

图4 桥梁结构分析模型

4.2 荷载组合

按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[4]进行荷载组合计算。

①恒载：主拱圈、立墙、拱上填料、桥面铺装等。

②车辆荷载：桥面拥堵货车情况。

③温度作用：参考年温度变化，以最高月平均温度与拱圈合拢温度之差作为升温荷载计算依据，以最低月平均温度与拱圈合拢温差作为降温荷载计算依据。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)第4.3.12条文规定，温度作用效应根据规范考虑0.7折减。由于缺乏旧桥设计、竣工等资料，参照以往的设计及施工经验，结合当地月温度变化，桥梁合拢温度为15℃，月平均温度最高为35℃，月平均温度最低为0℃。该桥进行承载能力检算时，温度作用考虑整体升温20℃和降温15℃。

组合Ⅰ=1.2恒+1.4车辆+1.12人群荷载；

组合Ⅱ=1.2恒+1.4车辆+1.12人群荷载+0.78温度(升温 20℃或降温 15℃)。

4.3 承载能力检算结果

依据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)[5]对桥梁进行承载能力检算。桥面在20t货车拥堵作用下，主拱圈拱顶截面、拱脚截面、L/4截面承载能力满足安全使用要求，桥梁上部结构承载能力满足桥面拥堵货车的使用要求，结构处于安全承载的临界状态。承载能力检算结果见表2。

表2 拥堵状况下拱肋正截面强度检算

5 桥梁静载试验

5.1 试验过程

随机选取其中一跨作为试验对象。以桥面拥堵总重20t的货车情况、人群荷3.5kN/m2的荷载为校验荷载，对桥梁结构在最不利荷载组合下产生的内力进行详细计算，采用2辆38t后八轮加载车进行分级加载，并通过布置荷载工况，使现场加载产生的内力与校验荷载产生的理论内力的比值符合《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)[6]要求。

静载试验控制截面见图5，试验跨跨中、L/4截面位置主拱圈等间距布置5个挠度测点，如图6所示，加载及退载结构稳定后测读挠度数据。工况一～工况三车辆加载顺桥向布置图详见图7～图9，横桥向加载根据现场情况居中加载。

5.2 试验结果

在试验荷载作用下，实测控制截面的挠度值均小于理论值，挠度校验系数在0.65～0.74之间，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)[7]中规定的校验系数小于1.0的要求；相对残余变形在0.00%～5.26%之间，满足规范[7]规定的相对残余变形限值要求(限值20%)，表面恢复情况良好。试验过程中主拱圈未见明显异常。

静载试验结果表明桥梁满足桥面拥堵货车、人群3.5kN/m2校验荷载下的安全使用要求。