图纸缺失的既有圬工拱桥承载能力评估研究

何周通

（广东通创建筑工程有限公司 广东 佛山 528100）

0 引言

对于图纸缺失的既有桥梁，应采用检测手段对其进行外部尺寸复原和材料强度推定［1-3］，以作为理论计算的基本依据。利用三维激光扫描技术［4-5］可以快速获得桥梁的轮廓集合数据，以掌握其外部尺寸信息；利用回弹仪［6］和贯入仪［7］可以测得桥梁主要受力构件的材料强度，以掌握其材料参数信息。基于上述检测手段，依据现行行业技术规范，能够对桥梁的承载能力开展评估。

1 工程概况

某拱桥全长73.0 m，桥宽10.8 m，跨径组合为19.0 m+2×17.5 m+19.0 m。根据现场勘查可知，该桥上部结构为混凝土板拱，下部结构为石砌墩台。由于桥梁建设年代久远，桥梁设计资料缺失，桥梁外部结构尺寸及构件材料强度不详。现状桥梁采取了“13 t”限载措施。

2 现场检测

2.1 尺寸复原

采用三维激光扫描仪对该拱桥包括主拱圈、桥墩、桥面在内的桥梁主要构件进行三维扫描，并对扫描结果进行处理，经处理后的有效点云如图1所示。

图1 桥梁原始点云示意图Fig.1 Bridge Original Point Cloud Sketch

由三维激光扫描点云数据获取的桥梁尺寸可知，桥梁总长73.37 m，总宽10.50 m，每跨计算跨径均为16.0 m，矢高为3.2 m，矢跨比为1/5，腹孔孔径为2 m，主拱圈高0.65 m，主拱圈宽7.5 m。

2.2 强度检测

采用回弹法和贯入法分别对混凝土强度和砌筑砂浆强度进行检测，其中混凝土强度抽取4个测点，砂浆强度抽取2 个测点，检测结果如表1、表2 所示。由此可知，回弹法测得主拱圈测区强度推定值介于24.3～25.4 MPa之间，桥台强度推定值介于53.6～54.0 MPa之间，由贯入法测得桥台砌石砂浆强度推定值大于15.8 MPa。

表1 混凝土回弹检测结果Tab.1 Concrete Rebound Test Results

表2 砂浆强度检测结果Tab.2 Mortar Strength Test Results

因此，主拱圈、腹拱圈混凝土强度取C25，侧墙砂浆强度取M15，侧墙砌体块石强度取MU50。

3 理论计算

3.1 模型建立

通过MIDAS/Civil 有限元分析软件建立该拱桥的有限元模型，如图2 所示，对1#～4#主拱圈分别划分为94个单元，各单元长度约为18 cm。

图2 桥梁计算模型Fig.2 Bridge Calculation Model

3.2 荷载取值

3.2.1 恒荷载

拱圈及桥台按素混凝土计，容重取为25 kN/m3；填料按浆砌块石计，容重取为24 N/m3。

桥面铺装按水泥混凝土计，容重取为24 kN/m3；人行道板按钢筋混凝土计，容重取为25 kN/m3。

3.2.2 移动荷载

根据桥梁结构及实际车辆通行状况，车辆荷载按汽车-15级计。

单侧人行道宽度取为1.75m，人群荷载按3.0kN/m2计。

3.2.3 温度荷载

根据当地实际情况，平均温度取19 ℃，最高温度取34 ℃，最低温度取6 ℃。

3.2.4 基础沉降

各拱脚位置支座沉降取值为0.5 cm。

3.3 结果提取

根据《公路圬工桥涵设计规范：JTG D61—2005》［8］，对拱桥的主拱圈截面强度、主拱圈整体“强度-稳定”、挠度等进行验算，并对其正常使用极限状态进行安全评估［8-10］。

3.3.1 主拱圈截面强度验算

以1#主拱圈为例，其各截面强度安全系数（承载能力/最大轴力）如图3所示。

图3 1#主拱圈截面强度验算安全系数Fig.3 1# Main Arch Ring Section Strength Safety Factor

3.3.2 主拱圈整体“强度-稳定”验算

以1#主拱圈为例，其整体“强度-稳定”安全系数（承载能力/最大轴力）如图4所示。

图4 1#主拱圈整体“强度-稳定”验算安全系数Fig.4 1# Main Arch Ring Strength-stability Safety Coefficient

3.3.3 主拱圈正常使用极限状态安全评估

根据文献［8］第4.0.2条，圬工拱桥正常使用极限状态的要求，一般情况下可由相应的构造措施来保证。

根据文献［8］第5.2 条，拱桥的矢跨比宜采用1/4～1/8，该拱桥矢跨比f=3.2/16=1/5，满足该构造要求。

根据文献［8］第5.2.6 条，组合截面接缝采用砂浆填筑时，砂浆强度等级不宜低于M10。桥台砌石砂浆强度推定值大于15.8 MPa，满足文献［8］要求。

根据文献［8］第6.3.1 条，等跨石砌拱桥实体桥墩顶宽可按拱跨的1/10～1/20 拟定（即0.8～1.6 m），但不小于0.8 m，该拱桥墩顶宽度为1.62 m，基本满足要求。

根据文献［8］第5.2.2 条，空腹式拱桥在腹拱铰上面的侧墙、人行道、栏杆等均应设置伸缩缝或变形缝。伸缩缝或变形缝有利于主拱圈适应温度变化、混凝土收缩或砂浆收缩，也有利于主拱圈的弹性与非弹性变形，避免拱上建筑产生裂缝。该拱桥未设置伸缩缝或变形缝。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018》第9.5.1，空腹式拱上建筑的腹孔跨径不宜大于主拱跨径的1/8～1/15（其比值随跨径的增大而减小），该拱桥腹孔孔径/主拱跨径=2 m/16 m=1/8，满足要求。

根据《公路桥涵施工技术规范：JTG/T 3650—2020》第19.2.1 第2 条，石拱桥主拱圈厚度由初步尺寸经验公式估算：d=（4.5～6）×1.2×1 6001/3=63.2～84.2 cm。该拱桥主拱圈厚度为65 cm，满足规范要求但主拱圈设计高度偏小。

3.3.4 主拱圈挠度验算

根据文献［8］第5.1.11 条，拱桥应按《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》规定的作用短期效应组合，在一个桥跨范围内的正负挠度的绝对值之和的最大值，不应大于计算跨径的1/1 000。

由计算模型提取1#～4#主拱圈在作用短期效应组合下正、负挠度之和最大值汇总如表3所示。

表3 主拱圈的正负挠度之和最大值Tab.3 Maximum Sum of Positive and Negative Deflection of Main Arch Ring

4 结论

⑴该拱桥在承载能力极限状态下，满足主拱圈截面强度要求、满足拱的整体“强度-稳定”要求。

⑵该拱桥未设置伸缩缝或变形缝；主拱圈设计高度略偏小；其他构造基本满足正常使用极限状态的要求。

⑶该拱桥满足挠度验算要求。