一座大跨径双曲拱桥的承载能力鉴定

米玛卓玛 索 朗

(西藏自治区公路局，西藏拉萨 850001)

1 工程概述

本文讲述的桥梁建成于20世纪70年代，为单孔净跨80 m的双曲拱桥，净矢高约9.8 m，主拱圈为变截面，全宽7.0 m，横截面由5片拱肋、4片拱波和2片悬半波及填平式拱板组合而成，肋间沿纵向共设置17道尺寸为20 cm×70 cm的横隔梁。拱肋、拱波及横隔梁均采用钢筋混凝土结构，拱板采用现浇混凝土将拱肋、拱波填平后，再在其上砌筑石灰岩块石而成。拱波净跨1.0 m，矢高0.3 m，厚0.1 m，横截面变化采用拱肋和拱板高度同时改变的方式，其中拱顶处混凝土拱肋高0.6m，砌体拱板高0.5m，截面全高1.5 m，拱脚处混凝土拱肋高1.2 m，砌体拱板高1.0 m，截面全高2.6 m。

拱上构造由拱上横墙、腹拱、拱上填料及桥面构造组成。腹拱每端设4孔，均为等截面圆弧拱，净跨4.0 m，矢高2.0 m，宽7.0 m，厚0.4 m。拱上横墙宽7.0 m，厚0.9 m。拱桥主要立面尺寸示意图见图1。

图1 主要立面尺寸示意图（单位：m）

桥面总宽7.4 m。设计荷载不详，考虑到该桥的建成年代，其检算荷载取汽车—15级、挂车—80或者汽车—20级、挂车—100。

2 桥梁病害

通过调查，该桥的主要病害为:

1)各拱肋间的绝大多数拱波在拱波顶处均存在整段贯通的纵向裂缝;2)下游侧拱顶有较明显的下沉;3)桥面板大面积的损坏开裂。

3 材料强度测试

通过在拱脚背面钻芯取样，试压后得到拱圈石料强度为60号块石，填缝材料取为7.5号砂浆;通过回弹法测试，得到拱肋混凝土的参考强度为36 MPa。

4 拱肋线形测量

采用无棱镜电子全站仪观测桥梁几何尺寸，在主拱圈上游拱肋下缘共观测19个点，在主拱圈下游拱肋下缘共观测17个点。

通过对实测拱轴线坐标进行拟合，可知主拱圈上游侧矢高为9.867 m，拱轴线与模数m=4.08的悬链线基本一致，主拱圈下游侧矢高为9.788 m，拱轴线与模数m=3.78的悬链线基本一致。主拱圈下游侧矢高较上游侧低7.9 cm，发生了明显的不均匀变形。结合前述外观检查中拱波开裂和主拱拱顶附近下沉现象，可以知道该桥主拱圈的整体性遭到了较严重的破坏。

5 结构内力计算

5.1 计算模型

采用通用有限元计算程序Ansys计算，模型中主拱圈仍作为一个整体参与受力。主拱圈、腹拱圈、横墙及桥面板均采用平面梁单元模拟。拱上侧墙和填料采用等效的平面板单元模拟，忽略其抗弯刚度，计算自重作用时不考虑拱上建筑的联合作用。边腹拱采用双铰拱，其余腹拱均为无铰拱，主拱圈在拱脚处固结。

5.2 计算参数

5.2.1 截面特性

由于主拱圈由混凝土和块石砌体两种材料组成，因此，计算主拱圈截面的几何特性时，需先将其换算成由单一材料组成的换算截面，本计算中，以块石砌体作为标准材料，按混凝土和块石砌体两种材料的弹模比进行主拱圈换算截面几何特性的计算。各构件截面几何特性见表1。

表1 结构截面几何特性

5.2.2 恒、活载取值

恒载取结构重力，以构件容重的形式输入。

设计活载按双车道考虑，取值分两种工况:汽车—15级和汽车—20级荷载。

验算活载也取两种工况:挂车—80和挂车—100。

温度荷载按全桥升温20℃、降温－20℃考虑。

6 结构验算

6.1 正截面受压强度验算

主要验算JTJ 021-89公路桥涵通用设计规范规定的组合Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，其计算公式为:

主拱圈相应的容许偏心距为:

组合Ⅰ:［e0］=0.5y;组合Ⅱ，Ⅲ:［e0］=0.6y;其中 y 为截面重心至偏心方向截面边缘的距离。

1)当e0＜［e0］时，拱圈抗力效应计算公式为:RN=αARja/γm，式中各参数按照JTJ 022-85公路砖石及混凝土桥涵设计规范第三章“构件计算规定”取值和计算。

2)当e0＞［e0］时，按照JTJ 022-85公路砖石及混凝土桥涵设计规范规定，拱圈正截面强度由材料弯曲抗拉设计控制，抗力效应计算公式为:

根据以上公式计算得到汽车—15级、挂车—80级和汽车—20级、挂车—100级荷载下组合Ⅰ～Ⅲ中主拱圈各控制截面的抗力效应部分计算结果分别见表2、表3。

表2 汽车—15级、挂车—80级荷载组合Ⅰ～Ⅲ主拱圈正截面受压抗力验算结果 kN

表3 汽车—20级、挂车—100级荷载组合Ⅰ～Ⅲ主拱圈正截面受压抗力验算结果 kN

表2的验算结果表明，在汽车—15级、挂车—80活载作用下，各荷载组合工况下的主拱圈正截面抗力均大于荷载效应最不利值，满足规范要求。表3的验算结果表明，在汽车—20级、挂车—100活载作用下，组合Ⅱ中活载Mmin+温降工况下主拱圈拱脚截面的正截面抗力小于荷载效应最不利值，不能满足规范要求。

6.2 正截面受剪强度验算

对于这类拱桥，一般情况下抗剪强度不起控制作用，通过计算亦可得出其主拱圈各控制截面的正截面直接受剪强度满足规范要求。

6.3 检算结论

该桥在不考虑现有病害状况下，主拱圈强度能满足通行汽车—15级、挂车—80荷载的要求;其拱脚截面强度不能满足通行汽车—20级、挂车—100荷载的要求。

7 考虑桥梁技术状况时的折减

根据《公路旧桥承载能力鉴定方法》，对荷载效应不利组合设计值不大于结构抗力效应设计值的方程式改变如下:

其中，Z1可以根据现场调查的结果，查《鉴定方法》的表2.1得出，本桥主拱圈产生了明显的不均匀沉陷，且各拱肋间大部分拱波均在拱波顶处纵向开裂，导致主拱圈的整体性遭到严重破坏，不能再作为一个整体构件参与受力，因此，本计算取Z1=0.7，对主拱圈截面的抗力进行折减。

经过折减后的验算结果表明，在汽车—15级、挂车—80荷载作用下，组合Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ下的主拱圈各检算截面的正截面抗力在个别工况下小于荷载效应最不利值，不满足规范要求。当然也不能满足汽车—20级、挂车—100荷载的通行要求。

8 承载能力结论与建议

根据内力计算及验算结果，结合本桥主拱圈整体性差，并有明显不均匀变形，使用时间超过30年等情况，建议修建新桥，或对桥梁的整个主拱圈进行全面加固，对破损的桥面和栏杆进行维修或更换。

9 结语

双曲拱桥作为特定历史时期的产物，曾在中国交通史上起到了很重要的作用，但是随着交通量的飞速发展，这类桥梁经过长期服役后往往存在着较为严重的病害，对其进行详细的病害检查和正确的承载能力评估对于这类桥梁的加固改造起到举足轻重的作用，作为检测人员，在对其进行检查和评估时，应注意以下几点:

1)病害检查应全面仔细，注意拱肋、拱波及其结合处的开裂;

2)应调查桥梁组成构件的材料强度，通过钻芯、回弹、钢筋扫描等确定计算参数;

3)应详细测量结构的几何尺寸特别是拱肋的线形，根据实际测量结果建立计算模型;

4)这类旧桥承载能力往往难以满足现行规范的最低要求，应结合年代选择合适的检算标准，避免无法得出结论;

5)根据病害情况及拱肋的变形情况确定验算时的折减系数。

［1］JTJ 022-85，公路砖石及混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］JTJ 021-89，公路桥涵通用设计规范［S］.

［3］JTJ 054-94，公路工程石料试验规程［S］.

［4］JTG H11-2004，公路桥涵养护规范［S］.