既有石拱橋通行安全評(píng)估研究

■劉 明

(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025)

既有石拱橋通行安全評(píng)估研究

■劉 明1,2

(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025)

以一座(4×30)m空腹式等截面石拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過對(duì)橋梁目前高峰期交通流量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)及計(jì)算，分析目前的通行狀況是否滿足橋梁的通行要求。從長遠(yuǎn)規(guī)劃考慮后期由于交通量增大，橋面擁堵的情況下對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行了檢算。最后通過橋梁靜載試驗(yàn)對(duì)橋面擁堵情況進(jìn)行了安全驗(yàn)證。結(jié)合檢算及靜載試驗(yàn)的結(jié)果判斷橋梁是否滿足安全通行的要求，該過程與方法對(duì)于該類橋型的通行安全評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

石拱橋 交通流量 通行安全 評(píng)估研究

1 引言

石拱橋是一種歷史悠久，充滿生機(jī)的橋梁形式。相比其他橋型，石拱橋具有能充分發(fā)揮圬工材料的受力特點(diǎn)、承載能力大、取材方便、施工方便、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]。20世紀(jì)50-60年代，我國在公路、城市中修建了大量的石拱橋，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)荷載偏低，在橋梁的運(yùn)營期，由于頻繁承載甚至超載，加上自然環(huán)境的侵蝕等的影響，造成橋梁的損傷和局部破壞。石拱橋不斷下降的承載能力與日益增長的交通需求之間的矛盾越來越大。如何對(duì)既有石拱橋通行狀況進(jìn)行安全評(píng)估成為當(dāng)下亟需解決的問題[2]。

本文以一座(4×30m)空腹式等截面城市石拱橋?yàn)槔ㄟ^對(duì)橋梁高峰期交通流量的調(diào)查及統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析目前的通行狀況是否滿足橋梁的通行要求。根據(jù)調(diào)查結(jié)果假定橋面擁堵20t貨車的情況下對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行了檢算并通過靜載試驗(yàn)對(duì)該情況下的橋梁安全進(jìn)行了驗(yàn)證。相關(guān)方法可對(duì)同類橋梁通行安全評(píng)估具有借鑒參考意義。

2 工程概況

某石拱橋?yàn)?4×30m)空腹式石拱橋，為省道及城區(qū)重要的交通通道。橋面布置為1.5m(人行道凈寬)+8.85m(行車道)+1.5m(人行道凈寬)。上部結(jié)構(gòu)為單跨凈跨徑30m，凈矢高5.0m，凈矢跨比1/6的空腹式石拱橋。主、腹拱圈寬度為10.0m，主拱圈厚度0.8m，腹拱圈厚度0.3m。主、腹拱圈、橫墻、側(cè)墻采用M10砂漿砌Mu80粗料石；路面為混凝土鋪裝層。下部結(jié)構(gòu)：塊石砌體重力式橋墩、橋臺(tái)。橋型布置見圖1。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

3 高峰期交通流量調(diào)查

3.1 車型分布

根據(jù)橋梁的交通流特點(diǎn)，分別確定 07：40～08：40、17：30～18：30為大橋的早、晚交通量高峰期。通過對(duì)橋梁高峰期交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，以獲取較準(zhǔn)確的交通量。

早高峰時(shí)段數(shù)據(jù)樣本中，平均每天早高峰共實(shí)測(cè)到412輛車輛數(shù)據(jù)，其中小型車共238輛，占全部流量的57%;中型車共122輛，占全部流量的 30%;大型車共45輛，占全部流量的11%；拖掛車共 7輛，占全部流量的2%。晚高峰時(shí)段數(shù)據(jù)樣本中，平均每天晚高峰共實(shí)測(cè)到484輛車輛數(shù)據(jù)，其中小型車共338輛，占全部流量的70%;中型車共102輛，占全部流量的21%;大型車共25輛，占全部流量的 5%；拖掛車共19輛，占全部流量的4%。通過統(tǒng)計(jì)可以看出，過橋交通量中中型車以上的車輛分布相對(duì)較大。尤其是早高峰時(shí)段，共占全部流量的43%。各類車型所占比例如圖2、圖3所示。

圖2 早高峰時(shí)段車型分布圖

圖3 晚高峰時(shí)段車型分布圖

3.2 高峰小時(shí)交通量

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)[3]，三級(jí)公路的服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以行駛延誤為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其設(shè)計(jì)通行能力按三級(jí)服務(wù)水平設(shè)計(jì)，一個(gè)車道的設(shè)計(jì)通行能力如表1。

表1 三級(jí)公路的設(shè)計(jì)通行能力

交通量換算采用小客車為標(biāo)準(zhǔn)車型，采取標(biāo)準(zhǔn)車折算。經(jīng)計(jì)算，早高峰時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)交通量Q早為532pcu/h，晚高峰時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)交通量Q晚為598pcu/h?？梢姌蛄弘p車道的通行能力為800～1400pcu/h，橋梁現(xiàn)有通行能力大于早晚高峰期小時(shí)交通量Q，表明目前橋梁橋面通行能力尚能滿足該路段正常早晚高峰期的通行要求。

4 橋梁承載能力檢算

從長遠(yuǎn)規(guī)劃來看，若橋梁路段后期交通量增大，由于等候紅綠燈，以橋面擁堵總重20t的貨車(主要技術(shù)參數(shù)為前軸重70kN，后軸重130kN，軸距為4.0m，輪距為1.8m)，貨車以橫橋向3輛(橫向間距為1.5m)，縱橋向間距為1.5m的布置方式堵塞于橋面的情況，按橋梁各控制截面影響線進(jìn)行最不利情況下縱向布載，對(duì)該橋進(jìn)行承載能力檢算。

4.1 結(jié)構(gòu)分析模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立不考慮拱上建筑聯(lián)合作用的平面桿系模型，拱肋、腹拱、立墻、拱上填料和橋面采用梁單元模擬。模型中腹拱、立墻簡化為和主拱圈連接的梁單元，共劃分1837個(gè)梁單元。模型中拱上填料采用豎向布置的梁單元模擬，與主拱、腹拱及橋面兩端均采用鉸接，設(shè)置較小的剛度，拱上填料主要傳遞拱上結(jié)構(gòu)活載的作用。石材強(qiáng)度等級(jí)取Mu80，砂漿強(qiáng)度等級(jí)取M10，砌體受壓彈性模量E=7300MPa。塊石砂漿砌體軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd取1.14MPa，砂漿砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftmd取0.086MPa。橋梁有限元模型見圖4。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)分析模型

4.2 荷載組合

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[4]進(jìn)行荷載組合計(jì)算。

①恒載：主拱圈、立墻、拱上填料、橋面鋪裝等。

②車輛荷載：橋面擁堵貨車情況。

③溫度作用：參考年溫度變化，以最高月平均溫度與拱圈合攏溫度之差作為升溫荷載計(jì)算依據(jù)，以最低月平均溫度與拱圈合攏溫差作為降溫荷載計(jì)算依據(jù)。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)第4.3.12條文規(guī)定，溫度作用效應(yīng)根據(jù)規(guī)范考慮0.7折減。由于缺乏舊橋設(shè)計(jì)、竣工等資料，參照以往的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)卦聹囟茸兓瑯蛄汉蠑n溫度為15℃，月平均溫度最高為35℃，月平均溫度最低為0℃。該橋進(jìn)行承載能力檢算時(shí)，溫度作用考慮整體升溫20℃和降溫15℃。

組合Ⅰ=1.2恒+1.4車輛+1.12人群荷載；

組合Ⅱ=1.2恒+1.4車輛+1.12人群荷載+0.78溫度(升溫 20℃或降溫 15℃)。

4.3 承載能力檢算結(jié)果

依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)[5]對(duì)橋梁進(jìn)行承載能力檢算。橋面在20t貨車擁堵作用下，主拱圈拱頂截面、拱腳截面、L/4截面承載能力滿足安全使用要求，橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力滿足橋面擁堵貨車的使用要求，結(jié)構(gòu)處于安全承載的臨界狀態(tài)。承載能力檢算結(jié)果見表2。

表2 擁堵狀況下拱肋正截面強(qiáng)度檢算

5 橋梁靜載試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)過程

隨機(jī)選取其中一跨作為試驗(yàn)對(duì)象。以橋面擁堵總重20t的貨車情況、人群荷3.5kN/m2的荷載為校驗(yàn)荷載，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，采用2輛38t后八輪加載車進(jìn)行分級(jí)加載，并通過布置荷載工況，使現(xiàn)場(chǎng)加載產(chǎn)生的內(nèi)力與校驗(yàn)荷載產(chǎn)生的理論內(nèi)力的比值符合 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)[6]要求。

靜載試驗(yàn)控制截面見圖5，試驗(yàn)跨跨中、L/4截面位置主拱圈等間距布置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，如圖6所示，加載及退載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后測(cè)讀撓度數(shù)據(jù)。工況一～工況三車輛加載順橋向布置圖詳見圖7～圖9，橫橋向加載根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況居中加載。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)控制截面的撓度值均小于理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.65～0.74之間，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[7]中規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求；相對(duì)殘余變形在0.00%～5.26%之間，滿足規(guī)范[7]規(guī)定的相對(duì)殘余變形限值要求(限值20%)，表面恢復(fù)情況良好。試驗(yàn)過程中主拱圈未見明顯異常。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁滿足橋面擁堵貨車、人群3.5kN/m2校驗(yàn)荷載下的安全使用要求。

圖5 控制截面(單位：cm)

圖6 截面撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖7 工況一車輛立面布置圖(單位：cm)

圖8 工況二車輛立面布置圖(單位：cm)

圖9 工況三車輛立面布置圖(單位：cm)

表3 各工況靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

6 結(jié)論

通過對(duì)既有石拱橋現(xiàn)狀的通行狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)、橋面擁堵情況下橋梁承載能力檢算以及橋梁靜載試驗(yàn)，綜合評(píng)定橋梁是否滿足通行安全要求，結(jié)論如下：

(1)既有橋梁通行安全評(píng)估應(yīng)基于現(xiàn)狀交通調(diào)查結(jié)果進(jìn)行檢算評(píng)定。本文通過對(duì)該橋通行車型分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、對(duì)高峰小時(shí)交通量進(jìn)行了計(jì)算。并針對(duì)橋面擁堵情況下對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行了檢算，最后通過靜載試驗(yàn)對(duì)擁堵情況進(jìn)行了安全驗(yàn)證的方法對(duì)既有橋梁的通行安全進(jìn)行了科學(xué)評(píng)估。

(2)目前橋梁橋面通行能力尚能滿足該路段正常早晚高峰期的通行要求，若突發(fā)交通量增大，交通管理部門應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)采用分流疏導(dǎo)交通措施或調(diào)整信號(hào)燈的周期時(shí)長，避免擁堵排隊(duì)至橋面。

(3)若后期交通量增大，通過調(diào)整紅綠燈信號(hào)燈的周期時(shí)長已無法避免橋面堵車時(shí)，必須嚴(yán)格禁止總重超過20t的車輛于高峰期間通行橋梁，以確保橋梁安全。

[1]羅英，唐寰澄.中國石拱橋研究[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]徐圣祥.既有圬工拱橋檢測(cè)和評(píng)定方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTGB01-2014，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG D61-2005，公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

[6]中華人民共和國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[7]中華人民共和國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.