某圬工拱橋的承載力評估★

張海生 曾祥林 王 奇

1 概述

據統計，在石料豐富、山高谷深的西南地區，拱橋占90%以上，其中石拱橋數量最多。某圬工拱橋為等截面懸鏈線空腹式石拱橋，主拱為無鉸拱，跨徑50.87 m，寬9 m，主拱圈厚1.2 m;主拱兩端各有4個腹拱，腹拱圈厚0.35 m。該橋建成通車后，經過多年的運營，橋體結構產生了很多病害，并且隨著交通運輸量的不斷增大，該橋的實際荷載等級要高于原設計荷載等級。因此，對該橋實際承載力的評估是有必要的。

2 評估計算

2.1 計算荷載

計算荷載采用設計荷載:城市B級，人群荷載集度3.5 kN/m2;永久荷載，包括結構材料自重25 kN/m3、二期恒載25.5 kN/m3、拱上填料22 kN/m3。根據設計規范進行一種不利荷載組合——永久荷載+汽車荷載+人群荷載，驗算關鍵截面的承載能力。

2.2 計算模型

采用有限元分析軟件建立全橋計算模型，見圖1，從左到右，主拱單元依次編號為1號～108號。橋跨上游側，從左到右，腹拱依次編號為1號～8號。1號，4號，5號，8號腹拱為三鉸拱，2號、3號、6號、7號腹拱為兩鉸拱。8個腹拱均等分為32個單元，每個腹拱單元從左到右依次編號為1號～32號，腹拱計算模型見圖2。

圖1 全橋計算模型

圖2 腹拱模型

2.3 計算方法

利用有限元分析軟件對橋梁實際受力狀態進行有效模擬并計算各種荷載組合作用下各個單元截面的內力，從而達到對橋梁承載能力進行評估的目的。對于該橋承載能力的評估，只需驗算

主拱圈在城市B級荷載作用下，各單元的安全儲備是否充足。

2.4 計算結果

2.4.1 主拱的計算結果

經計算得出主拱在荷載組合——永久荷載+汽車荷載+人群荷載作用下的安全儲備系數介于0.72～2.78之間，大多數單元的安全儲備系數介于1.01～2.78之間，少數單元在最大軸力和最大彎矩工況下出現了安全儲備系數小于1的情況，詳見表1，表2。

表1 最大軸力工況下主拱部分單元承載能力驗算結果

表2 最大彎矩工況下主拱部分單元承載能力驗算結果

表1、表2中的計算結果表明主拱的拱腳安全儲備系數偏低。

2.4.2 腹拱的計算結果

由于結構對稱，1號～4號腹拱與5號～8號腹拱計算結果相同，計算結果見表3。由腹拱的計算結果可知，1號～8號腹拱在荷載組合——永久荷載+汽車荷載+人群荷載作用下的安全儲備系數均大于1，表明8個腹拱均具有足夠的強度。

表3 腹拱評估計算結果

2.5 評估計算結論

城市B級荷載等級作用下，橋跨結構具有一定的安全儲備，橋梁結構滿足城市B級荷載等級要求，但主拱拱腳安全儲備系數偏低。

表4 靜載試驗及測試內容

3 靜載試驗

3.1 試驗及測試內容

根據評估計算結果，按照城市B級荷載等級對橋梁進行靜載試驗，試驗及測試內容見表4，試驗截面示意圖見圖3。

圖3 試驗截面示意圖（單位：cm）

3.2 靜載試驗測試結果

3.2.1 撓度測試結果

各試驗工況撓度實測值及與計算值比較見表5。

表5 撓度實測值及與計算值的比較

試驗結果表明:A工況下，撓度校驗系數介于0.55～0.84之間，處于合理范圍內，橋跨結構具有足夠的剛度;B工況下，撓度校驗系數介于0.61～0.94之間，處于合理范圍內，橋跨結構具有足夠的剛度;C工況下，撓度校驗系數介于0.40～1.71之間，超出合理范圍內，橋跨結構剛度偏低。

3.2.2 應力測試結果

各試驗工況應力實測值及與計算值比較見表6。

試驗結果表明:A工況下，應力校驗系數介于0.27～0.79之間，處于合理范圍內，橋跨結構具有足夠的強度;B工況下，應力校驗系數介于0.55～0.79之間，處于合理范圍內，橋跨結構具有足夠的強度;C工況下，應力校驗系數介于0.21～1.68之間，超出合理范圍內，橋跨結構強度偏低。

表6 應力實測值及與計算值的比較

4 綜合結論

橋跨結構承載能力滿足城市B級荷載等級要求，但拱腳安全儲備略偏低;拱腳最大負彎矩作用下，橋跨結構具有足夠的強度和剛度儲備;1/4跨附近最大正彎矩作用下，橋跨結構具有足夠的強度儲備，剛度儲備略偏低;跨中最大正彎矩作用下，橋跨結構強度和剛度儲備均偏低。

5 結語

本文基于某圬工拱橋的現場檢測及試驗結果，建立了有限元分析模型，并結合荷載試驗結果對該橋的承載能力進行了評估。由于目前階段對于舊橋的承載能力評估只是采用荷載試驗方法對其數據進行定性分析，還不能定量研究各種影響橋梁承載力的因素。因此，既有橋梁的評估方法有待進一步的探討。

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