中小跨徑空腹式拱橋腹拱病害評價方法

陶慶東，肖盛燮

(1.綿陽職業(yè)技術學院建筑工程系，四川 綿陽 621000；2.重慶交通大學土木建筑學院， 重慶 400074)

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中小跨徑空腹式拱橋腹拱病害評價方法

陶慶東1,2，肖盛燮1

(1.綿陽職業(yè)技術學院建筑工程系，四川 綿陽 621000；2.重慶交通大學土木建筑學院， 重慶 400074)

摘要：現(xiàn)有的公路橋梁技術狀況評定標準沒有對空腹式拱橋腹拱、立柱出現(xiàn)的病害進行評價，在一定程度上提高了空腹式拱橋的總體技術狀況評定分數(shù)及技術狀況等級，導致在橋梁維修加固時忽略對腹拱病害進行處理，達不到對橋梁進行維修加固的目的。為得到更為合理的總體技術狀況評定分數(shù)及確定技術狀況等級，從自重應力、脈沖激勵、車輛荷載等方面對比腹拱與主拱在應力的計算結果，得到拱橋腹拱、立柱病害應扣除的比較合理的分數(shù)，并通過在實例上進行應用研究，得到更為準確的橋梁總體技術狀況評定分數(shù)。

關鍵詞：空腹式拱橋；腹拱；檢測病害；拱圈； 建議評價

拱橋是一種外形美觀、造價低廉的橋梁形式，具有施工時不需要大型的吊裝設備、跨徑可以根據跨越的溝渠、中小河流進行調整的特點。重慶于上世紀八九十年代建成了大量的中小跨徑拱橋。經過多年使用，并隨著交通的迅猛發(fā)展，超重車的增加，這些拱橋損壞嚴重，需要對其病害進行檢測，以制訂合理的維修加固方案。通過對重慶市大量的拱橋病害進行檢測發(fā)現(xiàn)，中小跨徑空腹式拱橋主拱圈、腹拱、腹拱立墻等出現(xiàn)風化、滲水、泛堿的病害較為常見，主要是由于早期拱橋未設排水系統(tǒng)及設置的排水系統(tǒng)損壞所致，這些病害在很大程度上影響了空腹式拱橋的耐久性、使用壽命及結構受力性能等；但現(xiàn)有的JTGT H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》[1]并未對空腹式拱橋腹拱、腹拱立墻出現(xiàn)的病害[2-3]進行評價，從而在一定程度上提高了空腹式拱橋的總體技術狀況評定分數(shù)，提高了空腹式拱橋的技術狀況等級，導致在橋梁維修加固時忽略對腹拱的病害進行處理，達不到對橋梁進行維修加固的預期目的。本文以重慶某空腹式板拱橋為工程實例，從自重應力、脈沖激勵、車輛荷載以及地震荷載等方面研究腹拱對空腹式拱橋的貢獻，并對腹拱所受的應力與主拱進行比較，提出腹拱在拱橋病害檢測中應該扣除的分值，得到更為合理的空腹式拱橋的總體技術狀況評定分數(shù)[4]，進而確定技術狀況等級，為空腹式拱橋維修加固提供理論指導。

1工程實例

1.1工程概況

土橋，位于重慶市省道S104南川區(qū)，建于1995年，是一座單跨空腹式石板拱橋。橋梁全長52 m，凈跨40 m，橋寬13.7 m，車行道寬11.7 m，拱圈跨徑40 m。本橋上部結構由拱圈、拱上結構和鋼筋混凝土梁板組成，拱圈和拱上側墻均由砌體(條石)漿砌而成，凈跨40 m。下部結構由橋臺、基礎組成；橋墩臺由砌體(條石)漿砌而成，橋臺為重力式U形橋臺，墩臺基礎均為擴大基礎，未設置墩臺防護設施、錐坡、翼墻及調治構造物，圖1為土橋的南立面圖。圖2、圖3為空腹式拱橋腹拱常見病害。

圖1　土橋南立面圖

圖2　1#腹拱及1#立墻下游側滲水

圖3　1#腹拱局部灰縫脫落

筆者認為腹拱對于整個上部結構受力起著非常重要的作用，一旦其在橋梁運營過程中發(fā)生破壞，會直接影響整個拱橋的受力特征?，F(xiàn)行JTGT H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》對于主拱圈局部滲水、風化等單種病害各扣20分，對腹拱、立柱等上部結構的滲水、風化等不進行扣分。如此處理，對于空腹式拱橋的橋梁總體評定不妥，因此建議對腹拱等常見病害進行技術評定并扣分，達到在橋梁維修與加固時重視腹拱病害維修與加固的目的。主拱圈滲水、灰縫脫落病害扣分標準見表1、表2。

表1　主拱圈灰縫脫落病害扣分標準

表2　主拱圈滲水病害扣分標準

1.2模型概況

采用ABAQUS(6.11)軟件對拱橋進行有限元模擬，材料密度取2 400 kg/m3，E為29.5 MN/m2，v為0.2，考慮自重應力、標準軸靜載、標準軸動載、X向(縱向)、Z向(橫向)地震作用各工況下腹拱、主拱所受的應力及其比值，探討腹拱在拱橋病害檢測中應該扣除的分值。空腹式拱橋有限元模型如圖4所示。

圖4　空腹式拱橋有限元模型

1.3分析過程荷載的施加

有限元模型的分析計算主要通過不同的工況的模擬完成，工況1：僅考慮空腹式拱橋在自重應力作用的反應，分析兩側腹拱及主拱的響應；工況2：考慮車輛靜荷載、自重應力荷載共同作用下的腹拱及主拱的響應；工況3：考慮車輛脈沖荷載、自重應力荷載共同作用下的腹拱及主拱的響應；工況4：根據公路橋梁荷載規(guī)范分別考慮縱向、橫向以及縱向、橫向地震共同作用下的腹拱及主拱的響應。空腹式拱橋結構響應重點分析斷面圖如圖5所示。

圖5　結構響應重點分析斷面圖

2各工況應力對拱橋主拱圈及腹拱影響分析

2.1自重應力影響分析

由于拱橋在自重作用下，拱橋兩側結構反應相互對稱，所以按軸對稱問題研究空腹式拱橋在自重應力作用下的響應和腹拱圈、主拱圈的應力以及立柱柱底、主拱腳的應力，如表3所示。由表3可以得出，在自重應力作用下，僅考慮拱腳的應力時，腹拱的左拱腳斷面3、8、12與左主拱斷面1的應力比為0.47、0.61、0.645；腹拱的左拱腳斷面4、7、11與左主拱斷面2的應力比為0.867、0.67、1.034；由于主拱圈兩側對稱，自重應力作用下，受力也對稱，所以腹拱的右拱腳斷面5、9、13與左主拱斷面1′的應力比為0.375、0.387、0.553；腹拱的右拱腳斷面6、10、14與右主拱斷面2的應力比為0.465、0.46、1.566，可以得出，僅考慮拱腳的應力時，空腹式拱橋的腹拱應力已與主拱腳的應力在一個量級上，不可忽略，比值在0.46～1.566之間，但考慮到主拱圈受力的整體性，腹拱的重要性不如主拱，比值在0.46～1.0，對于腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)膽r，腹拱的拱頂斷面1、3、5與主拱圈拱頂斷面13的應力比為1.39、0.964、0.885；腹拱的拱頂斷面2、4、6與主拱圈拱頂斷面B的應力比為2.469、0.655、1.306，由此可以得出，僅考慮拱腳的應力時，比值在0.885～2.469之間，由于腹拱重要性不如主拱，比值為0.885～1.0，對于腹拱出現(xiàn)的滲水、風化病害建議扣除15～20分。

表3　自重應力下各典型部位的結果計算表

2.2標準軸靜載的影響分析

橋梁為二級干線公路，重型車輛較多，靜車輛荷載作用下，車道荷載[5]取公路-II級標準，集中荷載取PK=270 kN，均布荷載取qK=7.875 kN/m，車輛荷載按標準指標選取，取為550 kN。靜車輛荷載作用下空腹式拱橋各典型部位的計算結果如表4所示。

表4　靜車載作用下各典型部位的結果計算表

由表4可以得出，在靜車載作用下，僅考慮拱腳的應力時，腹拱的左拱腳斷面3、8、12與左主拱斷面1的應力比為0.444、0.177、0.29；腹拱的左拱腳斷面4、7、11與左主拱斷面2的應力比為0.791、0.595、0.974；由于主拱圈兩側對稱，靜車載作用下，受力也對稱，所以腹拱的右拱腳斷面5、9、13與左主拱斷面1′的應力比為0.385、0.389、0.546；腹拱的右拱腳斷面6、10、14與右主拱斷面2的應力比為0.515、0.418、1.458，可以得出，僅考慮拱腳的應力時，空腹式拱橋腹拱應力與主拱腳比值為0.44～1.458?？紤]到主拱圈受力的整體性，腹拱的重要性不如主拱，比值在0.44～1.0，對于腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)膽r，腹拱的拱頂斷面1、3、5與主拱圈拱頂斷面A的應力比為2.05、0.555、0.689；腹拱的拱頂斷面2、4、6與主拱圈拱頂斷面B的應力比為1.26、0.875、0.96，由此可以得出，僅考慮拱腳的應力時，比值在0.689～2.05，考慮到腹拱的重要性不如主拱，比值取0.689～1.0。對于腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害建議扣除15～20分。

2.3標準軸動載-脈沖激勵反應分析

脈沖激勵荷載作用下各典型部位的結果如表5所示。

半周正弦脈沖力[6]是介于三角形與矩形波荷載之間的一種脈沖反應分析方法，其更符合實際工程應用，其控制方程為

根據公路橋涵設計通用規(guī)范[5]，橋梁設計采用公路-II級車道荷載，考慮車輛荷載拱橋結構的半周正弦脈沖力作用下結構的響應，取半周正弦脈沖力等于車輛荷載，即p0=305.6 kPa，td=0.2 s，半周正弦脈沖力曲線如圖6所示。

圖6　脈沖荷載曲線圖

主拱圈腹拱拱圈斷面位置應力/MPa斷面位置應力/MPa斷面位置應力/MPa拱腳12.0421.181'2.242'1.18拱腳3/40.897/0.5393'/4'0.92/0.5988/70.967/0.6838'/7'1.055/0.65512/110.929/0.72612'/11'1.058/0.797總和2.793/1.948總和2.376/2.05拱頂A0.54B0.43拱頂1/71.05/1.112/80.96/0.8573/90.64/0.5994/100.52/0.5315/110.86/0.7756/120.589/0.582總和2.55/2.48總和2.069/1.97

由表5可以得出，在脈沖激勵荷載作用下，僅考慮拱腳的應力時，腹拱的左拱腳斷面3、8、12與左主拱斷面1的應力比為0.439、0.474、0.455；腹拱的左拱腳斷面4、7、11與左主拱斷面2的應力比為0.457、0.579、0.615；腹拱的右拱腳斷面3′、8′、12′與右主拱斷面1′的應力比為0.411、0.471、0.472；腹拱的右拱腳斷面4′、7′、11′與右主拱斷面2′的應力比為0.507、0.555、0.675?？梢缘贸觯簝H考慮拱腳的應力時，空腹式拱橋的腹拱應力與主拱腳的應力比值為0.411～0.675，對于腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害建議扣除10～15分；僅考慮拱頂?shù)膽r，腹拱的拱頂斷面7、9、11與主拱圈拱頂斷面A的應力比為2.06、1.11、1.44；腹拱的拱頂斷面8、10、12與主拱圈拱頂斷面B的應力比為1.99、1.235、1.35；腹拱的拱頂斷面1、3、5與主拱圈拱頂斷面A的應力比為1.94、1.185、1.59；腹拱的拱頂斷面2、4、6與主拱圈拱頂斷面B的應力比為2.23、1.209、1.37由此可以得出，僅考慮拱頂?shù)膽r，空腹式拱橋的腹拱應力與主拱腳的應力比值為1.11～1.99，考慮到主拱圈受力的整體性，腹拱的重要性不如主拱，比值取1.0；因此，對于腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害建議扣除20分。

2.4腹拱滲水、風化病害扣分判定標準

根據以上各工況的計算結果，建議對空腹式拱橋腹拱滲水、風化病害進行扣分，具體的建議扣分標準[7]見表6。

表6　腹拱滲水、風化病害扣分判別表　分

2.5算例

2013年土橋的下部結構、橋面系的技術狀況評定分數(shù)為88.39、62.4分；未考慮腹拱病害扣除的分數(shù)時，上部結構的技術狀況評定分數(shù)為75.58分，其中主拱圈分數(shù)為68.69分，腹拱、立柱等拱上結構分數(shù)100分，占上部結構比重分別為78%、22%，根據文獻[2]橋梁總體的技術狀況評分為78.07分；考慮腹拱病害扣除的分數(shù)時，考慮腹拱出現(xiàn)滲水、風化2項病害，并參照主拱圈病害類型總標度，得到腹拱、立柱等拱上結構分數(shù)為68.69分，匯總而得到，橋梁總體的技術狀況評分為75.31分。橋梁技術狀況等級仍為3類，但對于某些情況下橋梁可能會因為分數(shù)的較小差別而出現(xiàn)不同的技術狀況等級；因此探討空腹式法拱橋腹拱的精確扣分標準仍然很關鍵。

3結論及建議

通過研究空腹式拱橋在自重應力、標準軸靜載、標準軸動載、地震作用各工況下腹拱、主拱所受的應力及其比值，探討得出空腹式拱橋腹拱出現(xiàn)的滲水、風化等病害應扣除一定的分值，否則會造成對拱橋的病害評估不足，影響空腹式拱橋維修加固質量，使空腹式拱橋維修加固后達不到預期的使用效果，得到的結論如下：

1)對于自重應力狀態(tài)下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除15～20分，總體評價時采用扣分上限，扣除15～20分。

2)對于標準軸靜載應力狀態(tài)下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除15～20分，總體評價時采用扣分上限，扣除15～20。

3)對于脈沖荷載應力狀態(tài)下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～15分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课唬构安『ㄗh扣除20分，總體評價時采用扣分上限，扣除20分。

4)對于橫向地震作用下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课唬构安『ㄗh扣除20分，總體評價時采用扣分上限，扣除15～20分；對于縱向地震作用下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～15分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课唬构安『ㄗh扣除15～20分，總體評價時采用扣分上限，扣除15～20分。

5)根據各工況時，拱腳、拱頂以及同時考慮拱腳、拱頂狀況下，腹拱、主拱的應力、位移及其比值，總體建議，空腹式拱橋腹拱滲水、風化病害應扣分20分。

參考文獻

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(編校：葉超)

Evaluation Method of Abdomen Arch Disease for Arch Bridge with Medium-Small Span Hollow Type

TAO Qingdong1,2，XIAO Shengxie1

(1.MianyangVocationalandTechnicalCollegeDepartmentofArchitecturalEngineering,Mianyang621000China；2.SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongiqingUniversityofCommunication,Chongqing400074China)

Abstract:The existing《Standards for Technical condition Evalution of Highway Bridges》don't evaluate the hollow type arch bridge abdomen arch, pillar’s diseases. It enhances the hollow type arch bridge evaluation scores of overall technology condition and the status of the technology level. This results in the maintenance of a bridge ignoring to the disease of abdomen arch, which can not meet the expectations of bridge maintenance. To get a more reasonable overall level of technical evaluation scores and determine the technical conditions, calculation stresses were contrasted between the main arch and abdomen arch from the gravity, pulse excitation, vehicle load and earthquake load and we obtained the reasonable scores deducted for defects of the main arch and abdomen arch. Through study and applications, the more accurate evaluation scores of bridge overall technical condition would be found and this would provide theoretical guidance for hollow type arch bridge maintenance.

Keywords:hollow type arch bridge; abdomen arch; detection disease;arch ring;suggest evaluation

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.02.020

中圖分類號：U448.25

文獻標志碼：A

文章編號：1673-159X(2016)02-00104-6

基金項目：國家自然科學基金項目(50879097)；四川省教育廳項目(15ZB0409)。

收稿日期：2014-11-01

第一作者：陶慶東 (1987—) ，男，助教，博士研究生，主要研究方向為道路與橋梁減災等。

·建筑與土木工程·