在役空腹式圬工拱橋承載能力評(píng)定分析

秦天龍， 張光煒

(四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610081)

1 工程概況

平溪河大橋位于四川省滎經(jīng)縣，跨越經(jīng)河，與規(guī)劃中的經(jīng)河西路相交，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查該橋修建于20世紀(jì)80年代，為村民集資修建橋梁，故無相關(guān)設(shè)計(jì)及施工過程資料。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該橋全長(zhǎng)167.2 m。上部結(jié)構(gòu)為6跨石砌拱橋，凈跨徑分為7.9 m、40.4 m、40.9 m、7.9 m、20.5 m和20.5 m，其中第1、4、5、6跨為等截面圓弧實(shí)腹式石砌拱，第2、3跨為空腹式石砌拱。下部結(jié)構(gòu)為重力式圬工橋臺(tái)/墩。橋面系鋪裝層采用約25 cm厚的普通鋼筋混凝土(圖1)。

圖1 平溪河大橋

2 評(píng)定目的

通過對(duì)橋梁基礎(chǔ)資料搜集和整理，詳細(xì)了解橋梁的基本狀況、技術(shù)參數(shù)等[1]，為橋梁檢測(cè)鑒定提供必要的技術(shù)依據(jù)和資料；通過詳細(xì)的橋梁外觀檢查，對(duì)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)各組成構(gòu)件存在的病害進(jìn)行詳細(xì)描述(包括病害的種類、位置、程度等)，以確定材料當(dāng)前狀況和劣化程度，結(jié)合實(shí)測(cè)幾何參數(shù)、構(gòu)件材料強(qiáng)度檢測(cè)、結(jié)構(gòu)線形與變位檢測(cè)、結(jié)構(gòu)缺損狀況檢測(cè)和結(jié)構(gòu)布置情況為鑒定提供必要數(shù)據(jù)支持。以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、檢查和相關(guān)調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，利用有限元軟件及手算結(jié)果綜合分析評(píng)估橋梁，指導(dǎo)今后橋梁的正確使用、養(yǎng)護(hù)和維修[2]。

3 橋梁外觀檢查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，橋面系主要病害為[3]：橋面開裂嚴(yán)重，局部出現(xiàn)破損；部分護(hù)欄破損。該橋主拱圈主要病害為：滲水、泛堿和局部灰縫脫落，拱上建筑主要病害為：側(cè)墻、腹拱圈滲水泛堿，未見主拱圈出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，圬工石材表面較好。

4 橋梁結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè)

4.1 橋面鋪裝層厚度

現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行鉆芯檢測(cè)該橋鋪裝層厚度及側(cè)墻構(gòu)造，混凝土芯樣長(zhǎng)度分別為27.5 cm、22.4 cm和26.9 cm，平均值為26.5 cm。

4.2 橫斷面檢查結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，該橋第1跨側(cè)墻厚度約為90 cm。根據(jù)主拱線形檢查結(jié)果，第1跨為R=4.2 m圓弧拱，拱圈厚度約為0.45 m，凈矢高f=3.921 m；第2跨拱圈厚度約為0.80 m，凈矢高f=4.149 m；第3跨拱圈厚度約為0.80 m，凈矢高f=4.115 m；第5跨拱圈厚度約為0.70 m，凈矢高f0=2.101 m；第6跨拱圈厚度約為0.70 m，凈矢高f=2.103 m。

5 橋梁檢算評(píng)定

5.1 檢算系數(shù)的確定

根據(jù)該橋現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢測(cè)情況，按JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，材質(zhì)強(qiáng)度評(píng)定取1；表觀缺損狀況評(píng)定標(biāo)度取2；固有模態(tài)標(biāo)度取1，得出承載能力檢算系數(shù)Z1。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 橋梁承載能力系數(shù)Z1計(jì)算結(jié)果

截面折減系數(shù)ξ主要是考慮結(jié)構(gòu)由于風(fēng)化、碳化、物理或化學(xué)損傷造成的有效面積損失對(duì)有效結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面抗力效應(yīng)的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分別對(duì)表中各檢測(cè)指標(biāo)給出評(píng)定標(biāo)度值，計(jì)算得到構(gòu)件截面損傷的綜合評(píng)定值R。根據(jù)截面損傷的綜合評(píng)定值R，得出截面折減系數(shù)ξ。詳見表2。

表2 截面折減系數(shù)ξ計(jì)算結(jié)果

5.2 計(jì)算模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas civil對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[6]，全橋劃分為974個(gè)單元，715個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型見圖2。主拱與腹拱和橫墻采用共節(jié)點(diǎn)，主拱和橋墩采用剛性連接，橋墩處固結(jié)。主拱、腹拱采用梁?jiǎn)卧?，為矩形截面?/p>

圖2 有限元模型

5.3 計(jì)算參數(shù)

本次檢算按JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》結(jié)合JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行，平溪河大橋所在道路是城市支路，故平溪河大橋在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是城-B級(jí)荷載，計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算參數(shù)

5.4 拱圈作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)匯總

按JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》結(jié)合JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1條的相關(guān)規(guī)定，考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用時(shí)，在車道荷載計(jì)算拱的正彎矩時(shí)，可對(duì)主拱各截面進(jìn)行不同程度的折減(正彎矩)，但Midas civil有限元計(jì)算模型中不能完全考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用，偏于安全考慮，本次車道荷載的正彎矩不進(jìn)行折減。有限元模型計(jì)算中作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值如表4、表5所示。

表4 第1跨拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算作用效應(yīng)值

表5 第2跨拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算作用效應(yīng)值

5.5 拱圈截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的基本組合按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.1.5條執(zhí)行。拱圈強(qiáng)度驗(yàn)算按JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的5.1.4條第一款進(jìn)行(表6、表7)。

由表6、表7可知，當(dāng)汽車荷載等級(jí)為城-B級(jí)(結(jié)構(gòu)自重分項(xiàng)系數(shù)取1.2)時(shí)，第一跨主拱在Mmax+升溫工況和Mmax+降溫工況下，拱頂偏心距和拱腳偏心距均大于0.6 s，不滿足JTG D61-2005 《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.0.9條要求，承載力也不滿足規(guī)范要求。第二跨主拱偏心距限值e(0.6 s=0.24 m)均在JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.0.9條的規(guī)定范圍內(nèi)，但承載力不滿足規(guī)范要求。

表6 第1跨主拱截面強(qiáng)度驗(yàn)算

表7 第2跨主拱截面強(qiáng)度驗(yàn)算

6 結(jié)論

通過對(duì)平溪河大橋的外觀檢查和專項(xiàng)檢測(cè)，取得以下結(jié)論：

(1)該橋橋面混凝土局部出現(xiàn)開裂、破損及護(hù)欄破損；上部結(jié)構(gòu)的主要病害為主拱圈的滲水泛堿和局部灰縫脫落，拱上建筑的側(cè)墻、腹拱圈滲水泛堿；圬工石材表面較好，局部表面有輕微剝落；未見主拱圈出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

(2)所檢主拱圈線性光滑，未發(fā)現(xiàn)異常變形；橋面在第2跨和第5跨跨中截面較兩端的橋墩有明顯的下沉。

(3)該橋0#臺(tái)、1#墩均未發(fā)現(xiàn)因主體結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的裂縫和變形的不良現(xiàn)象且為發(fā)現(xiàn)影響其主體結(jié)構(gòu)安全的整體傾斜，并結(jié)合橋梁巖土工程勘察結(jié)論以及其已正常使用30多年的情況，經(jīng)綜合分析判斷，該橋梁0#臺(tái)及1#墩臺(tái)地基基礎(chǔ)目前穩(wěn)定，無嚴(yán)重的靜載缺陷。

通過對(duì)平溪河大橋的承載力評(píng)定[7]，取得以下結(jié)論：

根據(jù)橋梁外觀檢查、專項(xiàng)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)檢算以及相關(guān)道路技術(shù)資料，經(jīng)綜合分析判定，平溪河大橋在承載能力極限狀態(tài)下，主拱圈截面強(qiáng)度不能滿足汽車荷載為城-B級(jí)的承載能力要求。

7 建議

綜上所述，對(duì)平溪河大橋提出以下建議：

(1)建議對(duì)該橋橋面混凝土局部出現(xiàn)開裂、破損及護(hù)欄破損采取必要處理措施。

(2)建議對(duì)該橋主拱、側(cè)墻等滲水泛堿病害進(jìn)行相應(yīng)處理。

(3)平溪河大橋修建于20世紀(jì)80年代，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)30余年，規(guī)范計(jì)算理論及作用分項(xiàng)系數(shù)調(diào)整變化較大，導(dǎo)致其承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求，故建議該橋主體結(jié)構(gòu)采取必要的加固處理措施或采取限載措施(建議按照小型車專用道路進(jìn)行限載)[8]。