在役空腹式圬工拱桥承载能力评定分析

秦天龙， 张光炜

(四川省建筑科学研究院有限公司，四川成都 610081)

1 工程概况

平溪河大桥位于四川省荥经县，跨越经河，与规划中的经河西路相交，经现场调查该桥修建于20世纪80年代，为村民集资修建桥梁，故无相关设计及施工过程资料。经现场调查，该桥全长167.2 m。上部结构为6跨石砌拱桥，净跨径分为7.9 m、40.4 m、40.9 m、7.9 m、20.5 m和20.5 m，其中第1、4、5、6跨为等截面圆弧实腹式石砌拱，第2、3跨为空腹式石砌拱。下部结构为重力式圬工桥台/墩。桥面系铺装层采用约25 cm厚的普通钢筋混凝土(图1)。

图1 平溪河大桥

2 评定目的

通过对桥梁基础资料搜集和整理，详细了解桥梁的基本状况、技术参数等[1]，为桥梁检测鉴定提供必要的技术依据和资料；通过详细的桥梁外观检查，对桥梁上、下部结构各组成构件存在的病害进行详细描述(包括病害的种类、位置、程度等)，以确定材料当前状况和劣化程度，结合实测几何参数、构件材料强度检测、结构线形与变位检测、结构缺损状况检测和结构布置情况为鉴定提供必要数据支持。以现场检测、检查和相关调查结果为基础，利用有限元软件及手算结果综合分析评估桥梁，指导今后桥梁的正确使用、养护和维修[2]。

3 桥梁外观检查

经现场检查，桥面系主要病害为[3]：桥面开裂严重，局部出现破损；部分护栏破损。该桥主拱圈主要病害为：渗水、泛碱和局部灰缝脱落，拱上建筑主要病害为：侧墙、腹拱圈渗水泛碱，未见主拱圈出现开裂现象，圬工石材表面较好。

4 桥梁结构尺寸检测

4.1 桥面铺装层厚度

现场通过对桥面铺装层进行钻芯检测该桥铺装层厚度及侧墙构造，混凝土芯样长度分别为27.5 cm、22.4 cm和26.9 cm，平均值为26.5 cm。

4.2 横断面检查结果

经现场检查，该桥第1跨侧墙厚度约为90 cm。根据主拱线形检查结果，第1跨为R=4.2 m圆弧拱，拱圈厚度约为0.45 m，净矢高f=3.921 m；第2跨拱圈厚度约为0.80 m，净矢高f=4.149 m；第3跨拱圈厚度约为0.80 m，净矢高f=4.115 m；第5跨拱圈厚度约为0.70 m，净矢高f0=2.101 m；第6跨拱圈厚度约为0.70 m，净矢高f=2.103 m。

5 桥梁检算评定

5.1 检算系数的确定

根据该桥现场检查、检测情况，按JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，材质强度评定取1；表观缺损状况评定标度取2；固有模态标度取1，得出承载能力检算系数Z1。计算结果见表1。

表1 桥梁承载能力系数Z1计算结果

截面折减系数ξ主要是考虑结构由于风化、碳化、物理或化学损伤造成的有效面积损失对有效结构或构件截面抗力效应的影响。根据现场检查情况分别对表中各检测指标给出评定标度值，计算得到构件截面损伤的综合评定值R。根据截面损伤的综合评定值R，得出截面折减系数ξ。详见表2。

表2 截面折减系数ξ计算结果

5.2 计算模型

根据结构特点，采用桥梁结构有限元分析软件Midas civil对结构进行分析[6]，全桥划分为974个单元，715个节点，计算模型见图2。主拱与腹拱和横墙采用共节点，主拱和桥墩采用刚性连接，桥墩处固结。主拱、腹拱采用梁单元，为矩形截面。

图2 有限元模型

5.3 计算参数

本次检算按JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》结合JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》执行，平溪河大桥所在道路是城市支路，故平溪河大桥在设计时采用的是城-B级荷载，计算参数如表3所示。

表3 计算参数

5.4 拱圈作用标准值效应汇总

按JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》结合JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》第5.1条的相关规定，考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用时，在车道荷载计算拱的正弯矩时，可对主拱各截面进行不同程度的折减(正弯矩)，但Midas civil有限元计算模型中不能完全考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用，偏于安全考虑，本次车道荷载的正弯矩不进行折减。有限元模型计算中作用效应标准值如表4、表5所示。

表4 第1跨拱圈强度验算作用效应值

表5 第2跨拱圈强度验算作用效应值

5.5 拱圈截面强度验算结果

承载能力极限状态设计的基本组合按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》第4.1.5条执行。拱圈强度验算按JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》的5.1.4条第一款进行(表6、表7)。

由表6、表7可知，当汽车荷载等级为城-B级(结构自重分项系数取1.2)时，第一跨主拱在Mmax+升温工况和Mmax+降温工况下，拱顶偏心距和拱脚偏心距均大于0.6 s，不满足JTG D61-2005 《公路圬工桥涵设计规范》第4.0.9条要求，承载力也不满足规范要求。第二跨主拱偏心距限值e(0.6 s=0.24 m)均在JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》第4.0.9条的规定范围内，但承载力不满足规范要求。

表6 第1跨主拱截面强度验算

表7 第2跨主拱截面强度验算

6 结论

通过对平溪河大桥的外观检查和专项检测，取得以下结论：

(1)该桥桥面混凝土局部出现开裂、破损及护栏破损；上部结构的主要病害为主拱圈的渗水泛碱和局部灰缝脱落，拱上建筑的侧墙、腹拱圈渗水泛碱；圬工石材表面较好，局部表面有轻微剥落；未见主拱圈出现开裂现象。

(2)所检主拱圈线性光滑，未发现异常变形；桥面在第2跨和第5跨跨中截面较两端的桥墩有明显的下沉。

(3)该桥0#台、1#墩均未发现因主体结构的地基基础不均匀沉降导致的裂缝和变形的不良现象且为发现影响其主体结构安全的整体倾斜，并结合桥梁岩土工程勘察结论以及其已正常使用30多年的情况，经综合分析判断，该桥梁0#台及1#墩台地基基础目前稳定，无严重的静载缺陷。

通过对平溪河大桥的承载力评定[7]，取得以下结论：

根据桥梁外观检查、专项检测、结构检算以及相关道路技术资料，经综合分析判定，平溪河大桥在承载能力极限状态下，主拱圈截面强度不能满足汽车荷载为城-B级的承载能力要求。

7 建议

综上所述，对平溪河大桥提出以下建议：

(1)建议对该桥桥面混凝土局部出现开裂、破损及护栏破损采取必要处理措施。

(2)建议对该桥主拱、侧墙等渗水泛碱病害进行相应处理。

(3)平溪河大桥修建于20世纪80年代，已经运营30余年，规范计算理论及作用分项系数调整变化较大，导致其承载力不能满足现行规范的相关要求，故建议该桥主体结构采取必要的加固处理措施或采取限载措施(建议按照小型车专用道路进行限载)[8]。