中承式鋼筋混凝土拱橋承載能力評定

曹海榮 延安市公路管理局

中承式鋼筋混凝土拱橋承載能力評定

曹海榮 延安市公路管理局

拱橋結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的空間造型及優(yōu)越的跨越能力，在我國的交通基礎(chǔ)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。在長期重載作用下，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同數(shù)量的病害，損傷狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能評定是判斷橋梁能否繼續(xù)承載的重要手段，也是既有橋梁結(jié)構(gòu)進行加固設(shè)計的前提。

拱橋 鋼筋混凝土 承載力

一、工程概況

（一）結(jié)構(gòu)概況。該中承式鋼筋混凝土拱橋位于我國南方某省，橋梁全長218.9m。拱肋采用勁性骨架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拱軸線為懸鏈線，計算跨徑為198m，計算矢高33m，矢跨比為1/6。吊桿采用54根φ7高強鋼絲組成?？鐝浇M合為：1×198m。橋面鋪裝為鋼筋混凝土，橋面凈寬：9m行車道+2×1m人行道。

下部構(gòu)造：主拱基礎(chǔ)為整體式鋼筋混凝土拱座，橋臺為U形橋臺，兩橋臺直接放在兩拱座上。

設(shè)計荷載等級：汽車-20級，掛車-100。

（二）結(jié)構(gòu)病害。由于大橋服役年限久遠，使得該橋在重載作用下產(chǎn)生較多的損傷，嚴重影響了該橋梁結(jié)構(gòu)的繼續(xù)承載。橋梁問題主要體現(xiàn)在：1）主要承重構(gòu)件：拱肋出現(xiàn)較多的伸縮裂縫；2）一般承重構(gòu)件：橫梁底面、側(cè)面出現(xiàn)較多的豎向裂縫，裂縫寬度在0.14mm～0.23mm之間；一些橫梁出現(xiàn)側(cè)面與底面貫通的裂縫；3）橋臺：威坪側(cè)橋臺臺身有兩條斜向裂縫，總長0.90m，最寬0.3mm，根據(jù)竣工資料，是從施工縫發(fā)展而來；4）人行道欄桿：人行道欄桿柵出現(xiàn)斷開現(xiàn)象；5）風撐：風撐存在銹蝕現(xiàn)象。

為確保該橋梁結(jié)構(gòu)能夠安全運營，需對該損傷狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)進行承載性能評估，通過對評估結(jié)果分析，進而用于指導(dǎo)該橋梁結(jié)構(gòu)的維護措施和加固設(shè)計。

二、結(jié)構(gòu)承載能力評定方法

基于該橋梁結(jié)構(gòu)檢測的現(xiàn)有病害損傷分布狀況，該橋梁承載能力評定基本方法主要分以下三步進行：（1）選擇最不利或有代表性的橋跨結(jié)構(gòu)或構(gòu)件作為承載能力檢測評定的對象，并通過結(jié)構(gòu)計算分析，初步確定橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力；（2） 然后對初步確定的承載能力檢測評定對象，開展深入細致的橋梁調(diào)查和檢測工作；（3）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際檢測結(jié)果，對分項檢測指標做出評判，最后根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計或竣工技術(shù)資料，通過結(jié)構(gòu)檢算分析，評定橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力及其使用條件。

三、結(jié)構(gòu)計算模型建立

該橋梁結(jié)構(gòu)主跨采用中承式勁性骨架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用極限狀態(tài)法計算并考慮橋梁現(xiàn)狀對承載能力進行評價。

（一）結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)設(shè)計圖紙，采用MIDAS結(jié)構(gòu)分析計算軟件建立該中承式鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的分析模型，對原結(jié)構(gòu)進行強度復(fù)核。橋梁檢算荷載為：汽車-20級、掛車-100

（二）材料特性。該橋梁材料主要為混凝土和鋼筋：1）拱肋混凝土(鋼管填心)為C50混凝土，拱肋外包為C40混凝土；2）主筋為HRB335級鋼筋，其余均為HPB235級鋼筋。

（三）荷載。按荷載性質(zhì)分為恒載和活載，恒載包括結(jié)構(gòu)自重、人行道欄桿、橋面鋪裝；活載包括：人群荷載、汽車荷載、掛車荷載。

根據(jù)荷載出現(xiàn)的組合狀態(tài)，分為三種工況即三種荷載組合：1）工況1：恒載+汽車；2）工況2：恒載+汽車+人群荷載；工況3：恒載+掛車。

（四）結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。通過對建立的橋梁結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到拱橋1/4拱肋、1/2拱肋和3/4拱肋處在恒載、汽車荷載、人群荷載及掛車荷載作用下的截面內(nèi)力，主要包括特征截面的彎矩和軸力。

四、承載能力極限狀態(tài)評定

（一）承載能力檢算系數(shù)(Z1)的確定。根據(jù)前述結(jié)構(gòu)的病害現(xiàn)狀分布情況，結(jié)構(gòu)表觀缺損狀況評定標度值為3，材質(zhì)強度標度值為2，結(jié)構(gòu)固有模態(tài)標度值為1。計算可得技術(shù)狀況評定值D=2.1。得到結(jié)構(gòu)承載能力檢算系數(shù)Z1為1.09。

（二）承載能力惡化系數(shù)(ξe)的確定。承載能力惡化系數(shù)(ξe)是考慮鑒定期內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況進一步衰退惡化對結(jié)構(gòu)的不利影響，反映不利影響可能造成的結(jié)構(gòu)抗力的降低。根據(jù)現(xiàn)場檢查，分別對表中各檢測指標進行評定得到惡化狀況評定值E=2.68。環(huán)境條件為板梁干濕交替、不凍、無侵蝕介質(zhì)。分析計算得到板梁承載能力惡化系數(shù)ξe為0.0404。

（三）截面折減系數(shù)(ξc、ξs)的確定。截面折減系數(shù)(ξc、ξs)主要是考慮混凝土結(jié)構(gòu)由于風化、碳化、物理或化學損傷以及由于鋼筋腐蝕、混凝土剝落造成的鋼筋有效面積損失對有效結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面抗力效應(yīng)的影響。

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況分別對表中各檢測指標給出評定標度值，計算得到構(gòu)件截面損傷的綜合評定值R=2.9。

根據(jù)截面損傷的綜合評定值R，得出截面折減系數(shù)ξc=0.975。鋼筋的截面折減系數(shù)ξs值，拱腳和新拱腳截面混凝土未出現(xiàn)裂縫，確定其評定標度為1，鋼筋截面折減系數(shù)ξs為0.98。

（四）持久狀態(tài)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)評定計算。根據(jù)結(jié)構(gòu)檢算的結(jié)果，計入承載能力檢算系數(shù)Z1、承載能力惡化系數(shù)ξe、截面折減系數(shù)ξc、ξs后，計算得到拱肋控制截面的結(jié)構(gòu)抗力。

根據(jù)計算的基于檢測結(jié)果、計入折減系數(shù)的承載能力評定表明，截面抗力效應(yīng)大于荷載組合工況1，工況2，工況3的內(nèi)力效應(yīng)值，滿足荷載等級汽車-20級、掛車-100的要求。

五、結(jié)語

損傷狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能是保證橋梁結(jié)構(gòu)正常、安全發(fā)揮其服役能力的重要保障，為確定長期重載作用下中承式鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的承載能力，本文基于檢測獲取的橋梁病害狀況，對橋梁結(jié)構(gòu)進行了極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的承載能力評估，評定結(jié)果可用于指導(dǎo)該類橋梁結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計。

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