一座大跨徑雙曲拱橋的承載能力鑒定

米瑪卓瑪 索 朗

(西藏自治區(qū)公路局，西藏拉薩 850001)

1 工程概述

本文講述的橋梁建成于20世紀(jì)70年代，為單孔凈跨80 m的雙曲拱橋，凈矢高約9.8 m，主拱圈為變截面，全寬7.0 m，橫截面由5片拱肋、4片拱波和2片懸半波及填平式拱板組合而成，肋間沿縱向共設(shè)置17道尺寸為20 cm×70 cm的橫隔梁。拱肋、拱波及橫隔梁均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拱板采用現(xiàn)澆混凝土將拱肋、拱波填平后，再在其上砌筑石灰?guī)r塊石而成。拱波凈跨1.0 m，矢高0.3 m，厚0.1 m，橫截面變化采用拱肋和拱板高度同時(shí)改變的方式，其中拱頂處混凝土拱肋高0.6m，砌體拱板高0.5m，截面全高1.5 m，拱腳處混凝土拱肋高1.2 m，砌體拱板高1.0 m，截面全高2.6 m。

拱上構(gòu)造由拱上橫墻、腹拱、拱上填料及橋面構(gòu)造組成。腹拱每端設(shè)4孔，均為等截面圓弧拱，凈跨4.0 m，矢高2.0 m，寬7.0 m，厚0.4 m。拱上橫墻寬7.0 m，厚0.9 m。拱橋主要立面尺寸示意圖見圖1。

圖1 主要立面尺寸示意圖（單位：m）

橋面總寬7.4 m。設(shè)計(jì)荷載不詳，考慮到該橋的建成年代，其檢算荷載取汽車—15級、掛車—80或者汽車—20級、掛車—100。

2 橋梁病害

通過調(diào)查，該橋的主要病害為:

1)各拱肋間的絕大多數(shù)拱波在拱波頂處均存在整段貫通的縱向裂縫;2)下游側(cè)拱頂有較明顯的下沉;3)橋面板大面積的損壞開裂。

3 材料強(qiáng)度測試

通過在拱腳背面鉆芯取樣，試壓后得到拱圈石料強(qiáng)度為60號塊石，填縫材料取為7.5號砂漿;通過回彈法測試，得到拱肋混凝土的參考強(qiáng)度為36 MPa。

4 拱肋線形測量

采用無棱鏡電子全站儀觀測橋梁幾何尺寸，在主拱圈上游拱肋下緣共觀測19個點(diǎn)，在主拱圈下游拱肋下緣共觀測17個點(diǎn)。

通過對實(shí)測拱軸線坐標(biāo)進(jìn)行擬合，可知主拱圈上游側(cè)矢高為9.867 m，拱軸線與模數(shù)m=4.08的懸鏈線基本一致，主拱圈下游側(cè)矢高為9.788 m，拱軸線與模數(shù)m=3.78的懸鏈線基本一致。主拱圈下游側(cè)矢高較上游側(cè)低7.9 cm，發(fā)生了明顯的不均勻變形。結(jié)合前述外觀檢查中拱波開裂和主拱拱頂附近下沉現(xiàn)象，可以知道該橋主拱圈的整體性遭到了較嚴(yán)重的破壞。

5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

5.1 計(jì)算模型

采用通用有限元計(jì)算程序Ansys計(jì)算，模型中主拱圈仍作為一個整體參與受力。主拱圈、腹拱圈、橫墻及橋面板均采用平面梁單元模擬。拱上側(cè)墻和填料采用等效的平面板單元模擬，忽略其抗彎剛度，計(jì)算自重作用時(shí)不考慮拱上建筑的聯(lián)合作用。邊腹拱采用雙鉸拱，其余腹拱均為無鉸拱，主拱圈在拱腳處固結(jié)。

5.2 計(jì)算參數(shù)

5.2.1 截面特性

由于主拱圈由混凝土和塊石砌體兩種材料組成，因此，計(jì)算主拱圈截面的幾何特性時(shí)，需先將其換算成由單一材料組成的換算截面，本計(jì)算中，以塊石砌體作為標(biāo)準(zhǔn)材料，按混凝土和塊石砌體兩種材料的彈模比進(jìn)行主拱圈換算截面幾何特性的計(jì)算。各構(gòu)件截面幾何特性見表1。

表1 結(jié)構(gòu)截面幾何特性

5.2.2 恒、活載取值

恒載取結(jié)構(gòu)重力，以構(gòu)件容重的形式輸入。

設(shè)計(jì)活載按雙車道考慮，取值分兩種工況:汽車—15級和汽車—20級荷載。

驗(yàn)算活載也取兩種工況:掛車—80和掛車—100。

溫度荷載按全橋升溫20℃、降溫－20℃考慮。

6 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

6.1 正截面受壓強(qiáng)度驗(yàn)算

主要驗(yàn)算JTJ 021-89公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的組合Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，其計(jì)算公式為:

主拱圈相應(yīng)的容許偏心距為:

組合Ⅰ:［e0］=0.5y;組合Ⅱ，Ⅲ:［e0］=0.6y;其中 y 為截面重心至偏心方向截面邊緣的距離。

1)當(dāng)e0＜［e0］時(shí)，拱圈抗力效應(yīng)計(jì)算公式為:RN=αARja/γm，式中各參數(shù)按照J(rèn)TJ 022-85公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第三章“構(gòu)件計(jì)算規(guī)定”取值和計(jì)算。

2)當(dāng)e0＞［e0］時(shí)，按照J(rèn)TJ 022-85公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，拱圈正截面強(qiáng)度由材料彎曲抗拉設(shè)計(jì)控制，抗力效應(yīng)計(jì)算公式為:

根據(jù)以上公式計(jì)算得到汽車—15級、掛車—80級和汽車—20級、掛車—100級荷載下組合Ⅰ～Ⅲ中主拱圈各控制截面的抗力效應(yīng)部分計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。

表2 汽車—15級、掛車—80級荷載組合Ⅰ～Ⅲ主拱圈正截面受壓抗力驗(yàn)算結(jié)果 kN

表3 汽車—20級、掛車—100級荷載組合Ⅰ～Ⅲ主拱圈正截面受壓抗力驗(yàn)算結(jié)果 kN

表2的驗(yàn)算結(jié)果表明，在汽車—15級、掛車—80活載作用下，各荷載組合工況下的主拱圈正截面抗力均大于荷載效應(yīng)最不利值，滿足規(guī)范要求。表3的驗(yàn)算結(jié)果表明，在汽車—20級、掛車—100活載作用下，組合Ⅱ中活載Mmin+溫降工況下主拱圈拱腳截面的正截面抗力小于荷載效應(yīng)最不利值，不能滿足規(guī)范要求。

6.2 正截面受剪強(qiáng)度驗(yàn)算

對于這類拱橋，一般情況下抗剪強(qiáng)度不起控制作用，通過計(jì)算亦可得出其主拱圈各控制截面的正截面直接受剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

6.3 檢算結(jié)論

該橋在不考慮現(xiàn)有病害狀況下，主拱圈強(qiáng)度能滿足通行汽車—15級、掛車—80荷載的要求;其拱腳截面強(qiáng)度不能滿足通行汽車—20級、掛車—100荷載的要求。

7 考慮橋梁技術(shù)狀況時(shí)的折減

根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》，對荷載效應(yīng)不利組合設(shè)計(jì)值不大于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)設(shè)計(jì)值的方程式改變?nèi)缦?

其中，Z1可以根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果，查《鑒定方法》的表2.1得出，本橋主拱圈產(chǎn)生了明顯的不均勻沉陷，且各拱肋間大部分拱波均在拱波頂處縱向開裂，導(dǎo)致主拱圈的整體性遭到嚴(yán)重破壞，不能再作為一個整體構(gòu)件參與受力，因此，本計(jì)算取Z1=0.7，對主拱圈截面的抗力進(jìn)行折減。

經(jīng)過折減后的驗(yàn)算結(jié)果表明，在汽車—15級、掛車—80荷載作用下，組合Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ下的主拱圈各檢算截面的正截面抗力在個別工況下小于荷載效應(yīng)最不利值，不滿足規(guī)范要求。當(dāng)然也不能滿足汽車—20級、掛車—100荷載的通行要求。

8 承載能力結(jié)論與建議

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算及驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)合本橋主拱圈整體性差，并有明顯不均勻變形，使用時(shí)間超過30年等情況，建議修建新橋，或?qū)蛄旱恼麄€主拱圈進(jìn)行全面加固，對破損的橋面和欄桿進(jìn)行維修或更換。

9 結(jié)語

雙曲拱橋作為特定歷史時(shí)期的產(chǎn)物，曾在中國交通史上起到了很重要的作用，但是隨著交通量的飛速發(fā)展，這類橋梁經(jīng)過長期服役后往往存在著較為嚴(yán)重的病害，對其進(jìn)行詳細(xì)的病害檢查和正確的承載能力評估對于這類橋梁的加固改造起到舉足輕重的作用，作為檢測人員，在對其進(jìn)行檢查和評估時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)病害檢查應(yīng)全面仔細(xì)，注意拱肋、拱波及其結(jié)合處的開裂;

2)應(yīng)調(diào)查橋梁組成構(gòu)件的材料強(qiáng)度，通過鉆芯、回彈、鋼筋掃描等確定計(jì)算參數(shù);

3)應(yīng)詳細(xì)測量結(jié)構(gòu)的幾何尺寸特別是拱肋的線形，根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果建立計(jì)算模型;

4)這類舊橋承載能力往往難以滿足現(xiàn)行規(guī)范的最低要求，應(yīng)結(jié)合年代選擇合適的檢算標(biāo)準(zhǔn)，避免無法得出結(jié)論;

5)根據(jù)病害情況及拱肋的變形情況確定驗(yàn)算時(shí)的折減系數(shù)。

［1］JTJ 022-85，公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTJ 021-89，公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JTJ 054-94，公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范［S］.