公路旧拱桥的检测验算浅析

白明亮 甘肃省交通厅工程处

公路旧拱桥的检测验算浅析

白明亮 甘肃省交通厅工程处

随着我国经济社会和交通运输事业的快速发展，已建的公路桥梁所承担的交通量越来越繁重，随着时间的推移这些桥梁都会因各种原因不同程度地存在缺陷、病害需要检测、维修、加固和改造。我国在上世纪八、九十年代所修建的桥梁基本上都进入了检测、加固的时期。在这些旧桥中有为数不少的拱桥。本文将以一公路旧拱桥的实例来对其检测验算进行详细的介绍，为类似工程提供参考。

公路旧拱桥;检测;验算;工程实例

随着我国经济社会和交通运输事业的快速发展，过去修建于各级公路上的桥梁，目前担负着十分沉重的交通荷载和繁重的交通量。同时，随着时间的推移，任何公路桥梁都将成为旧桥，都会因各种原因不同程度地存在缺陷、病害需要检测、维修、加固和改造。所以，旧桥的检测、评定与加固是桥梁建设可持续发展的一个重要组成部分和关键技术之一。在对旧桥进行检算、维修与加固时，检测与验算工作在其中起着至关重要的指导性作用，故显得尤为重要。我国在上世纪八、九十年代所修建的桥梁基本上都进入了检测、加固的时期。在这些旧桥中有为数不少的拱桥。本文将以一公路旧拱桥的实例来对其检测验算进行详细的介绍。

一 工程概况

该桥为一跨8.2m的拱桥，砼拱圈宽7m、高60cm，桥跨矢高4m，矢跨比0.488。拱圈两侧面均有一层红砖装饰层，拱上填料为粗骨粒碎石。拱桥上设现浇混凝土铺装层，铺装层厚15cm，桥面两侧为钢筋网护栏，护栏高130cm。由于该桥建成年代久远，其相关的图纸资料已遗失，本次检测依据现场结构检测的量测结果绘制出桥梁的布置图如图1所示。

二 结构现场检测

根据该桥结构特点，确定检测内容为：桥面铺装、桥头平顺、伸缩缝、排水系统、人行道、护栏、拱圈及接缝等。

本次检测发现该桥桥面铺装采用约38cm厚混凝土现浇，现场检测发现铺装层全部混凝土严重碎裂，形成坑槽，该桥未设置桥面排水系统。护栏等其余部件未发现明显的结构病害。通过在拱圈底面开凿小孔，未发现有钢筋；采用钢筋定位仪测试亦未发现拱圈内有钢筋。拱背侧墙条石表面风化严重，拱圈底面沿纵向出现裂缝，最宽处约0.15mm。

根据检测的技术要求，对主要承力构件以及外观质量不良或有其它严重病害的构件采用超声回弹综合法检测了砼强度。每个部件测试十个测区，测区基本上均匀分布于被测构件。该桥主要受力构件的混凝土强度测试结果如表1、表2所示。

该桥的混凝土构件基本完好，未见有明显结构开裂及破损，混凝土构件强度检测推定值如表1、表2所示，为安全起见确定混凝土构件的强度为30MPa。

三 承载能力计算

图1 桥梁布置图(单位：cm)

表1 拱圈底面第1处超声回弹法砼强度推算值

表2 拱圈底面第2处超声回弹法砼强度推算值

根据现场检测结果，本次检算选择该桥拱圈主要承力构件——拱圈整体板为分析对象，进行计算分析。主要计算参数列举如下：

1)材料参数：

因该桥的设计和竣工图纸等资料遗失，无法查证拱圈的设计强度和材料性能指标。现场采用超声回弹法测得拱圈底面的混凝土强度推定值最小为30.9MPa，结构验算时取拱圈砼的标号为C30混凝土，既反映实际结构真实性，又不失安全可靠。建模时将拱上填料、桥面铺装和护栏等附属物统一容重为25 的二期荷载来考虑，拱上填料、桥面铺装和护栏等不参与结构受力。

2)截面参数：

本次检算按现场量测结果截面几何尺寸进行计算分析，根据现场量测结果，该桥跨矢高为4m，矢跨比0.488，拱圈厚度为60cm，拱顶处填料和桥面铺装总厚为86cm。由于设计和竣工资料遗失，无法查证制梁时钢筋布置情况，根据现场检测情况，拱圈截面内没有钢筋，故本次按C30素混凝土进行检算。

3)荷载参数

该桥拱圈承受的永久荷载主要包括拱圈自身重力、拱上填料、桥面铺装和护栏的重量。由于该桥位于省道，交通量较为繁重。由于设计和竣工资料遗失，基本可变荷载按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023—85)中汽－20、挂－100，考虑单车道汽车荷载验算荷载，以及满人荷载等。

通过计算得出主拱圈最大受力截面的内力计算结果如表3所示。

四 主拱圈承载能力评定

1、计算依据

构件采用分项安全系数的极限状态设计，其设计原则是“荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应的设计值”。用方程表示为：

S——作用效应组合设计值；

R(·)——构件承载力设计值；

fd——材料强度设计值；

ad——几何参数设计值；

式中各参数详见《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D66-2005)。

拱圈为偏心受压构件，其正截面强度按下式计算：

式中：Nd——轴向力设计值；

A——构件的截面面积；

fcd——砌体或混凝土轴心抗压强度设计值；

ψ——纵向力的偏心影响系数

拱圈正截面直接受剪时，按下式计算强度：

表3 荷载组合下各截面最不利内力计算值

表中：弯矩下缘受拉为正；轴力压为负；剪力逆时针方向为正

表4 主拱圈正截面强度验算表

五 结论与建议

主拱圈稳定性验算：由于本次验算的桥梁为成桥状态，拱上建筑和主拱圈共同作用，不会产生纵向失稳，因而不作拱的稳定性验算。

2、主拱圈结构承载能力验算

(1)截面抗剪强度验算

拱圈按最不利状态计算，取表3中剪力最大值进行截面抗剪验算，主拱圈在汽－20荷载组合作用下截面最大剪力为416.66kN：Qj＝416.66kN＜Rd＝475.12kN(0.5×5.0×2.09＋939.78×0.7/1.4≈475.12)，主拱圈在挂－100弯矩最大时对应拱脚截面最大剪力为465.70kN：Qj＝465.70kN＜Rd＝475.12kN(0.5×5.0×2.09＋939.78×0.7/1.4≈475.12)，从表3可知在满人荷载组合下不是本桥的控制剪力，由计算可知拱脚截面的抗剪强度能够满足汽－20荷载组合作用下剪力最不利计算值，同时满足在挂－100弯矩最大时对应拱脚截面剪力最不利计算值。

(2)正截面强度验算

本次对拱脚、跨中截面在汽－20、挂－100和满人荷载作用下按最不利状态下内力情况进行正截面强度验算。计算结果如表4所示。

1、承载能力极限验算结果表明：

在汽－20及 满人荷载作用下，该桥主拱圈截面受压及受剪满足极限承载能力状态的要求；在挂－100和挂－80荷载作用下，该桥主拱圈截面受剪不满足极限承载能力状态的要求，受压满足极限承载能力状态的要求。

从表4验算结果表明：该桥在满足汽－20、挂－100和满人荷载等级下主拱圈正截面强度满足现行规范要求。

2、技术建议：

鉴于该桥过往人员和车辆较频繁，应加强日常保养和维护。针对目前发现的桥梁病害和结构验算结果，建议采取以下措施：

(1) 根据计算结果，主拱圈在挂－100弯矩最大时对应拱脚截面最大剪力接近于规范容许值，应禁止任何车辆在桥上作长时间停留，以延长桥梁的使用寿命。

(2) 翻修破损严重的桥面铺装，避免雨水向下渗漏，侵蚀主拱圈，影响桥梁使用寿命。

(3) 对该桥进行加固处治，建议增设拱圈钢筋，以提高主拱圈截面抗剪承载能力，同时封闭拱圈裂缝。

3、为类似的桥梁工程提供参考。

[1] 公路砖石及混凝土桥涵设计规范JTJ022－85

[2] 公路旧桥承载能力鉴定方法.试行，1988年 北京

[3] 公路桥涵设计通用规范.JTJ021－89[4] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.JTJ023—85

[5] 王新清. 旧桥改造技术. 交通世界(建养.机械).2008 年.第05期

[6] 王京云. 危旧拱桥的病害及加固方法探讨. 科技咨询导报.2007年.第20期；

[7] 彭梦泽. 圬工拱桥计算方法研究. 武汉理工大学.2008年

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.13.022