懸鏈線石拱橋檢測及承載能力分析

彭 偉，吳成忠，鄭建紅

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懸鏈線石拱橋檢測及承載能力分析

彭 偉1,2，吳成忠1，鄭建紅3

(1. 重慶安濟建設(shè)加固工程有限責(zé)任公司，重慶 401120；2. 招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點實驗室，重慶 400067；3. 重慶中設(shè)工程設(shè)計股份有限公司，重慶 400025)

為探討在用懸鏈線石拱橋的實際承載能力，以某服役40年的山區(qū)石拱橋為背景，先進行全橋現(xiàn)狀表觀檢查、砌石抗壓強度試驗、橋梁線形及構(gòu)件尺寸測量，結(jié)合該橋現(xiàn)狀技術(shù)狀況與相關(guān)檢測評定規(guī)范，按照檢測結(jié)果修正該橋數(shù)值計算模型后進行主拱圈強度、剛度驗算，以此評價了該橋現(xiàn)狀實際承載能力并提出后期管養(yǎng)建議．

懸鏈線石拱橋；構(gòu)件病害；巖石抗壓強度；結(jié)構(gòu)檢算；承載能力

石拱橋是以天然石料為主要建筑材料、以弧形拱圈為主要受力構(gòu)件，具有外形優(yōu)美、構(gòu)造簡單、取材方便、造價低廉等優(yōu)點，是我國傳統(tǒng)橋梁的主要結(jié)構(gòu)型式，并在盛產(chǎn)石材的山區(qū)得到了最廣泛的應(yīng)用．早期石拱橋跨徑較小，大多采用圓弧線或橢圓線作為拱軸線，隨著設(shè)計理論、施工工藝、計算工具的進步，傳統(tǒng)石拱橋在向大跨徑發(fā)展的過程中，逐漸采用更加經(jīng)濟合理的懸鏈線作為拱軸線[1-2]，例如四川富順沱江橋(1968年建成)、云南長虹橋(1961年建成)、重慶九溪溝橋(1972年建成)等．由于這類石拱橋原設(shè)計荷載等級較低或不明確，加上在運營中受現(xiàn)代交通量增加、車輛超載、石材老化等不利因素影響，橋梁構(gòu)件不可避免產(chǎn)生某些病害，對橋梁通行能力帶來安全隱患．為確保橋梁運營安全并促進公路交通在地方經(jīng)濟發(fā)展中的支撐作用，需要對既有懸鏈線石拱橋病害進行全面檢測并科學(xué)評價其現(xiàn)狀承載能力．

本文以我國西南山區(qū)常見的懸鏈線石拱橋為例，通過全面外觀檢查、主拱圈線形測量、構(gòu)件尺寸實測及砌石鉆芯取樣后測強等方式采集該橋現(xiàn)狀信息，在評估橋梁技術(shù)狀況后，利用檢測信息建立該橋數(shù)值分析模型，按相關(guān)規(guī)范分析該橋現(xiàn)狀承載能力，為管養(yǎng)部門及時了解該橋?qū)嶋H狀況提供科學(xué)依據(jù)，對山區(qū)同類石拱橋通行管理提供技術(shù)參考．

1 工程概況

某山區(qū)石拱橋建于1978年，橋梁設(shè)計與施工等技術(shù)資料已缺失，通過對拱圈及橋面等進行測量，得到橋梁實際基本尺寸．橋梁全長125 m，跨徑布置為1×5 m(實腹式引拱)+1×90 m(空腹式懸鏈線主拱)+3×5 m(實腹式引拱)，主拱上共計10個腹拱，見圖1．引拱、主拱、腹拱的矢跨比分別為1/5、1/8、1/5，拱圈厚分別為0.45 m、1.6 m、0.45 m，拱圈橫向?qū)?.2 m，拱圈材料為小石子混凝土砌塊石．橋面全寬7.8 m，橫向布置為2×0.75 m(防撞護欄)+6.3 m(車行道)，原橋面鋪裝為13 cm厚水泥混凝土，橋梁管養(yǎng)部門后來在原橋面上加鋪了10~13 cm厚鋼筋混凝土層，并在原石砌欄桿內(nèi)側(cè)增設(shè)防撞護欄，見圖2．

該橋所屬路線為省道，但橋梁原設(shè)計荷載等級不詳．建成使用40年來，該橋已出現(xiàn)一些表觀缺陷病害，相應(yīng)的養(yǎng)護維修資料較少，且橋上通行重車較多(見圖3)．為了解橋梁目前的實際狀況，筆者對該橋進行運營檢測，結(jié)合橋梁技術(shù)狀況進行承載能力分析，可為橋梁后期運營與管理提供技術(shù)依據(jù)．

圖1 懸鏈線石拱橋立面圖 (單位：cm)

圖2 跨中斷面圖 (單位：cm)

圖3 橋上重車

2 石拱橋檢測內(nèi)容及方法

構(gòu)件病害綜合體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)內(nèi)外部缺陷與損傷．為準(zhǔn)確反映橋梁目前狀態(tài)，在進行結(jié)構(gòu)檢算前需要對橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進行病害檢測，這對合理判斷結(jié)構(gòu)承載能力具有指導(dǎo)意義．參考類似石拱橋的常見病害[3-5]與現(xiàn)場作業(yè)條件，主要檢測內(nèi)容及方法如下．

(1)表觀檢查：主拱圈滲水、風(fēng)化、裂縫及拱腳位移，灰縫脫落位置及分布情況，拱上結(jié)構(gòu)變形、橫向開裂與移位，橋面鋪裝破損與排水，橋臺傾斜、滑移及裂縫等．表觀檢查以目視為主，輔以拍照記錄具體部位的病害狀況，裂縫寬度用裂縫觀測儀測量．

(2)專項檢查：采用全站儀測量主拱圈線形、橋面線形及相關(guān)尺寸并恢復(fù)橋梁圖紙；采用取芯機在主拱圈上取樣，進行飽水狀態(tài)下的抗壓強度試驗；采用取芯機在橋面取樣，以確定橋面鋪裝分層及厚度，以及拱上填料材料類型，為結(jié)構(gòu)檢算提供基本數(shù)據(jù)．

為便于現(xiàn)場檢測及后續(xù)分析，約定以樁號從小到大為正方向，以此對橋梁各構(gòu)件進行編號，見圖1，例如0#臺上對應(yīng)1#引拱，1#臺上依次為2#~4#引拱，1#引拱與1#腹拱之間為1#立墻，1#腹拱與2#腹拱之間為2#立墻，以此類推．

3 現(xiàn)狀檢測結(jié)果

該橋檢測發(fā)現(xiàn)的主要病害如下．

(1)上部結(jié)構(gòu)：經(jīng)檢查，主拱拱腹在5#、6#腹拱對應(yīng)位置，1#~4#引拱拱腹及1#~10#腹拱拱腹，多處滲水、泛堿，且呈鐘乳狀，面積分別約為1.5 m2、5.7 m2、3.2 m2，見圖4；1#、10#腹拱局部灰縫脫落(長度7 m)；1#、8#、11#立墻局部破損、剝落，面積約0.14 m2；1#~4#、11#、12#立墻大面積水漬、青苔，面積約9 m2．

(2)下部結(jié)構(gòu)：經(jīng)檢查，0#臺前墻砌筑不規(guī)范，局部灰縫脫落(長度5 m)；0#、1#臺有大面積的滲水、青苔；0#臺右側(cè)被泥土掩埋、擠壓．

圖4 引拱拱腹局部滲水、泛堿

(3)橋面系：橋面鋪裝多處破損、開裂(見圖5)，總面積約38 m2；橋面兩側(cè)距中線1 m，有2條斷續(xù)貫通裂縫；橋面多處有小坑槽和積水，且橋臺與路面連接處有輕微跳車現(xiàn)象．1#臺右側(cè)防撞護欄破損、露筋，面積約0.18 m2．

圖5 橋面鋪裝局部破損、開裂

(4)橋梁線形：采用全站儀對橋面線形、主拱線形進行測量(氣溫21 ℃)，測量方法為自設(shè)坐標(biāo)系下的三角坐標(biāo)法．以0#臺為起點，沿橋面左右側(cè)布置2條測線共32個測點，左右側(cè)實測橋面線形見圖6，由此可見，橋面線形局部不平順，這與橋面開裂、破損病害及道路接線設(shè)置有關(guān)．由于0#臺側(cè)主拱拱腳局部被泥土掩埋，拱腳附近2.8 m范圍內(nèi)無法測量，因此，自0#臺側(cè)拱腳附近重新選擇起點，沿拱腹下緣布置35個測點進行測量．主拱拱腹實測線形與理論線形對比見圖7，其中理論線形的拱軸系數(shù)=2.814(跨徑90.0 m、矢跨比1/8)．從圖7可見，主拱拱腹線形平滑順暢，無明顯突變或拐點．

(5)巖石抗壓強度：拱圈是拱橋重要的受力構(gòu)件，為了確定現(xiàn)狀下的拱圈砌石強度并為后續(xù)承載能力分析提供必要的參數(shù)，根據(jù)文獻[6]相關(guān)要求，在主拱圈選取鉆芯位置并鉆取6組芯樣，進行飽水狀態(tài)下的強度試驗(見表1)，主拱圈砌石單軸抗壓強度均值為91.2 MPa．

圖6 橋面實測線形

圖7 主拱拱腹實測線形

表1 主拱圈砌石抗壓強度試驗值

4 橋梁技術(shù)狀況評估

綜合第3節(jié)的外觀檢查結(jié)果，采用文獻[7]推薦的分層綜合評定法與5類橋梁單向控制指標(biāo)，逐一確定上、下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件及橋面系構(gòu)件的病害評定標(biāo)度及扣分值．在評定過程中發(fā)現(xiàn)，該橋3類構(gòu)件主要為1#~4#引拱圈、1#~10#腹拱圈，以及1#~4#、8#、11#、12#立墻和橋梁排水系統(tǒng)，4類構(gòu)件主要為橋面鋪裝(構(gòu)件評分=49.39)．全橋技術(shù)狀況評分r=71.79，見表2，總體技術(shù)狀況等級為3類，表明該橋有中等缺損．

表2 石拱橋綜合技術(shù)狀況評定表

5 橋梁現(xiàn)狀承載能力分析

由于該橋原設(shè)計荷載等級不明確，運營多年來橋上通行重車明顯增多，為客觀準(zhǔn)確確定橋梁實際荷載等級，本節(jié)按現(xiàn)行規(guī)范[8-9]試算該橋現(xiàn)狀下滿足的荷載等級標(biāo)準(zhǔn)，可為橋梁通行管理提供技術(shù)依據(jù)．

5.1 計算說明與建模

參考同年代類似石拱橋，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和巖石單軸抗壓強度試驗結(jié)果，取主拱圈材料為C20MU80、腹拱圈及立墻材料為C15MU80，拱上填料為粘土．

計算中主要考慮恒載、汽車荷載及溫度荷載作用．對于汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)橋梁所屬路線等級，參考文獻[8](簡稱2015《通規(guī)》)、文獻[9](簡稱1989《通規(guī)》)后，分別選取公路-II級荷載、汽車-15級荷載進行試算，由于拱上填料含路面厚度大于0.5 m，故不考慮汽車沖擊作用．因無橋梁施工及合攏資料，參考當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r，溫度荷載按升、降溫20度予以考慮，并參照文獻[10](簡稱《圬工規(guī)范》)規(guī)定，計算拱圈的溫度變化影響時，作用效應(yīng)予以折減．

采用Midas軟件，以實測拱軸線為基礎(chǔ)進行建模，拱圈及立墻通過單元自重來考慮，二期恒載荷載集度計入后期新增鋪裝層的影響，橋梁計算模型見圖8．

5.2 主拱圈強度驗算

5.2.1 荷載組合

根據(jù)拱橋受力特點，選取主拱圈的拱腳截面、/8截面、/4截面、3/8截面、/2截面作為特征截面，分別計算在恒載、汽車荷載(公路-II級、汽-15級)、溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力后，按2015《通規(guī)》進行荷載效應(yīng)基本組合．

根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合，建立如下4種荷載組合進行計算分析：組合1：1.1×[γ×恒載+1.4×汽車荷載max]；組合2：1.1×[γ×恒載+1.4×汽車荷載min]；組合3：1.1×[γ×恒載+1.4×汽車荷載max+1.4×0.75×溫度max]；組合4：1.1×[γ×恒載+1.4×汽車荷載min+1.4×0.75×溫度min]．

5.2.2 主拱圈正截面強度檢算

根據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[11]，圬工橋梁承載能力極限狀態(tài)按

經(jīng)試算表明：若按照2015《通規(guī)》，在0.9倍公路-II荷載作用下，特征截面偏心距=-0.13~0.169 m，其絕對值均小于容許偏心距[]=0.48 m，特征截面最小抗效比(容許軸力[]/設(shè)計軸力)為1.00，各組合下的驗算情況見圖9．

圖9 0.9倍公路-II級荷載作用下主拱圈正截面強度驗算

若按照1989《通規(guī)》，在汽車-15級荷載作用下，特征截面偏心距=-0.126~0.17 m，其絕對值均小于容許偏心距[]=0.48 m，特征截面最小抗效比(容許軸力[]/設(shè)計軸力)為1.01，各組合下的驗算情況見圖10．

圖10 汽車-15級荷載作用下主拱圈正截面強度驗算

5.3 主拱圈剛度驗算

經(jīng)計算表明，在正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合下，0.9倍公路-Ⅱ級荷載和汽車-15級荷載作用下的主拱圈正負(fù)撓度的絕對值之和分別為18.2 mm、14.5 mm，均小于計算跨徑的1/1 000(約90 mm)，主拱圈剛度滿足相應(yīng)荷載等級的使用要求．

5.4 主拱圈整體“強度—穩(wěn)定”驗算

根據(jù)文獻[10]規(guī)定：(1)該橋拱上建筑為拱式結(jié)構(gòu)，計算中已考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用，故可不考慮縱向長細比對構(gòu)件承載能力的影響；(2)該橋主拱圈寬7.2 m，大于計算跨徑的1/20，可不考慮橫向長細比對承載能力的影響．因此，該橋不進行主拱圈整體“強度-穩(wěn)定”驗算．

5.5 承載能力分析結(jié)果

通過上述檢算分析，在現(xiàn)狀條件下，該懸鏈線石拱橋主拱圈的承載能力滿足2015《通規(guī)》中0.9倍公路-Ⅱ級荷載作用下的使用要求，并滿足1989《通規(guī)》中汽車-15級荷載作用下的使用要求．由于該橋通上通行重車較多，有必要對通行車輛進行限載管理，包括對車輛總重、軸重限制．

6 結(jié)論

通過對該運營40年的山區(qū)懸鏈線石拱橋進行檢測與承載能力分析，可得如下結(jié)論：

(1)該橋綜合技術(shù)狀況評定結(jié)果為3類，橋面鋪裝為4類構(gòu)件，全橋橋面鋪裝多處開裂、破損、露筋，應(yīng)結(jié)合橋涵養(yǎng)護規(guī)范對橋面鋪裝病害及時處治，并對橋臺與道路接線進行平順處理．

(2)根據(jù)病害檢測結(jié)果進行承載能力分析，表明該懸鏈線石拱橋主拱圈現(xiàn)狀條件下滿足2015《通規(guī)》中0.9倍公路-Ⅱ級荷載或1989《通規(guī)》中汽車-15級荷載作用下的使用要求，山區(qū)類似石拱橋可據(jù)此參照進行橋梁通行車輛限載管理．

[1]石紹甫. 關(guān)于懸鏈線無鉸拱橋的恒載內(nèi)力計算述評[J]. 公路, 1990(06): 23-24.

[2]張喜波. 多跨懸鏈線空腹式拱橋有限元模型研究[D]. 重慶: 重慶交通大學(xué), 2008.

[3]許圣祥. 既有圬工拱橋檢測和評定方法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2010.

[4]孫宇, 施洲. 石拱橋的檢測試驗及驗算評定[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2009(03): 76-80.

[5]牛東強. 石拱橋檢測及承載能力修正[J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2016, 14(3): 232-236.

[6]JTG E41-2005, 公路工程巖石試驗規(guī)程[S].

[7]JTG/T H21-2011, 公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[8]JTG D60-2015, 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[9]JTJ 021-89, 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[10]JTG D61-2005, 公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[11]JTG/T J21-2011, 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

(責(zé)任編校：陳健瓊)

Inspection and Load-Bearing Capacity Analysis of Catenary Stone Arch Bridge

PENG Wei1,2, WU Chengzhong1, ZHENG Jianhong3

(1. Chongqing Anji Construction & Reinforcement Co., Ltd., Chongqing 401120, China; 2. State Key Laboratory of Bridge Engineering Structure Dynamics, Chongqing Communication Research & Design Institute Co., Ltd., China Merchants Group, Chongqing 400067, China; 3. Chongqing Zhongshe Engineering Design Co., Ltd., Chongqing 400025, China)

To explore the practical load-bearing capacity of catenary stone arch bridge in service, taking a mountainic stone arch bridge used over 40 years for example, the overall inspection has been carried out, including visual defects, stone compressive strength test, bridge alignment and components size measurement, then bridge technical state level and standards for related testing and evaluation are applied to check the strength and rigidity of main arch with modified finite element model. Finally, the present load-bearing capacity and technical suggestions for further management and maintenance of the catenary stone arch bridge are given based on the aforementioned checking results.

catenary stone arch bridge; member defects; stone compressive strength; structural calculation; load-bearing capacity

U446

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.06.0003

1672–7304(2017)06–0011–05

2017-11-10

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1401323)

彭偉(1980-)，男，重慶人，高級工程師，博士，主要從事工程安全與維護技術(shù)研究．E-mail: pwei99@126.com