圬工拱橋震后承載能力評(píng)估研究

王小兵， 王　青

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211112)

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圬工拱橋震后承載能力評(píng)估研究

王小兵， 王青

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211112)

圬工拱橋因其取材方便，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，但其抗震能力差。在地震力的作用后，圬工拱橋?qū)?huì)出現(xiàn)拱圈開裂、拱上結(jié)構(gòu)開裂等常見病害，導(dǎo)致該類橋梁的正常運(yùn)營受到了嚴(yán)重影響，在一定程度上影響震后救災(zāi)工作的開展。以某座震后圬工拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用常?guī)檢測、有限元仿真分析和荷載試驗(yàn)相結(jié)合的方法，綜合分析評(píng)定該類橋梁的既有狀況。結(jié)果表明采用該方法對(duì)震后圬工拱橋的承載能力進(jìn)行綜合性評(píng)估是一種行之有效的手段。同時(shí)，以實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，提高了對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

震后；圬工拱橋；承載能力；評(píng)估

圬工拱橋是人類利用經(jīng)久耐用、強(qiáng)度高的天然石材跨越山谷、河流等障礙物的橋跨結(jié)構(gòu)，具有悠久的歷史。公元605年，我國修建了以其構(gòu)思和工藝精巧而聞名于世的石拱橋——趙州橋。自第二次工業(yè)革命以來，圬工拱橋在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，以歐洲和中國的圬工拱橋修建的最多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲鐵路線路上有近14萬座的圬工拱橋，約占線路上橋梁總數(shù)的40 %。而我國目前現(xiàn)存的圬工拱橋高達(dá)400多萬座，約占橋梁總數(shù)的61 %，尤其在我國西南地區(qū)，占90 %以上[1]。在建國初期，使用天然石材大量修建的圬工拱橋在鐵路和公路運(yùn)輸中仍然發(fā)揮著重要的作用。但隨著交通量的增加，橋梁結(jié)構(gòu)頻繁受到車輛荷載的碾壓作用，甚至超載，自然環(huán)境的侵蝕，尤其地震力的作用，導(dǎo)致圬工拱橋拱圈開裂、拱上橫墻開裂、橋面板橫移、墩臺(tái)下沉、墩身開裂、折斷及落拱等不同程度的損傷，嚴(yán)重影響橋跨結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營[2-3]。在地震力作用下，雖然圬工拱橋具有比梁式橋更強(qiáng)的抗沖擊能力，但是，震后拱腳的相對(duì)位移較大就會(huì)導(dǎo)致橋梁的整體坍塌[4]。為了根除橋跨結(jié)構(gòu)隱患，充分發(fā)揮圬工拱橋的潛在的承載能力，十分必要對(duì)震后橋梁進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的分析與評(píng)定，用以判斷承載能力是否滿足目前的交通通行要求。本文以震后某圬工拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，初步探討該類型橋梁安全、有效的評(píng)估方法，為橋梁的維修、加固及管理提供技術(shù)依據(jù)。

1　工程概況

某圬工拱橋位于景區(qū)交通干道上，跨徑為35.5 m的等截面空腹式石拱橋。 橋梁全長49.15 m，橋面寬8 m，主拱圈上方兩側(cè)各設(shè)置3道腹拱，以減輕橋梁自重，利于泄洪。該橋的立面圖見圖1所示。設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，掛車-100。鑒于該石拱橋位于通往景區(qū)的重要道路上，車輛密度大，且該地區(qū)處于龍門山地震帶，地殼運(yùn)動(dòng)尤為活躍，受地震影響突出。雅安地震后，一些橋跨結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，為了保證該圬工拱橋的運(yùn)營安全，需對(duì)震后結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行檢查，如橋梁線形、主要結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等主要參數(shù)；明確結(jié)構(gòu)主要病害特征，確定結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)以及使用性能。

圖1　圬工拱橋立面(單位：cm)

2　常規(guī)檢測

2.1主拱及腹拱拱圈線性量測

采用全站儀、靶標(biāo)及鋼尺等對(duì)橋梁主拱及腹拱拱圈線性量測。拱軸線采用全站儀的“前方交會(huì)法”進(jìn)行測量，線性測量采用相對(duì)坐標(biāo)系，而測點(diǎn)坐標(biāo)則按以下公式計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:A、B為后視控制點(diǎn)，(xA，yA)和(xB，yB)分別為A、B兩點(diǎn)的水平坐標(biāo)；p為測量靶標(biāo)點(diǎn)，(xp，yp)為P點(diǎn)的水平坐標(biāo)；hp為p點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的高程坐標(biāo)；θ為A點(diǎn)與p點(diǎn)的立面夾角。

首先，借助機(jī)械工具在橋梁主要結(jié)構(gòu)具有代表性的位置粘貼靶標(biāo)，便于線性測量。例如，針對(duì)圬工拱橋線性測量，在拱圈側(cè)面下緣易于觀測的截面位置粘貼靶標(biāo)。從拱腳截面開始，主拱圈和腹拱圈沿橋跨度方向按一定間距分別布設(shè)17個(gè)、5個(gè)靶標(biāo)測點(diǎn)。根據(jù)線性測量結(jié)果可知，主拱和腹拱線形總體平順，上、下游側(cè)拱圈實(shí)測線形較為一致，主拱圈實(shí)測拱軸線線形與設(shè)計(jì)線形吻合程度高。說明橋梁線形具有良好的平順性，橋跨結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)變位小。主拱圈及腹拱圈實(shí)測線形示意圖見圖 2所示。

圖2　線形測量結(jié)果示意

2.2表觀檢測

為了更全面的了解橋梁病害及病害發(fā)展趨勢，需要對(duì)橋梁進(jìn)行細(xì)致的表觀檢測。該方法以人工目測為主，并結(jié)合卷尺、直尺、裂縫標(biāo)尺等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的表觀檢查，詳細(xì)記錄橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害的類型、位置、范圍以及發(fā)展程度。

檢測結(jié)果表明：該橋主拱、腹拱及橋臺(tái)等主要構(gòu)件無明顯裂縫、無破損現(xiàn)象。橋面鋪裝層較為完整，但局部存在磨損、骨料外露現(xiàn)象。主拱圈部分截面存在勾縫砂漿脫落、石料風(fēng)化，局部砌縫輕微滲水鈣化、泛堿現(xiàn)象。兩側(cè)護(hù)欄局部破損、鋼筋外露銹蝕。

2.3材料力學(xué)性能檢測

石料強(qiáng)度及砌筑砂漿強(qiáng)度是衡量圬工拱橋結(jié)構(gòu)承載力的主要性能指標(biāo)，因此，有必要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測試工作。采用鉆心取樣法檢測石料強(qiáng)度，在鉆芯取樣后采用砂漿等將鉆孔修復(fù)。從石料結(jié)構(gòu)物中鉆取芯樣，根據(jù)芯樣的強(qiáng)度來確定結(jié)構(gòu)石料的強(qiáng)度。與此同時(shí)，砌筑砂漿強(qiáng)度可以通過貫入法進(jìn)行確定。鑒于鉆取芯樣位置結(jié)構(gòu)自身所在位置以及受力狀況等各方面的限制條件的制約，因此鉆取芯樣的位置和數(shù)量也受到上述制約條件的影響。但仍然可以作為抽檢石料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。根據(jù)石料芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)[5]可知，主拱石料的強(qiáng)度等級(jí)為MV60、橫墻及腹拱石料的強(qiáng)度等級(jí)為MV60、砌縫砂漿為M7.5。

3　荷載試驗(yàn)

3.1方案設(shè)計(jì)與加載控制

橋梁結(jié)構(gòu)抗力主要取決于截面尺寸與材料的強(qiáng)度。鑒于橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，其主要參數(shù)根據(jù)既有設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行取值，如：材料強(qiáng)度等，雖然這些參數(shù)具有普遍意義，但與材料的現(xiàn)場實(shí)測的力學(xué)性能存在差異。與此同時(shí)，由于施工等因素，橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸也與設(shè)計(jì)值之間存在差異，而這些差異將會(huì)影響橋跨結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)構(gòu)抗力等[6]。因此，橋梁的主拱、腹拱拱軸線線形依據(jù)本次現(xiàn)場實(shí)測線形，其余構(gòu)件尺寸根據(jù)本次實(shí)測尺寸大小，即主拱計(jì)算跨徑取35.5 m，計(jì)算矢高取5.13 m。主拱圈按無鉸拱模擬，邊腹拱按三鉸拱模擬，采用橋梁結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件Doctor Bridge建立該橋的計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3　橋跨結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1.1方案設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛荷載在主拱圈加載截面產(chǎn)生的最不利彎矩效應(yīng)和文獻(xiàn)[7]中規(guī)定的荷載試驗(yàn)效率系數(shù)0.95～1.05，確定加載工況和加載車輛軸重進(jìn)行等效加載試驗(yàn)。考慮加載車輛和測試截面的可操作性，加載工況分別取距拱腳50 cm截面最大負(fù)彎矩工況(A-A工況)、L/4跨最大正彎矩工況(B-B工況)和跨中最大正彎矩工況(C-C工況)。各工況下試驗(yàn)截面的試驗(yàn)彎矩、計(jì)算彎矩及荷載效率系數(shù)如下表1所示，各工況下測試截面和測點(diǎn)布置如圖4、圖5。

表1　各試驗(yàn)截面的試驗(yàn)彎矩、計(jì)算彎矩及荷載效率系數(shù)

3.1.2加載控制

為了保證人員、加載車輛和試驗(yàn)設(shè)備等安全，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的加載程序?qū)υ囼?yàn)橋跨進(jìn)行分級(jí)加載和卸載，荷載的大小、截面的內(nèi)力的大小都應(yīng)由小到大逐漸增加，并隨時(shí)作好停止加載和卸載的準(zhǔn)備。同時(shí)，通過對(duì)分級(jí)加載和荷載過程中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，繪制試驗(yàn)荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間變化關(guān)系的連續(xù)性曲線，初步判斷結(jié)構(gòu)的工作性能，避免結(jié)構(gòu)意外的損傷。在正式加載工況之前，選取50 %荷載值進(jìn)行預(yù)加載，初步判斷橋跨結(jié)構(gòu)是否存在問題。待試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)工作性能良好后方可進(jìn)行正式工況加載。在正式工況現(xiàn)場分級(jí)加載的過程中，記錄并實(shí)時(shí)分析橋跨結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)變值和撓度值。同時(shí)，在加載的過程中，對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)比較薄弱的部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況，立刻停止加載，避免盲目加載對(duì)既有橋梁造成次生病害。

圖4　測試截面布置(單位：cm)

圖5　測點(diǎn)布置(單位：cm)

3.2撓度測試結(jié)果

在各加載工況下，主拱圈各測試截面撓度現(xiàn)場實(shí)測值與理論值的比較見表2。

在車輛荷載作用下，主拱圈各控制截面處的撓度實(shí)測值均較小，主拱圈最大變形發(fā)生在B-B工況下的3L/4測試截面，其值為-0.91 mm。并且在車輛荷載卸載后，橋跨結(jié)構(gòu)能夠很好地恢復(fù)原有線形，殘余變形量小，主要測點(diǎn)相對(duì)殘余變形均小于5 %，表明該橋能夠滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。由測試結(jié)果可知，主拱圈各控制截面的撓度實(shí)測值均比理論值小，其校驗(yàn)系數(shù)值偏小，介于0.29～0.43之間，低于規(guī)范[8]中對(duì)圬工拱橋撓度校驗(yàn)系數(shù)0.80～1.00的限值要求。

3.3應(yīng)力測試結(jié)果

在車輛荷載作用下，主拱圈各控制截面實(shí)測應(yīng)力大小與理論值的比較見表3。根據(jù)表3對(duì)比結(jié)果可知，主拱圈各控制截面的實(shí)測應(yīng)力值均比有限元模型的計(jì)算值小，表明該橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備。各工況控制截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)較小，介于0.44～0.76之間，低于文獻(xiàn)[8]中對(duì)圬工拱橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)0.70～1.00的限值要求。

表2　各工況拱圈撓度實(shí)測值與理論值比較

注：撓度以向下為負(fù)，向上為正。

表3　各工況控制截面應(yīng)力實(shí)測值與理論值比較

注：應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)。

3.4結(jié)果分析

根據(jù)上述測試結(jié)果可知，主拱圈各控制截面撓度和應(yīng)力的實(shí)測值均小于理論值，且校驗(yàn)系數(shù)均較小，低于規(guī)范[8]中對(duì)圬工拱橋校驗(yàn)系數(shù)的限值要求。分析其主要原因是由于拱上建筑、填料與拱圈的相互作用，使得主拱圈的剛度增大導(dǎo)致的。石料的現(xiàn)場實(shí)測彈性模量大于規(guī)范中的規(guī)定值，導(dǎo)致?lián)隙燃皯?yīng)力實(shí)測值均小于理論值。同時(shí)，在車輛荷載的加載過程中，很難保證車輛加載位置完全與理論加載位置吻合等，在一定程度上這些因素都將會(huì)影響試驗(yàn)測試值。

4　有限元計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)該圬工拱橋結(jié)構(gòu)尺寸、彈性模量等現(xiàn)場測量成果，并考慮拱上建筑與主拱圈的共同作用，建立該橋的有限元計(jì)算模型。由于該橋拱上填料厚度大于50 cm，在模型計(jì)算時(shí)不計(jì)沖擊系數(shù)[9]。在對(duì)圬工拱橋承載能力極限狀態(tài)評(píng)定的過程中，采取截面折減系數(shù)、活載修正系數(shù)以及橋梁檢算系數(shù)分別對(duì)極限狀態(tài)方程中的結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及抗力并進(jìn)行比較，得到結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備系數(shù)，依此判定結(jié)構(gòu)是否滿足驗(yàn)算荷載的荷載等級(jí)要求。依據(jù)上述常規(guī)檢測成果，該座圬工拱橋結(jié)構(gòu)的承載能力檢算系數(shù)Z2取1.15，截面折減系數(shù)ξc取0.98。該橋主拱圈各控制截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果如下表4所示。

表4　主拱圈各控制截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)上述承載能力驗(yàn)算結(jié)果可知，該圬工拱橋各控制截面的安全儲(chǔ)備系數(shù)介于3.59～4.33之間，滿足荷載等級(jí)：汽車—20級(jí)，掛車—100的承載能力要求。即該座圬工拱橋能夠有效滿足橋跨結(jié)構(gòu)承載能力的要求，具有較高的安全儲(chǔ)備。有限元計(jì)算結(jié)果與該橋的現(xiàn)場常規(guī)檢測結(jié)果比較吻合，表明根據(jù)實(shí)測成果建立有限元模型，對(duì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析是行之有效的。

5　結(jié)束語

地震災(zāi)害預(yù)警機(jī)制不夠完善，新建橋梁結(jié)構(gòu)通過設(shè)置隔震支座、利用橋墩延性以及采用隔震支座和阻尼器相結(jié)合的系統(tǒng)來減輕地震力對(duì)該結(jié)構(gòu)的破壞，而圬工拱橋無法通過上述措施來減小地震的危害，受地震力影響突出。因此，對(duì)震后圬工拱橋的承載能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全。在震后某圬工拱橋現(xiàn)場檢測的實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立有限元計(jì)算模型，設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)工況加載，通過比較分析現(xiàn)場檢測和各試驗(yàn)工況下的撓度與應(yīng)力結(jié)果，該圬工拱橋主拱圈及腹拱圈線性良好，結(jié)構(gòu)具有良好的安全貯備。有限元分析結(jié)果表明該橋受雅安地震影響較小，橋跨結(jié)構(gòu)能夠有效地滿足汽車—20級(jí)、掛車—100的承載能力要求，與該橋現(xiàn)場常規(guī)檢測結(jié)果比較吻合。

因此，采用常規(guī)檢測、荷載試驗(yàn)以及仿真分析相結(jié)合的方式對(duì)震后圬工拱橋的承載能力進(jìn)行綜合性評(píng)估是一種行之有效的手段。以實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，提高了對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，也為后期橋梁養(yǎng)護(hù)、維修提供一定的技術(shù)參考。

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王小兵(1982～)，男，本科，工程師，從事橋梁及隧道試驗(yàn)檢測、加固設(shè)計(jì)相關(guān)工作；王青(1984～)，女，本科，工程師，從事公路、橋梁勘察設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

U445.6

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[定稿日期]2015-12-18