農(nóng)村小跨徑圬工拱橋的承載能力評定研究

李 迪

(安徽省七星工程測試有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

圬工拱橋在20世紀60年代因其造型美觀、取材廣泛、施工方便等特點被大量修建，隨著運營時間的增長和我國交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致圬工拱橋經(jīng)常在超載條件下運營；同時隨著自然環(huán)境的侵蝕，造成了橋梁損傷和病害，橋梁承載能力和安全性能有所降低[1-3]。因此為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全，充分發(fā)揮橋梁作用，對圬工拱橋進行準確檢測和承載能力評定是非常有必要的。然而，由于早期修建的圬工拱橋往往存在設(shè)計資料缺失，原設(shè)計標準偏低等原因，導(dǎo)致很難對此類型橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力進行準確評定[4-6]。

針對傳統(tǒng)圬工拱橋的承載能力評定規(guī)范相對較少，其中JTG H21—2011公路橋梁技術(shù)狀況評定標準針對圬工拱橋的技術(shù)狀況給出了相關(guān)的評定標準；2011年發(fā)布的《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》則對圬工橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力評定做出了規(guī)定。然而，盡管上述標準、規(guī)范對圬工拱橋的承載能力評定方法進行了規(guī)定，但對如何實現(xiàn)此類型橋梁的承載能力評定尚未給出具體的說明。為了對農(nóng)村小跨徑圬工拱橋結(jié)構(gòu)的承載能力進行評定，本文以某農(nóng)村圬工拱橋為工程背景，首先通過無損檢測獲得橋跨的幾何線形、材料參數(shù)，以及病害狀況等，然后，利用有限元軟件建立考慮實際運營狀態(tài)的拱橋模型，并將上部荷載均勻施加到模型中，計算橋梁的抗力及荷載效應(yīng)，并在綜合橋梁技術(shù)狀況及抗力分析的基礎(chǔ)上對該橋梁的承載能力進行評定。基于本文的研究結(jié)果可為同類型的小跨徑圬工橋梁的承載能力評定提供重要參考。

1 橋梁概況

本文所研究的小跨徑圬工拱橋位于安徽省境內(nèi)，跨越溪流而修建。橋梁全長14.5 m，橋面寬度5.0 m，橋梁凈高為3.3 m，矢跨比為0.33。該橋的上部結(jié)構(gòu)為1×10圬工板拱，主拱圈厚度為0.6 m，拱頂填料厚度為漿砌片石混凝土。橋臺采用漿砌塊石橋臺；橋面底基層采用20 cm厚的碎石進行鋪設(shè)，另外橋面基層部分采用的是5%水泥穩(wěn)定碎石，其厚度約為34 cm；橋面面層則采用水泥混凝土進行鋪設(shè)。在橋面附屬設(shè)置方面，護欄采用防撞護欄形式，拱肋兩端與基礎(chǔ)固結(jié)，全橋無支座、伸縮縫、排水設(shè)施。橋梁現(xiàn)狀如圖1所示。

2 圬工拱橋的技術(shù)狀況評定

2.1 外觀檢查結(jié)果

對于該圬工拱橋，由于設(shè)計資料的缺失，為了能夠較為準確地對橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力進行判定，首先需要對結(jié)構(gòu)的外觀進行檢測，其中該小跨徑圬工拱橋的外觀檢測內(nèi)容主要包括三個部分，即橋面系狀況檢查、上部承重構(gòu)件檢查，以及下部結(jié)構(gòu)檢測，檢測結(jié)果如下所示。

2.1.1 橋面系檢查結(jié)果

通過對該橋梁的橋面系進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)橋面系的主要病害包括：

1)橋面鋪裝病害，在距離1號臺小里程側(cè)1 m處出現(xiàn)鋪裝層破損坑槽，破損坑槽面積約為1 m2，且坑槽內(nèi)存在少量淤泥和積水現(xiàn)象。

2)欄桿、護欄病害，護欄在全長范圍內(nèi)存在撞壞、缺失等現(xiàn)象，壞、缺失長度為0.1 m，寬度為0.2 m。

2.1.2 上部結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件檢查結(jié)果

該橋上部結(jié)構(gòu)主要指主拱圈及拱上側(cè)墻，為圬工拱橋的主要承重構(gòu)件，經(jīng)檢測，該部分的主要病害為：

1)主拱圈病害，主拱圈底面存在滲水現(xiàn)象，同時距離大樁號拱腳2 m處有2條灰縫松散脫落，灰縫長度為0.4 m，寬度為0.4 m。

2)拱上側(cè)墻病害，距離2號拱腳1 m處右側(cè)，實腹拱的拱上填料沉陷或縱向開裂，裂縫長度為2 m，裂縫寬度為0.01 m。

2.1.3 下部結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果

經(jīng)檢測，下部結(jié)構(gòu)主要病害為：1號橋臺臺背路面出現(xiàn)破損剝落現(xiàn)象，破損剝落長度為2 m，寬度為0.3 m。

2.2 橋梁技術(shù)狀況評定

在完成該圬工拱橋的外觀檢測之后，需要進一步結(jié)合2011年發(fā)布的《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》對該圬工橋梁的技術(shù)狀況進行評定。其中橋梁上部結(jié)構(gòu)中主拱圈部件評分68.69分，部件等級屬3類，拱上結(jié)構(gòu)評分為91.12分，部件等級屬2類。下部結(jié)構(gòu)中橋臺評分為85.00分，屬2類。橋面系中橋面鋪裝評分75.00分，屬3類。經(jīng)過計算該橋梁總體狀況評分為79.64分，為橋梁等級劃分中的三類橋，屬于有中度缺損狀態(tài)，但尚能維持正常的使用功能。因此，為確保橋梁使用安全，應(yīng)對橋梁進行加固、大修，同時為更加準確完善的評定橋梁狀況，應(yīng)對橋梁的承載能力進行評估，評估結(jié)果如表1所示。

表1 橋梁總體技術(shù)狀況評定結(jié)果

3 橋梁承載能力評估的方法

在橋梁承載能力評定的過程中，存在各種各樣的影響因素，目前國內(nèi)對于圬工拱橋承載能力評定尚無統(tǒng)一的方法，常用的圬工拱橋承載能力評定方法包括以下幾類：經(jīng)驗系數(shù)法、承載能力系數(shù)法、外觀調(diào)查法、基于規(guī)范類方法、基于荷載試驗類方法、有限元分析等方法。通常在實際橋梁的承載能力評定中，將幾種評估方法結(jié)合使用，例如將外觀檢測與有限元模擬結(jié)合，綜合評定橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力。

3.1 承載能力系數(shù)法

承載能力系數(shù)法是圬工橋梁評定常用的方法之一，其主要思路可解釋為：在一定的荷載條件下，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的真實強度與荷載效應(yīng)的比值。當采用這種方法進行橋梁承載能力評定時，需要獲得橋梁的關(guān)鍵受力截面，并計算截面失效模式下的承載力系數(shù)。其中得到的這些截面中最小的承載力系數(shù)即為該圬工橋梁所能承受的額定荷載。在各國規(guī)范中，對承載能力系數(shù)的規(guī)定均大同小異，基本都是采用截面抗力和荷載效應(yīng)比值的函數(shù)進行評定的[7-10]。

3.2 經(jīng)驗系數(shù)法

經(jīng)驗系數(shù)法顧名思義就是建立在專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，這類方法最主要的就是需要進行廣泛的調(diào)查研究，找出對橋梁承載能力有影響的關(guān)鍵參數(shù)，通過確定這些參數(shù)的取值范圍來大致判定圬工橋梁的承載能力[7]。這類方法可通過式(1)進行表述。

P=P0·K1·K2·K3·K4

(1)

其中，P0為原設(shè)計承載能力；K1為殘存承載能力系數(shù)；K2為橋面條件系數(shù)；K3為實際交通情況系數(shù)；K4為橋梁建造使用年限系數(shù)。

該方法應(yīng)用簡便，各個系數(shù)的取值情況根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定。但由于系數(shù)確定不夠準確，只能憑借專家經(jīng)驗對橋梁的承載能力進行評判，因此具有較大的不確定性，且計算結(jié)果與橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)往往具有較大差異。

3.3 基于外觀調(diào)查方法

外觀檢測法是評判橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的常用方法之一，其依據(jù)相關(guān)檢測規(guī)范，通過檢測人員對橋梁進行全面檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果判定結(jié)構(gòu)的損傷及衰退程度，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定的技術(shù)評定標準對橋梁的技術(shù)狀況進行劃分。這類方法盡管克服了經(jīng)驗法的不足，但評定結(jié)果與技術(shù)人員的檢測水平以及工程師經(jīng)驗有著重要關(guān)系，如果評定指標選擇不準確，往往導(dǎo)致錯誤的評定結(jié)果。該方法的主要局限性可歸納為：1)構(gòu)件內(nèi)部缺陷往往無法準確獲得，影響判定結(jié)果；2)結(jié)果與檢測人員的技術(shù)水平有著重要關(guān)聯(lián)；3)局部結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果往往無法反映橋梁的真實狀態(tài)；4)由于需要大量檢測人員參與，成本較高。

3.4 基于規(guī)范類方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測往往需要相應(yīng)的規(guī)范及標準進行統(tǒng)一指導(dǎo)。這些標準、規(guī)范的形成往往是基于大量橋梁調(diào)查、檢測的基礎(chǔ)上形成的，具有一定的可靠性。經(jīng)過許多年的發(fā)展與應(yīng)用，基于規(guī)范法的橋梁檢測得到了廣泛的應(yīng)用。其中對圬工橋梁承載能力評定相關(guān)的規(guī)范為《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，該規(guī)范對橋梁抗力以及荷載效應(yīng)的計算做出了相關(guān)規(guī)定，并對結(jié)構(gòu)抗力折減系數(shù)進行了定義，利用該類方法總體上能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁的承載能力判定[11]。然后，由于這類方法依賴于橋梁模型的準確性，抗力計算結(jié)果往往過分依賴于橋梁的初始設(shè)計資料，通常會造成計算的結(jié)果與橋梁的真實狀態(tài)有一定的偏差，因此,該類計算方法在橋梁承載能力評定中存在諸如客觀性差、隨機性大等缺點，導(dǎo)致承載能力的評定結(jié)果具有不妥之處，且效率相對較低[12]。

3.5 荷載試驗法

在圬工橋梁的承載能力評定中，荷載試驗類方法是最直接、最有效的結(jié)構(gòu)承載能力評定方法。該方法是在橋梁結(jié)構(gòu)的外觀調(diào)查基礎(chǔ)上，通過對橋梁結(jié)構(gòu)施加試驗荷載，獲得橋梁關(guān)鍵截面在試驗荷載作用下的應(yīng)變、撓度等重要指標，并通過與理論結(jié)果進行對比，計算關(guān)鍵截面的應(yīng)變及撓度校驗系數(shù)，通過校驗系數(shù)對橋梁的承載能力進行判定，這類方法也是目前橋梁結(jié)構(gòu)評價中使用最多、最可靠的一類方法。

這類方法因為直接采用現(xiàn)場試驗的方式，測得的結(jié)果直接反映結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)。尤其在舊橋評定中，當無法準確獲知橋梁的真實結(jié)構(gòu)參數(shù)時，采用荷載試驗法能有效地解決外觀評定法以及規(guī)范類方法的不足，直接獲得橋梁在額定荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。完整的橋梁荷載試驗包括兩個部分，即靜力荷載試驗以及動載試驗。

現(xiàn)在對橋梁荷載試驗進行規(guī)定的規(guī)范主要為2015年實施的《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》，該規(guī)范對橋梁結(jié)構(gòu)的靜動載試驗進行了詳細規(guī)定，包括如何確定橋梁的關(guān)鍵測試截面，以及如何布置應(yīng)變及變形測點，包括如何進行靜、動力加載。盡管荷載試驗是目前最準確的測試方法，但仍存在許多不足之處，例如，進行橋梁荷載試驗成本較高，是上述幾類方法中成本最高的，其次，荷載試驗對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷，同時影響橋面交通等；且測試結(jié)果受限于儀器精度及測試環(huán)境。盡管目前荷載試驗法在圬工橋梁評定中應(yīng)用較多，但這類方法并不能取代常規(guī)檢測方法，尤其對于年代久遠的圬工橋梁，荷載試驗往往會加劇橋梁的損傷，對橋梁的承載能力造成較大影響。

4 橋梁承載能力評定

基于現(xiàn)場對圬工拱橋的調(diào)查結(jié)果，本文采用MIDAS有限元分析軟件建立該圬工橋梁的有限元模型，并根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果確定材料及幾何參數(shù)，通過對該圬工拱橋施加城-B荷載定義結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載，并在有限元軟件中執(zhí)行靜力分析，對荷載基本組合條件下的主拱圈偏心距、截面強度進行校核，判定其承載能力是否滿足要求。

4.1 計算參數(shù)的選取及模型建立

根據(jù)現(xiàn)場實際檢測，該圬工拱橋主拱圈材料的彈性模量為5 650 MPa，溫度線膨脹系數(shù)為8×10-6，泊松比為0.25，重度為23 kN/m3，極限抗壓強度為2.84 MPa，極限抗拉強度為0.05 MPa。根據(jù)主拱圈拱背與橋面底面的距離，并考慮拱上填料的重量，取拱上填料和橋面鋪裝重力密度分別為18 kN/m3和14.82 kN/m2。汽車活載等級為公路-Ⅱ級，按均布荷載進行計算。利用MIDAS CIVIL 2020有限元軟件建立該圬工拱橋的空間有限元模型，對該拱形結(jié)構(gòu)進行建模分析，全橋共劃分20個單元，橋梁未設(shè)置支座，故在拱腳處設(shè)置固定支撐模擬無鉸拱形式。橋面寬度為5 m，行車道布置于橋梁中間位置，有限元模型及車道分布如圖2，圖3所示。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力計算

4.2.1 計算方法及依據(jù)

該橋圬工拱橋承載能力檢算過程中，選取主拱圈的拱腳截面和拱頂截面作為關(guān)鍵截面。根據(jù)JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程中對圬工橋梁承載能力極限狀態(tài)檢算規(guī)定，應(yīng)采用下列表達式：

γ0S≤R(fd,ξc,αd)Z1

(2)

其中，Z1為截面承載能力簡算系數(shù)；γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)系數(shù)；R為結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強度設(shè)計值；αd為結(jié)構(gòu)的幾何尺寸；ξc為截面折減系數(shù)。

4.2.2 主拱圈內(nèi)力計算結(jié)果

基于建立的拱橋有限元模型，通過靜力分析，計算橋梁在荷載基本組合作用下的荷載效應(yīng)，計算結(jié)果如圖4，圖5所示。從圖4，圖5中可知，在荷載基本組合作用下，拱腳處的軸力和彎矩分別達到最大，其中，拱腳處軸力最大值為3 707.42 kN，拱頂處最大軸力為2 068.03 kN；拱腳處最大正彎矩為702.37 kN·m，最大負彎矩為-318.64 kN·m；拱頂處最大正彎矩為271.42 kN·m，最大負彎矩為-44.50 kN·m。

4.2.3 偏心距驗算結(jié)果

根據(jù)橋規(guī)規(guī)定，彎矩的容許偏心距為e0=0.6×y=0.6×0.3=0.18 m，荷載組合下的偏心距驗算如表2所示。由表2可知，在基本組合作用下，拱腳及拱頂處的偏心距計算值分別為0.165 m和0.131 m，分別小于偏心距極限值0.18 m。通過上述分析表明，該圬工拱橋的偏心距計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.2.4 截面強度及整體“強度-穩(wěn)定”驗算

根據(jù)規(guī)范，主拱拱圈截面抗力效應(yīng)的設(shè)計值：

(3)

(4)

其中，α為荷載組合偏心影響系數(shù)；e0為軸向偏心距；γw為回轉(zhuǎn)半徑；Y為恒載壓力線的縱坐標。

表2 偏心距驗算表 m

通過計算，得到截面強度，從而進行承載力效應(yīng)計算，得到：

1)承載力與效應(yīng)的比值，拱腳處為1.36，拱頂處為2.12；2)基本組合作用下，抗力效應(yīng)比為1.89。

通過計算，該拱橋的承載力/效應(yīng)系數(shù)和抗力/效應(yīng)系數(shù)均大于1，表明該橋的強度滿足要求。

4.2.5 拱圈剛度驗算

依據(jù)公路橋規(guī)規(guī)定，L/4及3L/4截面處的豎向撓度之和應(yīng)小于撓度容許值。通過模型計算，L/4和3L/4截面處撓度值均為2.12 mm，2.12 mm+2.12 mm<10 mm，表明該橋的剛度滿足要求(見圖6)。

5 結(jié)論及建議

本文首先對橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)部件進行技術(shù)狀況評定，然后結(jié)合圬工拱橋的線形及材料測量數(shù)據(jù)，采用有限元分析軟件建立考慮運營條件的拱橋模型，并計算橋梁結(jié)構(gòu)在荷載基本組合作用下的承載能力，分別對拱橋的內(nèi)力及偏心距進行驗算，進一步結(jié)合圬工拱橋的技術(shù)狀況評定結(jié)果，對此橋梁的承載能力進行綜合評定。評定結(jié)果表明：該橋梁結(jié)構(gòu)的強度和剛度能夠滿足公路-Ⅱ級設(shè)計荷載需求，但橋梁結(jié)構(gòu)存在損傷，對橋梁的使用安全性及耐久性造成影響，若確保該圬工拱橋能夠安全運營，應(yīng)進一步對橋梁進行加固處治。