李 迪

(安徽省七星工程測(cè)試有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

圬工拱橋在20世紀(jì)60年代因其造型美觀、取材廣泛、施工方便等特點(diǎn)被大量修建，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)和我國(guó)交通運(yùn)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(yùn)營(yíng)；同時(shí)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(duì)圬工拱橋進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和承載能力評(píng)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(jì)資料缺失，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低等原因，導(dǎo)致很難對(duì)此類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)定[4-6]。

針對(duì)傳統(tǒng)圬工拱橋的承載能力評(píng)定規(guī)范相對(duì)較少，其中JTG H21—2011公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)圬工拱橋的技術(shù)狀況給出了相關(guān)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；2011年發(fā)布的《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》則對(duì)圬工橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)定做出了規(guī)定。然而，盡管上述標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)圬工拱橋的承載能力評(píng)定方法進(jìn)行了規(guī)定，但對(duì)如何實(shí)現(xiàn)此類(lèi)型橋梁的承載能力評(píng)定尚未給出具體的說(shuō)明。為了對(duì)農(nóng)村小跨徑圬工拱橋結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行評(píng)定，本文以某農(nóng)村圬工拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，首先通過(guò)無(wú)損檢測(cè)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(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的拱橋模型，并將上部荷載均勻施加到模型中，計(jì)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(duì)該橋梁的承載能力進(jìn)行評(píng)定?；诒疚牡难芯拷Y(jié)果可為同類(lèi)型的小跨徑圬工橋梁的承載能力評(píng)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(zhǎng)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(tái)采用漿砌塊石橋臺(tái)；橋面底基層采用20 cm厚的碎石進(jìn)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(jìn)行鋪設(shè)。在橋面附屬設(shè)置方面，護(hù)欄采用防撞護(hù)欄形式，拱肋兩端與基礎(chǔ)固結(jié)，全橋無(wú)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(píng)定

2.1 外觀檢查結(jié)果

對(duì)于該圬工拱橋，由于設(shè)計(jì)資料的缺失，為了能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行判定，首先需要對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀進(jìn)行檢測(cè)，其中該小跨徑圬工拱橋的外觀檢測(cè)內(nèi)容主要包括三個(gè)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(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下所示。

2.1.1 橋面系檢查結(jié)果

通過(guò)對(duì)該橋梁的橋面系進(jìn)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(hào)臺(tái)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(hù)欄病害，護(hù)欄在全長(zhǎng)范圍內(nèi)存在撞壞、缺失等現(xiàn)象，壞、缺失長(zhǎng)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(cè)，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(shí)距離大樁號(hào)拱腳2 m處有2條灰縫松散脫落，灰縫長(zhǎng)度為0.4 m，寬度為0.4 m。

2)拱上側(cè)墻病害，距離2號(hào)拱腳1 m處右側(cè)，實(shí)腹拱的拱上填料沉陷或縱向開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)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(cè)，下部結(jié)構(gòu)主要病害為：1號(hào)橋臺(tái)臺(tái)背路面出現(xiàn)破損剝落現(xiàn)象，破損剝落長(zhǎng)度為2 m，寬度為0.3 m。

2.2 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定

在完成該圬工拱橋的外觀檢測(cè)之后，需要進(jìn)一步結(jié)合2011年發(fā)布的《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)該圬工橋梁的技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定。其中橋梁上部結(jié)構(gòu)中主拱圈部件評(píng)分68.69分，部件等級(jí)屬3類(lèi)，拱上結(jié)構(gòu)評(píng)分為91.12分，部件等級(jí)屬2類(lèi)。下部結(jié)構(gòu)中橋臺(tái)評(píng)分為85.00分，屬2類(lèi)。橋面系中橋面鋪裝評(píng)分75.00分，屬3類(lèi)。經(jīng)過(guò)計(jì)算該橋梁總體狀況評(píng)分為79.64分，為橋梁等級(jí)劃分中的三類(lèi)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(duì)橋梁進(jìn)行加固、大修，同時(shí)為更加準(zhǔn)確完善的評(píng)定橋梁狀況，應(yīng)對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表1所示。

表1 橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果

3 橋梁承載能力評(píng)估的方法

在橋梁承載能力評(píng)定的過(guò)程中，存在各種各樣的影響因素，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于圬工拱橋承載能力評(píng)定尚無(wú)統(tǒng)一的方法，常用的圬工拱橋承載能力評(píng)定方法包括以下幾類(lèi)：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、承載能力系數(shù)法、外觀調(diào)查法、基于規(guī)范類(lèi)方法、基于荷載試驗(yàn)類(lèi)方法、有限元分析等方法。通常在實(shí)際橋梁的承載能力評(píng)定中，將幾種評(píng)估方法結(jié)合使用，例如將外觀檢測(cè)與有限元模擬結(jié)合，綜合評(píng)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(píng)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(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)強(qiáng)度與荷載效應(yīng)的比值。當(dāng)采用這種方法進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)定時(shí)，需要獲得橋梁的關(guān)鍵受力截面，并計(jì)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(guó)規(guī)范中，對(duì)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(jìn)行評(píng)定的[7-10]。

3.2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

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

P=P0·K1·K2·K3·K4

(1)

其中，P0為原設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎn)便，各個(gè)系數(shù)的取值情況根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。但由于系數(shù)確定不夠準(zhǔn)確，只能憑借專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行評(píng)判，因此具有較大的不確定性，且計(jì)算結(jié)果與橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)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(cè)法是評(píng)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(cè)規(guī)范，通過(guò)檢測(cè)人員對(duì)橋梁進(jìn)行全面檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁的技術(shù)狀況進(jìn)行劃分。這類(lèi)方法盡管克服了經(jīng)驗(yàn)法的不足，但評(píng)定結(jié)果與技術(shù)人員的檢測(cè)水平以及工程師經(jīng)驗(yàn)有著重要關(guān)系，如果評(píng)定指標(biāo)選擇不準(zhǔn)確，往往導(dǎo)致錯(cuò)誤的評(píng)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(wú)法準(zhǔn)確獲得，影響判定結(jié)果；2)結(jié)果與檢測(cè)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(cè)結(jié)果往往無(wú)法反映橋梁的真實(shí)狀態(tài)；4)由于需要大量檢測(cè)人員參與，成本較高。

3.4 基于規(guī)范類(lèi)方法

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

3.5 荷載試驗(yàn)法

在圬工橋梁的承載能力評(píng)定中，荷載試驗(yàn)類(lèi)方法是最直接、最有效的結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)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(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加試驗(yàn)荷載，獲得橋梁關(guān)鍵截面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變、撓度等重要指標(biāo)，并通過(guò)與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算關(guān)鍵截面的應(yīng)變及撓度校驗(yàn)系數(shù)，通過(guò)校驗(yàn)系數(shù)對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行判定，這類(lèi)方法也是目前橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中使用最多、最可靠的一類(lèi)方法。

這類(lèi)方法因?yàn)橹苯硬捎矛F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，測(cè)得的結(jié)果直接反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。尤其在舊橋評(píng)定中，當(dāng)無(wú)法準(zhǔn)確獲知橋梁的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，采用荷載試驗(yàn)法能有效地解決外觀評(píng)定法以及規(guī)范類(lèi)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(yàn)包括兩個(gè)部分，即靜力荷載試驗(yàn)以及動(dòng)載試驗(yàn)。

現(xiàn)在對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)進(jìn)行規(guī)定的規(guī)范主要為2015年實(shí)施的《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》，該規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，包括如何確定橋梁的關(guān)鍵測(cè)試截面，以及如何布置應(yīng)變及變形測(cè)點(diǎn)，包括如何進(jìn)行靜、動(dòng)力加載。盡管荷載試驗(yàn)是目前最準(zhǔn)確的測(cè)試方法，但仍存在許多不足之處，例如，進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)成本較高，是上述幾類(lèi)方法中成本最高的，其次，荷載試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷，同時(shí)影響橋面交通等；且測(cè)試結(jié)果受限于儀器精度及測(cè)試環(huán)境。盡管目前荷載試驗(yàn)法在圬工橋梁評(píng)定中應(yīng)用較多，但這類(lèi)方法并不能取代常規(guī)檢測(cè)方法，尤其對(duì)于年代久遠(yuǎn)的圬工橋梁，荷載試驗(yàn)往往會(huì)加劇橋梁的損傷，對(duì)橋梁的承載能力造成較大影響。

4 橋梁承載能力評(píng)定

基于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(chǎng)測(cè)試結(jié)果確定材料及幾何參數(shù)，通過(guò)對(duì)該圬工拱橋施加城-B荷載定義結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，并在有限元軟件中執(zhí)行靜力分析，對(duì)荷載基本組合條件下的主拱圈偏心距、截面強(qiáng)度進(jìn)行校核，判定其承載能力是否滿足要求。

4.1 計(jì)算參數(shù)的選取及模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，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(qiáng)度為2.84 MPa，極限抗拉強(qiáng)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(chē)活載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)，按均布荷載進(jìn)行計(jì)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(duì)該拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，全橋共劃分20個(gè)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(wú)鉸拱形式。橋面寬度為5 m，行車(chē)道布置于橋梁中間位置，有限元模型及車(chē)道分布如圖2，圖3所示。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法及依據(jù)

該橋圬工拱橋承載能力檢算過(guò)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(cè)評(píng)定規(guī)程中對(duì)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(dá)式：

γ0S≤R(fd,ξc,αd)Z1

(2)

其中，Z1為截面承載能力簡(jiǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果

基于建立的拱橋有限元模型，通過(guò)靜力分析，計(jì)算橋梁在荷載基本組合作用下的荷載效應(yīng)，計(jì)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(dá)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(fù)彎矩為-318.64 kN·m；拱頂處最大正彎矩為271.42 kN·m，最大負(fù)彎矩為-44.50 kN·m。

4.2.3 偏心距驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(guò)上述分析表明，該圬工拱橋的偏心距計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.2.4 截面強(qiáng)度及整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范，主拱拱圈截面抗力效應(yīng)的設(shè)計(jì)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(biāo)。

表2 偏心距驗(yàn)算表 m

通過(guò)計(jì)算，得到截面強(qiáng)度，從而進(jìn)行承載力效應(yīng)計(jì)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(guò)計(jì)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(qiáng)度滿足要求。

4.2.5 拱圈剛度驗(yàn)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(guò)模型計(jì)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(jiàn)圖6)。

5 結(jié)論及建議

本文首先對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定，然后結(jié)合圬工拱橋的線形及材料測(cè)量數(shù)據(jù)，采用有限元分析軟件建立考慮運(yùn)營(yíng)條件的拱橋模型，并計(jì)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(duì)拱橋的內(nèi)力及偏心距進(jìn)行驗(yàn)算，進(jìn)一步結(jié)合圬工拱橋的技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果，對(duì)此橋梁的承載能力進(jìn)行綜合評(píng)定。評(píng)定結(jié)果表明：該橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能夠滿足公路-Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)荷載需求，但橋梁結(jié)構(gòu)存在損傷，對(duì)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(yùn)營(yíng)，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)橋梁進(jìn)行加固處治。