圬工拱橋震后承載能力評估研究

王小兵， 王　青

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 211112)

?

圬工拱橋震后承載能力評估研究

王小兵， 王青

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 211112)

圬工拱橋因其取材方便，在工程實踐中得到廣泛應用，但其抗震能力差。在地震力的作用后，圬工拱橋將會出現拱圈開裂、拱上結構開裂等常見病害，導致該類橋梁的正常運營受到了嚴重影響，在一定程度上影響震后救災工作的開展。以某座震后圬工拱橋為工程背景，采用常規檢測、有限元仿真分析和荷載試驗相結合的方法，綜合分析評定該類橋梁的既有狀況。結果表明采用該方法對震后圬工拱橋的承載能力進行綜合性評估是一種行之有效的手段。同時，以實測數據為依據，提高了對橋跨結構運營狀態評價的準確性和真實性，具有良好的工程應用價值。

震后；圬工拱橋；承載能力；評估

圬工拱橋是人類利用經久耐用、強度高的天然石材跨越山谷、河流等障礙物的橋跨結構，具有悠久的歷史。公元605年，我國修建了以其構思和工藝精巧而聞名于世的石拱橋——趙州橋。自第二次工業革命以來，圬工拱橋在工程實踐中得到廣泛的應用，以歐洲和中國的圬工拱橋修建的最多。據統計，歐洲鐵路線路上有近14萬座的圬工拱橋，約占線路上橋梁總數的40 %。而我國目前現存的圬工拱橋高達400多萬座，約占橋梁總數的61 %，尤其在我國西南地區，占90 %以上[1]。在建國初期，使用天然石材大量修建的圬工拱橋在鐵路和公路運輸中仍然發揮著重要的作用。但隨著交通量的增加，橋梁結構頻繁受到車輛荷載的碾壓作用，甚至超載，自然環境的侵蝕，尤其地震力的作用，導致圬工拱橋拱圈開裂、拱上橫墻開裂、橋面板橫移、墩臺下沉、墩身開裂、折斷及落拱等不同程度的損傷，嚴重影響橋跨結構的安全運營[2-3]。在地震力作用下，雖然圬工拱橋具有比梁式橋更強的抗沖擊能力，但是，震后拱腳的相對位移較大就會導致橋梁的整體坍塌[4]。為了根除橋跨結構隱患，充分發揮圬工拱橋的潛在的承載能力，十分必要對震后橋梁進行準確可靠的分析與評定，用以判斷承載能力是否滿足目前的交通通行要求。本文以震后某圬工拱橋為工程背景，初步探討該類型橋梁安全、有效的評估方法，為橋梁的維修、加固及管理提供技術依據。

1　工程概況

某圬工拱橋位于景區交通干道上，跨徑為35.5 m的等截面空腹式石拱橋。 橋梁全長49.15 m，橋面寬8 m，主拱圈上方兩側各設置3道腹拱，以減輕橋梁自重，利于泄洪。該橋的立面圖見圖1所示。設計荷載為汽車-20級，掛車-100。鑒于該石拱橋位于通往景區的重要道路上，車輛密度大，且該地區處于龍門山地震帶，地殼運動尤為活躍，受地震影響突出。雅安地震后，一些橋跨結構受損嚴重，為了保證該圬工拱橋的運營安全，需對震后結構現狀進行檢查，如橋梁線形、主要結構尺寸、材料強度等主要參數；明確結構主要病害特征，確定結構工作狀態以及使用性能。

圖1　圬工拱橋立面(單位：cm)

2　常規檢測

2.1主拱及腹拱拱圈線性量測

采用全站儀、靶標及鋼尺等對橋梁主拱及腹拱拱圈線性量測。拱軸線采用全站儀的“前方交會法”進行測量，線性測量采用相對坐標系，而測點坐標則按以下公式計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:A、B為后視控制點，(xA，yA)和(xB，yB)分別為A、B兩點的水平坐標；p為測量靶標點，(xp，yp)為P點的水平坐標；hp為p點相對于A點的高程坐標；θ為A點與p點的立面夾角。

首先，借助機械工具在橋梁主要結構具有代表性的位置粘貼靶標，便于線性測量。例如，針對圬工拱橋線性測量，在拱圈側面下緣易于觀測的截面位置粘貼靶標。從拱腳截面開始，主拱圈和腹拱圈沿橋跨度方向按一定間距分別布設17個、5個靶標測點。根據線性測量結果可知，主拱和腹拱線形總體平順，上、下游側拱圈實測線形較為一致，主拱圈實測拱軸線線形與設計線形吻合程度高。說明橋梁線形具有良好的平順性，橋跨結構及基礎變位小。主拱圈及腹拱圈實測線形示意圖見圖 2所示。

圖2　線形測量結果示意

2.2表觀檢測

為了更全面的了解橋梁病害及病害發展趨勢，需要對橋梁進行細致的表觀檢測。該方法以人工目測為主，并結合卷尺、直尺、裂縫標尺等對橋梁結構進行全面的表觀檢查，詳細記錄橋梁結構出現病害的類型、位置、范圍以及發展程度。

檢測結果表明：該橋主拱、腹拱及橋臺等主要構件無明顯裂縫、無破損現象。橋面鋪裝層較為完整，但局部存在磨損、骨料外露現象。主拱圈部分截面存在勾縫砂漿脫落、石料風化，局部砌縫輕微滲水鈣化、泛堿現象。兩側護欄局部破損、鋼筋外露銹蝕。

2.3材料力學性能檢測

石料強度及砌筑砂漿強度是衡量圬工拱橋結構承載力的主要性能指標，因此，有必要對其力學性能進行測試工作。采用鉆心取樣法檢測石料強度，在鉆芯取樣后采用砂漿等將鉆孔修復。從石料結構物中鉆取芯樣，根據芯樣的強度來確定結構石料的強度。與此同時，砌筑砂漿強度可以通過貫入法進行確定。鑒于鉆取芯樣位置結構自身所在位置以及受力狀況等各方面的限制條件的制約，因此鉆取芯樣的位置和數量也受到上述制約條件的影響。但仍然可以作為抽檢石料力學性能的重要指標。根據石料芯樣抗壓強度試驗結果及文獻[5]可知，主拱石料的強度等級為MV60、橫墻及腹拱石料的強度等級為MV60、砌縫砂漿為M7.5。

3　荷載試驗

3.1方案設計與加載控制

橋梁結構抗力主要取決于截面尺寸與材料的強度。鑒于橋梁設計時，其主要參數根據既有設計規范進行取值，如：材料強度等，雖然這些參數具有普遍意義，但與材料的現場實測的力學性能存在差異。與此同時，由于施工等因素，橋跨結構的實際尺寸也與設計值之間存在差異，而這些差異將會影響橋跨結構分析以及結構抗力等[6]。因此，橋梁的主拱、腹拱拱軸線線形依據本次現場實測線形，其余構件尺寸根據本次實測尺寸大小，即主拱計算跨徑取35.5 m，計算矢高取5.13 m。主拱圈按無鉸拱模擬，邊腹拱按三鉸拱模擬，采用橋梁結構專用有限元分析軟件Doctor Bridge建立該橋的計算模型，如圖3所示。

圖3　橋跨結構有限元模型

3.1.1方案設計

根據車輛荷載在主拱圈加載截面產生的最不利彎矩效應和文獻[7]中規定的荷載試驗效率系數0.95～1.05，確定加載工況和加載車輛軸重進行等效加載試驗。考慮加載車輛和測試截面的可操作性，加載工況分別取距拱腳50 cm截面最大負彎矩工況(A-A工況)、L/4跨最大正彎矩工況(B-B工況)和跨中最大正彎矩工況(C-C工況)。各工況下試驗截面的試驗彎矩、計算彎矩及荷載效率系數如下表1所示，各工況下測試截面和測點布置如圖4、圖5。

表1　各試驗截面的試驗彎矩、計算彎矩及荷載效率系數

3.1.2加載控制

為了保證人員、加載車輛和試驗設備等安全，嚴格按照設計的加載程序對試驗橋跨進行分級加載和卸載，荷載的大小、截面的內力的大小都應由小到大逐漸增加，并隨時作好停止加載和卸載的準備。同時，通過對分級加載和荷載過程中的數據實時采集，繪制試驗荷載與結構響應之間變化關系的連續性曲線，初步判斷結構的工作性能，避免結構意外的損傷。在正式加載工況之前，選取50 %荷載值進行預加載，初步判斷橋跨結構是否存在問題。待試驗橋跨結構工作性能良好后方可進行正式工況加載。在正式工況現場分級加載的過程中，記錄并實時分析橋跨結構控制截面的應變值和撓度值。同時，在加載的過程中，對橋跨結構比較薄弱的部位進行檢查，發現異常情況，立刻停止加載，避免盲目加載對既有橋梁造成次生病害。

圖4　測試截面布置(單位：cm)

圖5　測點布置(單位：cm)

3.2撓度測試結果

在各加載工況下，主拱圈各測試截面撓度現場實測值與理論值的比較見表2。

在車輛荷載作用下，主拱圈各控制截面處的撓度實測值均較小，主拱圈最大變形發生在B-B工況下的3L/4測試截面，其值為-0.91 mm。并且在車輛荷載卸載后，橋跨結構能夠很好地恢復原有線形，殘余變形量小，主要測點相對殘余變形均小于5 %，表明該橋能夠滿足正常使用極限狀態的要求。由測試結果可知，主拱圈各控制截面的撓度實測值均比理論值小，其校驗系數值偏小，介于0.29～0.43之間，低于規范[8]中對圬工拱橋撓度校驗系數0.80～1.00的限值要求。

3.3應力測試結果

在車輛荷載作用下，主拱圈各控制截面實測應力大小與理論值的比較見表3。根據表3對比結果可知，主拱圈各控制截面的實測應力值均比有限元模型的計算值小，表明該橋跨結構具有足夠的安全儲備。各工況控制截面應力校驗系數較小，介于0.44～0.76之間，低于文獻[8]中對圬工拱橋應力校驗系數0.70～1.00的限值要求。

表2　各工況拱圈撓度實測值與理論值比較

注：撓度以向下為負，向上為正。

表3　各工況控制截面應力實測值與理論值比較

注：應力以受拉為正，受壓為負。

3.4結果分析

根據上述測試結果可知，主拱圈各控制截面撓度和應力的實測值均小于理論值，且校驗系數均較小，低于規范[8]中對圬工拱橋校驗系數的限值要求。分析其主要原因是由于拱上建筑、填料與拱圈的相互作用，使得主拱圈的剛度增大導致的。石料的現場實測彈性模量大于規范中的規定值，導致撓度及應力實測值均小于理論值。同時，在車輛荷載的加載過程中，很難保證車輛加載位置完全與理論加載位置吻合等，在一定程度上這些因素都將會影響試驗測試值。

4　有限元計算結果分析

根據對該圬工拱橋結構尺寸、彈性模量等現場測量成果，并考慮拱上建筑與主拱圈的共同作用，建立該橋的有限元計算模型。由于該橋拱上填料厚度大于50 cm，在模型計算時不計沖擊系數[9]。在對圬工拱橋承載能力極限狀態評定的過程中，采取截面折減系數、活載修正系數以及橋梁檢算系數分別對極限狀態方程中的結構抗力效應和荷載效應進行修正，對結構內力及抗力并進行比較，得到結構安全儲備系數，依此判定結構是否滿足驗算荷載的荷載等級要求。依據上述常規檢測成果，該座圬工拱橋結構的承載能力檢算系數Z2取1.15，截面折減系數ξc取0.98。該橋主拱圈各控制截面承載能力驗算結果如下表4所示。

表4　主拱圈各控制截面承載能力驗算結果

根據上述承載能力驗算結果可知，該圬工拱橋各控制截面的安全儲備系數介于3.59～4.33之間，滿足荷載等級：汽車—20級，掛車—100的承載能力要求。即該座圬工拱橋能夠有效滿足橋跨結構承載能力的要求，具有較高的安全儲備。有限元計算結果與該橋的現場常規檢測結果比較吻合，表明根據實測成果建立有限元模型，對實際橋梁結構進行仿真分析是行之有效的。

5　結束語

地震災害預警機制不夠完善，新建橋梁結構通過設置隔震支座、利用橋墩延性以及采用隔震支座和阻尼器相結合的系統來減輕地震力對該結構的破壞，而圬工拱橋無法通過上述措施來減小地震的危害，受地震力影響突出。因此，對震后圬工拱橋的承載能力進行科學評估，從而保證橋梁結構的運營安全。在震后某圬工拱橋現場檢測的實測數據的基礎上，建立有限元計算模型，設計荷載試驗方案，進行試驗工況加載，通過比較分析現場檢測和各試驗工況下的撓度與應力結果，該圬工拱橋主拱圈及腹拱圈線性良好，結構具有良好的安全貯備。有限元分析結果表明該橋受雅安地震影響較小，橋跨結構能夠有效地滿足汽車—20級、掛車—100的承載能力要求，與該橋現場常規檢測結果比較吻合。

因此，采用常規檢測、荷載試驗以及仿真分析相結合的方式對震后圬工拱橋的承載能力進行綜合性評估是一種行之有效的手段。以實測數據為依據，提高了對橋跨結構運營狀態評價的準確性和真實性，具有良好的工程應用價值。同時，也為后期橋梁養護、維修提供一定的技術參考。

[1]孫潮,陳寶春,黃文金. 圬工拱橋承載力計算方法比較[J].中外公路, 2014,12(6):149-154.

[2]李亞東,強士中. 震后災區橋梁初步考察與評估[J].橋梁建設,2009(5):68-73.

[3]莊衛林,劉振宇,蔣勁松.“5·12”汶川地震公路橋梁震害分析及對策研究[J].公路,2009(5):129-139.

[4]王克海,韋韓,李茜,等.中小跨徑公路橋梁抗震設計理念[J].土木工程學報,2012,45(9):115-121.

[5]JTJ 022-85 公路磚石及混凝土橋涵設計規范[S].

[6]李亞東. 基于設計規范的橋梁承載能力評估[J].橋梁建設,1996(2):61-63.

[7]JTG/T J21-2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[8]交通部. 公路舊橋承載能力鑒定方法(試行) [S].北京:人民交通出版社,1988.

[9]劉舒,王宗林.關于新舊規范中沖擊系數的討論 [J].中國科技信息, 2005(23):121-128.

王小兵(1982～)，男，本科，工程師，從事橋梁及隧道試驗檢測、加固設計相關工作；王青(1984～)，女，本科，工程師，從事公路、橋梁勘察設計相關工作。

U445.6

A

[定稿日期]2015-12-18