王小兵， 王　青

(苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112)



圬工拱桥震后承载能力评估研究

王小兵， 王青

(苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112)

圬工拱桥因其取材方便，在工程实践中得到广泛应用，但其抗震能力差。在地震力的作用后，圬工拱桥将会出现拱圈开裂、拱上结构开裂等常见病害，导致该类桥梁的正常运营受到了严重影响，在一定程度上影响震后救灾工作的开展。以某座震后圬工拱桥为工程背景，采用常规检测、有限元仿真分析和荷载试验相结合的方法，综合分析评定该类桥梁的既有状况。结果表明采用该方法对震后圬工拱桥的承载能力进行综合性评估是一种行之有效的手段。同时，以实测数据为依据，提高了对桥跨结构运营状态评价的准确性和真实性，具有良好的工程应用价值。

震后；圬工拱桥；承载能力；评估

圬工拱桥是人类利用经久耐用、强度高的天然石材跨越山谷、河流等障碍物的桥跨结构，具有悠久的历史。公元605年，我国修建了以其构思和工艺精巧而闻名于世的石拱桥——赵州桥。自第二次工业革命以来，圬工拱桥在工程实践中得到广泛的应用，以欧洲和中国的圬工拱桥修建的最多。据统计，欧洲铁路线路上有近14万座的圬工拱桥，约占线路上桥梁总数的40 %。而我国目前现存的圬工拱桥高达400多万座，约占桥梁总数的61 %，尤其在我国西南地区，占90 %以上[1]。在建国初期，使用天然石材大量修建的圬工拱桥在铁路和公路运输中仍然发挥着重要的作用。但随着交通量的增加，桥梁结构频繁受到车辆荷载的碾压作用，甚至超载，自然环境的侵蚀，尤其地震力的作用，导致圬工拱桥拱圈开裂、拱上横墙开裂、桥面板横移、墩台下沉、墩身开裂、折断及落拱等不同程度的损伤，严重影响桥跨结构的安全运营[2-3]。在地震力作用下，虽然圬工拱桥具有比梁式桥更强的抗冲击能力，但是，震后拱脚的相对位移较大就会导致桥梁的整体坍塌[4]。为了根除桥跨结构隐患，充分发挥圬工拱桥的潜在的承载能力，十分必要对震后桥梁进行准确可靠的分析与评定，用以判断承载能力是否满足目前的交通通行要求。本文以震后某圬工拱桥为工程背景，初步探讨该类型桥梁安全、有效的评估方法，为桥梁的维修、加固及管理提供技术依据。

1　工程概况

某圬工拱桥位于景区交通干道上，跨径为35.5 m的等截面空腹式石拱桥。 桥梁全长49.15 m，桥面宽8 m，主拱圈上方两侧各设置3道腹拱，以减轻桥梁自重，利于泄洪。该桥的立面图见图1所示。设计荷载为汽车-20级，挂车-100。鉴于该石拱桥位于通往景区的重要道路上，车辆密度大，且该地区处于龙门山地震带，地壳运动尤为活跃，受地震影响突出。雅安地震后，一些桥跨结构受损严重，为了保证该圬工拱桥的运营安全，需对震后结构现状进行检查，如桥梁线形、主要结构尺寸、材料强度等主要参数；明确结构主要病害特征，确定结构工作状态以及使用性能。

图1　圬工拱桥立面(单位：cm)

2　常规检测

2.1主拱及腹拱拱圈线性量测

采用全站仪、靶标及钢尺等对桥梁主拱及腹拱拱圈线性量测。拱轴线采用全站仪的“前方交会法”进行测量，线性测量采用相对坐标系，而测点坐标则按以下公式计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:A、B为后视控制点，(xA，yA)和(xB，yB)分别为A、B两点的水平坐标；p为测量靶标点，(xp，yp)为P点的水平坐标；hp为p点相对于A点的高程坐标；θ为A点与p点的立面夹角。

首先，借助机械工具在桥梁主要结构具有代表性的位置粘贴靶标，便于线性测量。例如，针对圬工拱桥线性测量，在拱圈侧面下缘易于观测的截面位置粘贴靶标。从拱脚截面开始，主拱圈和腹拱圈沿桥跨度方向按一定间距分别布设17个、5个靶标测点。根据线性测量结果可知，主拱和腹拱线形总体平顺，上、下游侧拱圈实测线形较为一致，主拱圈实测拱轴线线形与设计线形吻合程度高。说明桥梁线形具有良好的平顺性，桥跨结构及基础变位小。主拱圈及腹拱圈实测线形示意图见图 2所示。

图2　线形测量结果示意

2.2表观检测

为了更全面的了解桥梁病害及病害发展趋势，需要对桥梁进行细致的表观检测。该方法以人工目测为主，并结合卷尺、直尺、裂缝标尺等对桥梁结构进行全面的表观检查，详细记录桥梁结构出现病害的类型、位置、范围以及发展程度。

检测结果表明：该桥主拱、腹拱及桥台等主要构件无明显裂缝、无破损现象。桥面铺装层较为完整，但局部存在磨损、骨料外露现象。主拱圈部分截面存在勾缝砂浆脱落、石料风化，局部砌缝轻微渗水钙化、泛碱现象。两侧护栏局部破损、钢筋外露锈蚀。

2.3材料力学性能检测

石料强度及砌筑砂浆强度是衡量圬工拱桥结构承载力的主要性能指标，因此，有必要对其力学性能进行测试工作。采用钻心取样法检测石料强度，在钻芯取样后采用砂浆等将钻孔修复。从石料结构物中钻取芯样，根据芯样的强度来确定结构石料的强度。与此同时，砌筑砂浆强度可以通过贯入法进行确定。鉴于钻取芯样位置结构自身所在位置以及受力状况等各方面的限制条件的制约，因此钻取芯样的位置和数量也受到上述制约条件的影响。但仍然可以作为抽检石料力学性能的重要指标。根据石料芯样抗压强度试验结果及文献[5]可知，主拱石料的强度等级为MV60、横墙及腹拱石料的强度等级为MV60、砌缝砂浆为M7.5。

3　荷载试验

3.1方案设计与加载控制

桥梁结构抗力主要取决于截面尺寸与材料的强度。鉴于桥梁设计时，其主要参数根据既有设计规范进行取值，如：材料强度等，虽然这些参数具有普遍意义，但与材料的现场实测的力学性能存在差异。与此同时，由于施工等因素，桥跨结构的实际尺寸也与设计值之间存在差异，而这些差异将会影响桥跨结构分析以及结构抗力等[6]。因此，桥梁的主拱、腹拱拱轴线线形依据本次现场实测线形，其余构件尺寸根据本次实测尺寸大小，即主拱计算跨径取35.5 m，计算矢高取5.13 m。主拱圈按无铰拱模拟，边腹拱按三铰拱模拟，采用桥梁结构专用有限元分析软件Doctor Bridge建立该桥的计算模型，如图3所示。

图3　桥跨结构有限元模型

3.1.1方案设计

根据车辆荷载在主拱圈加载截面产生的最不利弯矩效应和文献[7]中规定的荷载试验效率系数0.95～1.05，确定加载工况和加载车辆轴重进行等效加载试验。考虑加载车辆和测试截面的可操作性，加载工况分别取距拱脚50 cm截面最大负弯矩工况(A-A工况)、L/4跨最大正弯矩工况(B-B工况)和跨中最大正弯矩工况(C-C工况)。各工况下试验截面的试验弯矩、计算弯矩及荷载效率系数如下表1所示，各工况下测试截面和测点布置如图4、图5。

表1　各试验截面的试验弯矩、计算弯矩及荷载效率系数

3.1.2加载控制

为了保证人员、加载车辆和试验设备等安全，严格按照设计的加载程序对试验桥跨进行分级加载和卸载，荷载的大小、截面的内力的大小都应由小到大逐渐增加，并随时作好停止加载和卸载的准备。同时，通过对分级加载和荷载过程中的数据实时采集，绘制试验荷载与结构响应之间变化关系的连续性曲线，初步判断结构的工作性能，避免结构意外的损伤。在正式加载工况之前，选取50 %荷载值进行预加载，初步判断桥跨结构是否存在问题。待试验桥跨结构工作性能良好后方可进行正式工况加载。在正式工况现场分级加载的过程中，记录并实时分析桥跨结构控制截面的应变值和挠度值。同时，在加载的过程中，对桥跨结构比较薄弱的部位进行检查，发现异常情况，立刻停止加载，避免盲目加载对既有桥梁造成次生病害。

图4　测试截面布置(单位：cm)

图5　测点布置(单位：cm)

3.2挠度测试结果

在各加载工况下，主拱圈各测试截面挠度现场实测值与理论值的比较见表2。

在车辆荷载作用下，主拱圈各控制截面处的挠度实测值均较小，主拱圈最大变形发生在B-B工况下的3L/4测试截面，其值为-0.91 mm。并且在车辆荷载卸载后，桥跨结构能够很好地恢复原有线形，残余变形量小，主要测点相对残余变形均小于5 %，表明该桥能够满足正常使用极限状态的要求。由测试结果可知，主拱圈各控制截面的挠度实测值均比理论值小，其校验系数值偏小，介于0.29～0.43之间，低于规范[8]中对圬工拱桥挠度校验系数0.80～1.00的限值要求。

3.3应力测试结果

在车辆荷载作用下，主拱圈各控制截面实测应力大小与理论值的比较见表3。根据表3对比结果可知，主拱圈各控制截面的实测应力值均比有限元模型的计算值小，表明该桥跨结构具有足够的安全储备。各工况控制截面应力校验系数较小，介于0.44～0.76之间，低于文献[8]中对圬工拱桥应力校验系数0.70～1.00的限值要求。

表2　各工况拱圈挠度实测值与理论值比较

注：挠度以向下为负，向上为正。

表3　各工况控制截面应力实测值与理论值比较

注：应力以受拉为正，受压为负。

3.4结果分析

根据上述测试结果可知，主拱圈各控制截面挠度和应力的实测值均小于理论值，且校验系数均较小，低于规范[8]中对圬工拱桥校验系数的限值要求。分析其主要原因是由于拱上建筑、填料与拱圈的相互作用，使得主拱圈的刚度增大导致的。石料的现场实测弹性模量大于规范中的规定值，导致挠度及应力实测值均小于理论值。同时，在车辆荷载的加载过程中，很难保证车辆加载位置完全与理论加载位置吻合等，在一定程度上这些因素都将会影响试验测试值。

4　有限元计算结果分析

根据对该圬工拱桥结构尺寸、弹性模量等现场测量成果，并考虑拱上建筑与主拱圈的共同作用，建立该桥的有限元计算模型。由于该桥拱上填料厚度大于50 cm，在模型计算时不计冲击系数[9]。在对圬工拱桥承载能力极限状态评定的过程中，采取截面折减系数、活载修正系数以及桥梁检算系数分别对极限状态方程中的结构抗力效应和荷载效应进行修正，对结构内力及抗力并进行比较，得到结构安全储备系数，依此判定结构是否满足验算荷载的荷载等级要求。依据上述常规检测成果，该座圬工拱桥结构的承载能力检算系数Z2取1.15，截面折减系数ξc取0.98。该桥主拱圈各控制截面承载能力验算结果如下表4所示。

表4　主拱圈各控制截面承载能力验算结果

根据上述承载能力验算结果可知，该圬工拱桥各控制截面的安全储备系数介于3.59～4.33之间，满足荷载等级：汽车—20级，挂车—100的承载能力要求。即该座圬工拱桥能够有效满足桥跨结构承载能力的要求，具有较高的安全储备。有限元计算结果与该桥的现场常规检测结果比较吻合，表明根据实测成果建立有限元模型，对实际桥梁结构进行仿真分析是行之有效的。

5　结束语

地震灾害预警机制不够完善，新建桥梁结构通过设置隔震支座、利用桥墩延性以及采用隔震支座和阻尼器相结合的系统来减轻地震力对该结构的破坏，而圬工拱桥无法通过上述措施来减小地震的危害，受地震力影响突出。因此，对震后圬工拱桥的承载能力进行科学评估，从而保证桥梁结构的运营安全。在震后某圬工拱桥现场检测的实测数据的基础上，建立有限元计算模型，设计荷载试验方案，进行试验工况加载，通过比较分析现场检测和各试验工况下的挠度与应力结果，该圬工拱桥主拱圈及腹拱圈线性良好，结构具有良好的安全贮备。有限元分析结果表明该桥受雅安地震影响较小，桥跨结构能够有效地满足汽车—20级、挂车—100的承载能力要求，与该桥现场常规检测结果比较吻合。

因此，采用常规检测、荷载试验以及仿真分析相结合的方式对震后圬工拱桥的承载能力进行综合性评估是一种行之有效的手段。以实测数据为依据，提高了对桥跨结构运营状态评价的准确性和真实性，具有良好的工程应用价值。同时，也为后期桥梁养护、维修提供一定的技术参考。

[1]孙潮,陈宝春,黄文金. 圬工拱桥承载力计算方法比较[J].中外公路, 2014,12(6):149-154.

[2]李亚东,强士中. 震后灾区桥梁初步考察与评估[J].桥梁建设,2009(5):68-73.

[3]庄卫林,刘振宇,蒋劲松.“5·12”汶川地震公路桥梁震害分析及对策研究[J].公路,2009(5):129-139.

[4]王克海,韦韩,李茜,等.中小跨径公路桥梁抗震设计理念[J].土木工程学报,2012,45(9):115-121.

[5]JTJ 022-85 公路砖石及混凝土桥涵设计规范[S].

[6]李亚东. 基于设计规范的桥梁承载能力评估[J].桥梁建设,1996(2):61-63.

[7]JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[8]交通部. 公路旧桥承载能力鉴定方法(试行) [S].北京:人民交通出版社,1988.

[9]刘舒,王宗林.关于新旧规范中冲击系数的讨论 [J].中国科技信息, 2005(23):121-128.

王小兵(1982～)，男，本科，工程师，从事桥梁及隧道试验检测、加固设计相关工作；王青(1984～)，女，本科，工程师，从事公路、桥梁勘察设计相关工作。

U445.6

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[定稿日期]2015-12-18