既有石拱橋通行安全評估研究

2017-11-01 12:32:35■劉明

福建交通科技 2017年5期

關鍵詞：高峰橋梁

■劉明

(1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350025)

既有石拱橋通行安全評估研究

■劉明1,2

(1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350025)

以一座(4×30)m空腹式等截面石拱橋為工程背景，通過對橋梁目前高峰期交通流量的調查統計及計算，分析目前的通行狀況是否滿足橋梁的通行要求。從長遠規劃考慮后期由于交通量增大，橋面擁堵的情況下對橋梁承載能力進行了檢算。最后通過橋梁靜載試驗對橋面擁堵情況進行了安全驗證。結合檢算及靜載試驗的結果判斷橋梁是否滿足安全通行的要求，該過程與方法對于該類橋型的通行安全評估具有一定的參考價值。

石拱橋交通流量通行安全評估研究

1 引言

石拱橋是一種歷史悠久，充滿生機的橋梁形式。相比其他橋型，石拱橋具有能充分發揮圬工材料的受力特點、承載能力大、取材方便、施工方便、養護費用低、使用壽命長等優點[1]。20世紀50-60年代，我國在公路、城市中修建了大量的石拱橋，由于當時技術的局限性，設計荷載偏低，在橋梁的運營期，由于頻繁承載甚至超載，加上自然環境的侵蝕等的影響，造成橋梁的損傷和局部破壞。石拱橋不斷下降的承載能力與日益增長的交通需求之間的矛盾越來越大。如何對既有石拱橋通行狀況進行安全評估成為當下亟需解決的問題[2]。

本文以一座(4×30m)空腹式等截面城市石拱橋為例，通過對橋梁高峰期交通流量的調查及統計計算，分析目前的通行狀況是否滿足橋梁的通行要求。根據調查結果假定橋面擁堵20t貨車的情況下對橋梁上部結構承載能力進行了檢算并通過靜載試驗對該情況下的橋梁安全進行了驗證。相關方法可對同類橋梁通行安全評估具有借鑒參考意義。

2 工程概況

某石拱橋為(4×30m)空腹式石拱橋，為省道及城區重要的交通通道。橋面布置為1.5m(人行道凈寬)+8.85m(行車道)+1.5m(人行道凈寬)。上部結構為單跨凈跨徑30m，凈矢高5.0m，凈矢跨比1/6的空腹式石拱橋。主、腹拱圈寬度為10.0m，主拱圈厚度0.8m，腹拱圈厚度0.3m。主、腹拱圈、橫墻、側墻采用M10砂漿砌Mu80粗料石；路面為混凝土鋪裝層。下部結構：塊石砌體重力式橋墩、橋臺。橋型布置見圖1。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

3 高峰期交通流量調查

3.1 車型分布

根據橋梁的交通流特點，分別確定 07：40～08：40、17：30～18：30為大橋的早、晚交通量高峰期。通過對橋梁高峰期交通流量進行實時觀測統計，以獲取較準確的交通量。

早高峰時段數據樣本中，平均每天早高峰共實測到412輛車輛數據，其中小型車共238輛，占全部流量的57%;中型車共122輛，占全部流量的 30%;大型車共45輛，占全部流量的11%；拖掛車共 7輛，占全部流量的2%。晚高峰時段數據樣本中，平均每天晚高峰共實測到484輛車輛數據，其中小型車共338輛，占全部流量的70%;中型車共102輛，占全部流量的21%;大型車共25輛，占全部流量的 5%；拖掛車共19輛，占全部流量的4%。通過統計可以看出，過橋交通量中中型車以上的車輛分布相對較大。尤其是早高峰時段，共占全部流量的43%。各類車型所占比例如圖2、圖3所示。

圖2 早高峰時段車型分布圖

圖3 晚高峰時段車型分布圖

3.2 高峰小時交通量

根據《公路工程技術標準》(JTGB01-2003)[3]，三級公路的服務水平分級標準以行駛延誤為主要評價指標，其設計通行能力按三級服務水平設計，一個車道的設計通行能力如表1。

表1 三級公路的設計通行能力

交通量換算采用小客車為標準車型，采取標準車折算。經計算，早高峰時期的標準交通量Q早為532pcu/h，晚高峰時期的標準交通量Q晚為598pcu/h。可見橋梁雙車道的通行能力為800～1400pcu/h，橋梁現有通行能力大于早晚高峰期小時交通量Q，表明目前橋梁橋面通行能力尚能滿足該路段正常早晚高峰期的通行要求。

4 橋梁承載能力檢算

從長遠規劃來看，若橋梁路段后期交通量增大，由于等候紅綠燈，以橋面擁堵總重20t的貨車(主要技術參數為前軸重70kN，后軸重130kN，軸距為4.0m，輪距為1.8m)，貨車以橫橋向3輛(橫向間距為1.5m)，縱橋向間距為1.5m的布置方式堵塞于橋面的情況，按橋梁各控制截面影響線進行最不利情況下縱向布載，對該橋進行承載能力檢算。

4.1 結構分析模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立不考慮拱上建筑聯合作用的平面桿系模型，拱肋、腹拱、立墻、拱上填料和橋面采用梁單元模擬。模型中腹拱、立墻簡化為和主拱圈連接的梁單元，共劃分1837個梁單元。模型中拱上填料采用豎向布置的梁單元模擬，與主拱、腹拱及橋面兩端均采用鉸接，設置較小的剛度，拱上填料主要傳遞拱上結構活載的作用。石材強度等級取Mu80，砂漿強度等級取M10，砌體受壓彈性模量E=7300MPa。塊石砂漿砌體軸心抗壓強度設計值fcd取1.14MPa，砂漿砌體彎曲抗拉強度設計值ftmd取0.086MPa。橋梁有限元模型見圖4。

圖4 橋梁結構分析模型

4.2 荷載組合

按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)[4]進行荷載組合計算。

①恒載：主拱圈、立墻、拱上填料、橋面鋪裝等。

②車輛荷載：橋面擁堵貨車情況。

③溫度作用：參考年溫度變化，以最高月平均溫度與拱圈合攏溫度之差作為升溫荷載計算依據，以最低月平均溫度與拱圈合攏溫差作為降溫荷載計算依據。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)第4.3.12條文規定，溫度作用效應根據規范考慮0.7折減。由于缺乏舊橋設計、竣工等資料，參照以往的設計及施工經驗，結合當地月溫度變化，橋梁合攏溫度為15℃，月平均溫度最高為35℃，月平均溫度最低為0℃。該橋進行承載能力檢算時，溫度作用考慮整體升溫20℃和降溫15℃。

組合Ⅰ=1.2恒+1.4車輛+1.12人群荷載；

組合Ⅱ=1.2恒+1.4車輛+1.12人群荷載+0.78溫度(升溫 20℃或降溫 15℃)。

4.3 承載能力檢算結果

依據《公路圬工橋涵設計規范》(JTG D61-2005)[5]對橋梁進行承載能力檢算。橋面在20t貨車擁堵作用下，主拱圈拱頂截面、拱腳截面、L/4截面承載能力滿足安全使用要求，橋梁上部結構承載能力滿足橋面擁堵貨車的使用要求，結構處于安全承載的臨界狀態。承載能力檢算結果見表2。

表2 擁堵狀況下拱肋正截面強度檢算

5 橋梁靜載試驗

5.1 試驗過程

隨機選取其中一跨作為試驗對象。以橋面擁堵總重20t的貨車情況、人群荷3.5kN/m2的荷載為校驗荷載，對橋梁結構在最不利荷載組合下產生的內力進行詳細計算，采用2輛38t后八輪加載車進行分級加載，并通過布置荷載工況，使現場加載產生的內力與校驗荷載產生的理論內力的比值符合《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01-2015)[6]要求。

靜載試驗控制截面見圖5，試驗跨跨中、L/4截面位置主拱圈等間距布置5個撓度測點，如圖6所示，加載及退載結構穩定后測讀撓度數據。工況一～工況三車輛加載順橋向布置圖詳見圖7～圖9，橫橋向加載根據現場情況居中加載。

5.2 試驗結果

在試驗荷載作用下，實測控制截面的撓度值均小于理論值，撓度校驗系數在0.65～0.74之間，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)[7]中規定的校驗系數小于1.0的要求；相對殘余變形在0.00%～5.26%之間，滿足規范[7]規定的相對殘余變形限值要求(限值20%)，表面恢復情況良好。試驗過程中主拱圈未見明顯異常。

靜載試驗結果表明橋梁滿足橋面擁堵貨車、人群3.5kN/m2校驗荷載下的安全使用要求。