舊實(shí)腹式石拱橋承載能力評(píng)定

梁金華

云南浩海建設(shè)集團(tuán)有限公司（650215）

舊實(shí)腹式石拱橋承載能力評(píng)定

梁金華

云南浩海建設(shè)集團(tuán)有限公司（650215）

為評(píng)定洛河大橋的承載能力，對(duì)該橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，并利用橋梁結(jié)構(gòu)專用分析程序MIDAS CIVIL進(jìn)行了有限元分析。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)所確定的材料力學(xué)參數(shù)，可用于對(duì)此類結(jié)構(gòu)的分析評(píng)定工作。綜合分析表明，橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性工作階段，其剛度和承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

石拱橋；靜載試驗(yàn)；有限元

0 前言

石拱橋是一種古老的橋梁形式，迄今已有幾千年的建造歷史。目前建造新的石拱橋作為主要橋梁使用的情況已不多見，但在對(duì)現(xiàn)有道路系統(tǒng)進(jìn)行承載力升級(jí)改造時(shí)經(jīng)常需要對(duì)現(xiàn)存的大量石拱橋進(jìn)行綜合性能評(píng)估，以判斷其使用壽命或進(jìn)一步發(fā)揮其潛力。同時(shí)，許多石拱橋作為重要的歷史文物，也需要妥善保護(hù)或進(jìn)行修復(fù)。所以，有必要對(duì)這種橋梁形式做進(jìn)一步的探討和研究[1]。

在石拱橋存在和發(fā)展的歷史階段內(nèi)，其設(shè)計(jì)與施工都是基于工匠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，真正運(yùn)用科學(xué)的方法來(lái)設(shè)計(jì)分析石拱橋只有300年左右的時(shí)間[1]。

這里結(jié)合一座三孔實(shí)腹式石拱橋的靜載試驗(yàn)，運(yùn)用有限元方法對(duì)該橋進(jìn)行了綜合分析，其結(jié)果可以為類似橋梁的評(píng)估作參考。

1 橋梁介紹

洛河大橋位于陜西省境內(nèi),建成時(shí)間較早,技術(shù)資料缺失。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式判斷，該橋于20世紀(jì)60年代建成。該橋全長(zhǎng)110 m，橋跨組合采用3 m× 35 m的實(shí)腹式石拱橋，矢高6.9 m，橋面全寬7 m，人行道寬為1.5 m。根據(jù)同年代橋梁的設(shè)計(jì)荷載，推定該橋的設(shè)計(jì)荷載為汽—13，拖—60。

該橋自建成后已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了近50年,并作為重要的城市公路橋梁使用至今。隨著城市改造的進(jìn)行，交通流量和車輛荷載等級(jí)不斷增大，為了確保該橋的安全性和適用性,為養(yǎng)護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù),技術(shù)人員對(duì)洛河大橋進(jìn)行了一次比較全面的結(jié)構(gòu)分析和靜載試驗(yàn)。

2 靜載試驗(yàn)

根據(jù)道路通行標(biāo)準(zhǔn)，靜載試驗(yàn)采用280 kN載重汽車（車重+荷重）2輛。測(cè)試工況為跨中加載，負(fù)荷較小的車輛前軸朝向拱跨中。根據(jù)理論計(jì)算，荷載加于第一孔1/4跨度處會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用更為不利。加載車輛沿行車道橫向等距布置。

量測(cè)內(nèi)容包括第一孔1/4跨度處撓度和拱腳處的縱向水平位移。為了確保測(cè)量的精度，沿橋的縱向共選擇了2個(gè)截面，使用固定于河床的位移計(jì)量測(cè)。量測(cè)方案是在加載前后，分別觀測(cè)第一孔1/4跨度處撓度和拱腳縱向水平位移讀數(shù)，以掌握拱和基礎(chǔ)的變形及其恢復(fù)情況。同時(shí)，在試驗(yàn)中還密切注意觀察拱圈是否有異常的破壞現(xiàn)象發(fā)生。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)荷載下拱腳縱向水平位移很小，在20 μm以內(nèi)，可以忽略不計(jì)。第一孔1/4跨度處相對(duì)最大豎向變位實(shí)測(cè)最大值為1.12 mm，撓跨比為1/31 250，與規(guī)范[2]中關(guān)于拱橋1/1 000的撓度限值相比，完全滿足要求。試驗(yàn)荷載卸除以后，拱圈的撓度基本得到了完全恢復(fù)，說明在汽-13荷載作用下，該橋大部處于彈性工作階段。

3 有限元模型分析

3.1 有限元模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序MIDAS CIVIL 2010進(jìn)行建模和分析。全橋共分為64個(gè)梁?jiǎn)卧?，結(jié)構(gòu)離散模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)離散圖

材料的線彈性模量對(duì)計(jì)算石拱橋變形及各部分的相互作用影響很大。由于石拱及填料為非均勻不連續(xù)材料，很難通過實(shí)測(cè)的方法直接得到其彈性模量。這里采用的方法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)調(diào)整有限元模型的彈性模量參數(shù)，使活荷載下的跨中撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相一致。由此得到的石材彈性模量為57.6 GPa，此數(shù)值可以用于類似結(jié)構(gòu)的分析。

表1 四分點(diǎn)截面中載測(cè)點(diǎn)相對(duì)最大豎向變位比較

3.2 計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算的主要結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)荷載下,拱圈最大豎向位移發(fā)生在第一孔四分點(diǎn)截面處。

圖2 四分點(diǎn)截面中載相對(duì)最大豎向變位橫向分布

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)表1和圖2可得到以下結(jié)論：

中載作用下，校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.15，最小值為0.14，平均值為0.15。撓度校驗(yàn)系數(shù)在常值范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體剛度較大。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

在相當(dāng)于汽—13、拖—60的試驗(yàn)荷載作用下，測(cè)試截面撓度實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，說明橋梁整體剛度遠(yuǎn)大于計(jì)算模型，橋梁拱上填料參與受力作用明顯，減小了主拱圈的內(nèi)力與變形，也說明了該橋梁有一定的承載潛力。

綜合分析表明，橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性工作階段,其剛度和承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 建議

由于該橋建設(shè)年代較久，材料力學(xué)性能可能會(huì)退化，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，該橋可以通行的荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車—15級(jí)，掛車—80。嚴(yán)禁超過55 t的重車通行，低于該噸位的重車通行時(shí)也應(yīng)全橋單輛車通行，中慢速行駛。

[1]聶建國(guó),樊健生.700年石拱橋的靜力加載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003.

[2]中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 022-85,公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,1985.