鋼筋混凝土剛架拱橋承載能力檢算方法

郭巖昕

（健研檢測(cè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門 365004）

0 引言

鋼筋混凝土剛架拱橋作為我國在改革開放初期，特殊國情下出現(xiàn)的一種新型拱橋，具有自重輕、材料省、整體性能好、外觀美觀、裝配化程度高等優(yōu)點(diǎn)，它是在雙曲拱橋、桁架拱橋和斜腿剛架拱橋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量增長過快，在重型汽車反復(fù)作用下，橋梁主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，承載能力降低，大大影響了該種橋型的使用壽命[1-3]。基于以上原因，為了解該類橋梁的剩余承載能力和使用壽命，確保橋梁的安全運(yùn)營，減輕橋梁檢測(cè)支出，減少財(cái)政負(fù)擔(dān)，通常對(duì)該類橋梁進(jìn)行承載能力檢算。

1 工程背景

2 檢算原則

根據(jù)橋梁實(shí)際情況，只進(jìn)行橋梁單跨關(guān)鍵截面的檢算。檢算時(shí)以實(shí)際調(diào)查的結(jié)構(gòu)各部尺寸及材料強(qiáng)度為依據(jù)，有嚴(yán)重質(zhì)量問題的構(gòu)件，根據(jù)檢查資料進(jìn)行強(qiáng)度折減。由于所檢查橋梁的下部結(jié)構(gòu)均質(zhì)量狀況良好，未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降、滑移或傾斜等病害的存在，因此本次檢算不對(duì)地基承載能力進(jìn)行檢算。計(jì)算永久荷載時(shí)考慮橋梁實(shí)際恒載重量。

主要計(jì)算參數(shù)：

（1）恒載：恒載為結(jié)構(gòu)自重和二期鋪裝荷載；

（2）活載：汽車荷載：汽-15 級(jí)，掛-80；人群荷載：3kN/m2；

（3）溫度荷載：溫度作用按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定取值；

（4）混凝土的收縮徐變：根據(jù)《評(píng)定規(guī)程》規(guī)定，計(jì)算模型中混凝土收縮徐變按溫度下降10℃考慮[4]；

（5）上部結(jié)構(gòu)材料特性：混凝土：拱圈采用30 號(hào)混凝土，換算強(qiáng)度C28；鋼筋：受力主筋為Ⅱ級(jí)鋼筋，構(gòu)造鋼筋為Ⅰ級(jí)鋼筋。

3 檢算及折減系數(shù)的確定[4]

3.1 承載能力檢算系數(shù)()

根據(jù)橋梁前期檢測(cè)的表觀缺損狀況、材質(zhì)強(qiáng)度和橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率的檢測(cè)評(píng)定結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)的承載能力檢算系數(shù)，檢測(cè)指標(biāo)各權(quán)重值，計(jì)算得到承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度，并結(jié)合結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力特點(diǎn)最終確定承載能力檢算系數(shù)該橋結(jié)構(gòu)的承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度=2.2，得到檢算系數(shù)Z1=1.08。

3.2 承載能力惡化系數(shù)()

承載能力惡化系數(shù)（ξe）主要是考慮了橋梁在評(píng)定期內(nèi)質(zhì)量狀況進(jìn)一步衰退減弱產(chǎn)生的不利影響，通過這一系數(shù)來反映對(duì)結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)可能造成的降低。其主要考慮了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土中氯離子含量和混凝土強(qiáng)度推定值等影響因素，通過前期外觀檢測(cè)和結(jié)構(gòu)檢測(cè)確定各因素的影響權(quán)重，并綜合考慮環(huán)境條件加以確定。

3.3 截面折減系數(shù)()

在檢算結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)時(shí)，由于材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷等會(huì)引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有效截面損失或缺失，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面抗力效應(yīng)降低，引入截面折減系數(shù)來考慮這一不利影響。

該剛架拱橋根據(jù)材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷的評(píng)定標(biāo)度并結(jié)合各相應(yīng)權(quán)重值得到的截面損傷的綜合評(píng)定標(biāo)度，得出截面折減系數(shù)=0.99；橋梁出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度小于規(guī)范限值，截面鋼筋折減系數(shù)=0.99。

4 荷載組合效應(yīng)

4.1 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，采用Midas civi1 有限元軟件建立整體計(jì)算模型，得到橋體的控制設(shè)計(jì)內(nèi)力，根據(jù)控制內(nèi)力進(jìn)行橋體承載能力計(jì)算，計(jì)算模型見圖1。結(jié)合本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及截面形式，選取拱頂截面（A-A）、實(shí)腹段與拱腿交接處（B-B）和拱腳截面（C-C）進(jìn)行承載能力檢算，檢算控制截面見圖2。

圖1 果喜大橋有限元模型

圖2 檢算控制截面

4.2 荷載效應(yīng)組合

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，通過有限元模型計(jì)算、分析可得到拱肋的設(shè)計(jì)荷載作用效應(yīng)，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合）[5]。組合設(shè)計(jì)值見表1。

表1 承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合

5 極限狀態(tài)下承載能力檢算

由《評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011），配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)依據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果按下式進(jìn)行評(píng)定[4]：

拱橋在荷載作用下，拱肋主要承受軸力、彎矩及剪力，即為偏心受壓構(gòu)件。

經(jīng)計(jì)算，各截面在部分荷載組合工況下為大偏心受壓構(gòu)件，在部分荷載組合工況下為小偏心受壓構(gòu)件，具體結(jié)果見表2。

表2 主拱肋主要截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

6 正常使用極限狀態(tài)下承載能力檢算

7 結(jié)束語

經(jīng)過檢算，該剛架拱橋控制截面的抗力在考慮檢算系數(shù)和折減系數(shù)后，承載能力滿足汽-15 的荷載要求，但在部分荷載組合工況下，承載能力富余量基本為0。為進(jìn)一步評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有承載能力，建議對(duì)該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果委托有相關(guān)資質(zhì)的單位進(jìn)行維修加固；在加固之前，應(yīng)該采取限載措施。本文通過對(duì)某一鋼筋混凝土剛架拱橋的承載能力評(píng)定檢算進(jìn)行了相關(guān)的探討，希望能夠予以相關(guān)工程一定的幫助。