圖紙缺失的既有圬工拱橋承載能力評(píng)估研究

何周通

（廣東通創(chuàng)建筑工程有限公司 廣東 佛山 528100）

0 引言

對(duì)于圖紙缺失的既有橋梁，應(yīng)采用檢測手段對(duì)其進(jìn)行外部尺寸復(fù)原和材料強(qiáng)度推定［1-3］，以作為理論計(jì)算的基本依據(jù)。利用三維激光掃描技術(shù)［4-5］可以快速獲得橋梁的輪廓集合數(shù)據(jù)，以掌握其外部尺寸信息；利用回彈儀［6］和貫入儀［7］可以測得橋梁主要受力構(gòu)件的材料強(qiáng)度，以掌握其材料參數(shù)信息?；谏鲜鰴z測手段，依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)規(guī)范，能夠?qū)蛄旱某休d能力開展評(píng)估。

1 工程概況

某拱橋全長73.0 m，橋?qū)?0.8 m，跨徑組合為19.0 m+2×17.5 m+19.0 m。根據(jù)現(xiàn)場勘查可知，該橋上部結(jié)構(gòu)為混凝土板拱，下部結(jié)構(gòu)為石砌墩臺(tái)。由于橋梁建設(shè)年代久遠(yuǎn)，橋梁設(shè)計(jì)資料缺失，橋梁外部結(jié)構(gòu)尺寸及構(gòu)件材料強(qiáng)度不詳?，F(xiàn)狀橋梁采取了“13 t”限載措施。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 尺寸復(fù)原

采用三維激光掃描儀對(duì)該拱橋包括主拱圈、橋墩、橋面在內(nèi)的橋梁主要構(gòu)件進(jìn)行三維掃描，并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的有效點(diǎn)云如圖1所示。

圖1 橋梁原始點(diǎn)云示意圖Fig.1 Bridge Original Point Cloud Sketch

由三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的橋梁尺寸可知，橋梁總長73.37 m，總寬10.50 m，每跨計(jì)算跨徑均為16.0 m，矢高為3.2 m，矢跨比為1/5，腹孔孔徑為2 m，主拱圈高0.65 m，主拱圈寬7.5 m。

2.2 強(qiáng)度檢測

采用回彈法和貫入法分別對(duì)混凝土強(qiáng)度和砌筑砂漿強(qiáng)度進(jìn)行檢測，其中混凝土強(qiáng)度抽取4個(gè)測點(diǎn)，砂漿強(qiáng)度抽取2 個(gè)測點(diǎn)，檢測結(jié)果如表1、表2 所示。由此可知，回彈法測得主拱圈測區(qū)強(qiáng)度推定值介于24.3～25.4 MPa之間，橋臺(tái)強(qiáng)度推定值介于53.6～54.0 MPa之間，由貫入法測得橋臺(tái)砌石砂漿強(qiáng)度推定值大于15.8 MPa。

表1 混凝土回彈檢測結(jié)果Tab.1 Concrete Rebound Test Results

表2 砂漿強(qiáng)度檢測結(jié)果Tab.2 Mortar Strength Test Results

因此，主拱圈、腹拱圈混凝土強(qiáng)度取C25，側(cè)墻砂漿強(qiáng)度取M15，側(cè)墻砌體塊石強(qiáng)度取MU50。

3 理論計(jì)算

3.1 模型建立

通過MIDAS/Civil 有限元分析軟件建立該拱橋的有限元模型，如圖2 所示，對(duì)1#～4#主拱圈分別劃分為94個(gè)單元，各單元長度約為18 cm。

圖2 橋梁計(jì)算模型Fig.2 Bridge Calculation Model

3.2 荷載取值

3.2.1 恒荷載

拱圈及橋臺(tái)按素混凝土計(jì)，容重取為25 kN/m3；填料按漿砌塊石計(jì)，容重取為24 N/m3。

橋面鋪裝按水泥混凝土計(jì)，容重取為24 kN/m3；人行道板按鋼筋混凝土計(jì)，容重取為25 kN/m3。

3.2.2 移動(dòng)荷載

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)及實(shí)際車輛通行狀況，車輛荷載按汽車-15級(jí)計(jì)。

單側(cè)人行道寬度取為1.75m，人群荷載按3.0kN/m2計(jì)。

3.2.3 溫度荷載

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，平均溫度取19 ℃，最高溫度取34 ℃，最低溫度取6 ℃。

3.2.4 基礎(chǔ)沉降

各拱腳位置支座沉降取值為0.5 cm。

3.3 結(jié)果提取

根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D61—2005》［8］，對(duì)拱橋的主拱圈截面強(qiáng)度、主拱圈整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”、撓度等進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)其正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)估［8-10］。

3.3.1 主拱圈截面強(qiáng)度驗(yàn)算

以1#主拱圈為例，其各截面強(qiáng)度安全系數(shù)（承載能力/最大軸力）如圖3所示。

圖3 1#主拱圈截面強(qiáng)度驗(yàn)算安全系數(shù)Fig.3 1# Main Arch Ring Section Strength Safety Factor

3.3.2 主拱圈整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”驗(yàn)算

以1#主拱圈為例，其整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”安全系數(shù)（承載能力/最大軸力）如圖4所示。

圖4 1#主拱圈整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”驗(yàn)算安全系數(shù)Fig.4 1# Main Arch Ring Strength-stability Safety Coefficient

3.3.3 主拱圈正常使用極限狀態(tài)安全評(píng)估

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第4.0.2條，圬工拱橋正常使用極限狀態(tài)的要求，一般情況下可由相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第5.2 條，拱橋的矢跨比宜采用1/4～1/8，該拱橋矢跨比f=3.2/16=1/5，滿足該構(gòu)造要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第5.2.6 條，組合截面接縫采用砂漿填筑時(shí)，砂漿強(qiáng)度等級(jí)不宜低于M10。橋臺(tái)砌石砂漿強(qiáng)度推定值大于15.8 MPa，滿足文獻(xiàn)［8］要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第6.3.1 條，等跨石砌拱橋?qū)嶓w橋墩頂寬可按拱跨的1/10～1/20 擬定（即0.8～1.6 m），但不小于0.8 m，該拱橋墩頂寬度為1.62 m，基本滿足要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第5.2.2 條，空腹式拱橋在腹拱鉸上面的側(cè)墻、人行道、欄桿等均應(yīng)設(shè)置伸縮縫或變形縫。伸縮縫或變形縫有利于主拱圈適應(yīng)溫度變化、混凝土收縮或砂漿收縮，也有利于主拱圈的彈性與非彈性變形，避免拱上建筑產(chǎn)生裂縫。該拱橋未設(shè)置伸縮縫或變形縫。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3362—2018》第9.5.1，空腹式拱上建筑的腹孔跨徑不宜大于主拱跨徑的1/8～1/15（其比值隨跨徑的增大而減?。?，該拱橋腹孔孔徑/主拱跨徑=2 m/16 m=1/8，滿足要求。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTG/T 3650—2020》第19.2.1 第2 條，石拱橋主拱圈厚度由初步尺寸經(jīng)驗(yàn)公式估算：d=（4.5～6）×1.2×1 6001/3=63.2～84.2 cm。該拱橋主拱圈厚度為65 cm，滿足規(guī)范要求但主拱圈設(shè)計(jì)高度偏小。

3.3.4 主拱圈撓度驗(yàn)算

根據(jù)文獻(xiàn)［8］第5.1.11 條，拱橋應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015》規(guī)定的作用短期效應(yīng)組合，在一個(gè)橋跨范圍內(nèi)的正負(fù)撓度的絕對(duì)值之和的最大值，不應(yīng)大于計(jì)算跨徑的1/1 000。

由計(jì)算模型提取1#～4#主拱圈在作用短期效應(yīng)組合下正、負(fù)撓度之和最大值匯總?cè)绫?所示。

表3 主拱圈的正負(fù)撓度之和最大值Tab.3 Maximum Sum of Positive and Negative Deflection of Main Arch Ring

4 結(jié)論

⑴該拱橋在承載能力極限狀態(tài)下，滿足主拱圈截面強(qiáng)度要求、滿足拱的整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”要求。

⑵該拱橋未設(shè)置伸縮縫或變形縫；主拱圈設(shè)計(jì)高度略偏?。黄渌麡?gòu)造基本滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

⑶該拱橋滿足撓度驗(yàn)算要求。