某圬工拱橋的承載力評估★

張海生 曾祥林 王 奇

1 概述

據(jù)統(tǒng)計，在石料豐富、山高谷深的西南地區(qū)，拱橋占90%以上，其中石拱橋數(shù)量最多。某圬工拱橋為等截面懸鏈線空腹式石拱橋，主拱為無鉸拱，跨徑50.87 m，寬9 m，主拱圈厚1.2 m;主拱兩端各有4個腹拱，腹拱圈厚0.35 m。該橋建成通車后，經(jīng)過多年的運營，橋體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很多病害，并且隨著交通運輸量的不斷增大，該橋的實際荷載等級要高于原設(shè)計荷載等級。因此，對該橋?qū)嶋H承載力的評估是有必要的。

2 評估計算

2.1 計算荷載

計算荷載采用設(shè)計荷載:城市B級，人群荷載集度3.5 kN/m2;永久荷載，包括結(jié)構(gòu)材料自重25 kN/m3、二期恒載25.5 kN/m3、拱上填料22 kN/m3。根據(jù)設(shè)計規(guī)范進行一種不利荷載組合——永久荷載+汽車荷載+人群荷載，驗算關(guān)鍵截面的承載能力。

2.2 計算模型

采用有限元分析軟件建立全橋計算模型，見圖1，從左到右，主拱單元依次編號為1號～108號。橋跨上游側(cè)，從左到右，腹拱依次編號為1號～8號。1號，4號，5號，8號腹拱為三鉸拱，2號、3號、6號、7號腹拱為兩鉸拱。8個腹拱均等分為32個單元，每個腹拱單元從左到右依次編號為1號～32號，腹拱計算模型見圖2。

圖1 全橋計算模型

圖2 腹拱模型

2.3 計算方法

利用有限元分析軟件對橋梁實際受力狀態(tài)進行有效模擬并計算各種荷載組合作用下各個單元截面的內(nèi)力，從而達到對橋梁承載能力進行評估的目的。對于該橋承載能力的評估，只需驗算

主拱圈在城市B級荷載作用下，各單元的安全儲備是否充足。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 主拱的計算結(jié)果

經(jīng)計算得出主拱在荷載組合——永久荷載+汽車荷載+人群荷載作用下的安全儲備系數(shù)介于0.72～2.78之間，大多數(shù)單元的安全儲備系數(shù)介于1.01～2.78之間，少數(shù)單元在最大軸力和最大彎矩工況下出現(xiàn)了安全儲備系數(shù)小于1的情況，詳見表1，表2。

表1 最大軸力工況下主拱部分單元承載能力驗算結(jié)果

表2 最大彎矩工況下主拱部分單元承載能力驗算結(jié)果

表1、表2中的計算結(jié)果表明主拱的拱腳安全儲備系數(shù)偏低。

2.4.2 腹拱的計算結(jié)果

由于結(jié)構(gòu)對稱，1號～4號腹拱與5號～8號腹拱計算結(jié)果相同，計算結(jié)果見表3。由腹拱的計算結(jié)果可知，1號～8號腹拱在荷載組合——永久荷載+汽車荷載+人群荷載作用下的安全儲備系數(shù)均大于1，表明8個腹拱均具有足夠的強度。

表3 腹拱評估計算結(jié)果

2.5 評估計算結(jié)論

城市B級荷載等級作用下，橋跨結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備，橋梁結(jié)構(gòu)滿足城市B級荷載等級要求，但主拱拱腳安全儲備系數(shù)偏低。

表4 靜載試驗及測試內(nèi)容

3 靜載試驗

3.1 試驗及測試內(nèi)容

根據(jù)評估計算結(jié)果，按照城市B級荷載等級對橋梁進行靜載試驗，試驗及測試內(nèi)容見表4，試驗截面示意圖見圖3。

圖3 試驗截面示意圖（單位：cm）

3.2 靜載試驗測試結(jié)果

3.2.1 撓度測試結(jié)果

各試驗工況撓度實測值及與計算值比較見表5。

表5 撓度實測值及與計算值的比較

試驗結(jié)果表明:A工況下，撓度校驗系數(shù)介于0.55～0.84之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度;B工況下，撓度校驗系數(shù)介于0.61～0.94之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度;C工況下，撓度校驗系數(shù)介于0.40～1.71之間，超出合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)剛度偏低。

3.2.2 應(yīng)力測試結(jié)果

各試驗工況應(yīng)力實測值及與計算值比較見表6。

試驗結(jié)果表明:A工況下，應(yīng)力校驗系數(shù)介于0.27～0.79之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強度;B工況下，應(yīng)力校驗系數(shù)介于0.55～0.79之間，處于合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強度;C工況下，應(yīng)力校驗系數(shù)介于0.21～1.68之間，超出合理范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)強度偏低。

表6 應(yīng)力實測值及與計算值的比較

4 綜合結(jié)論

橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿足城市B級荷載等級要求，但拱腳安全儲備略偏低;拱腳最大負彎矩作用下，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度儲備;1/4跨附近最大正彎矩作用下，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強度儲備，剛度儲備略偏低;跨中最大正彎矩作用下，橋跨結(jié)構(gòu)強度和剛度儲備均偏低。

5 結(jié)語

本文基于某圬工拱橋的現(xiàn)場檢測及試驗結(jié)果，建立了有限元分析模型，并結(jié)合荷載試驗結(jié)果對該橋的承載能力進行了評估。由于目前階段對于舊橋的承載能力評估只是采用荷載試驗方法對其數(shù)據(jù)進行定性分析，還不能定量研究各種影響橋梁承載力的因素。因此，既有橋梁的評估方法有待進一步的探討。

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