勁性骨架鋼筋混凝土拱橋承載能力檢算研究

張文

（四川省攀枝花市公路管理處，四川 攀枝花617000）

1 引言

勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋首先需要架設(shè)自重輕、強(qiáng)度和剛度均較大的鋼管骨架，然后在空鋼管內(nèi)澆筑混凝土形成鋼管混凝土， 再在鋼管混凝土骨架外掛模板澆筑外包混凝土，形成內(nèi)填外包型勁性骨架混凝土上部結(jié)構(gòu)[1]。 20 世紀(jì)90 年代，勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋在我國得到了廣泛應(yīng)用，但限于當(dāng)時(shí)理論研究相對(duì)落后、設(shè)計(jì)規(guī)范缺失等條件，運(yùn)營多年后，這些橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害。 這些都直接影響了行車的安全性、快捷性和舒適性，很難適應(yīng)當(dāng)今高速發(fā)展的交通系統(tǒng)。

如何有效地對(duì)這類橋梁進(jìn)行健康狀況評(píng)價(jià)， 確保結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全，做好承載能力評(píng)定是關(guān)鍵。 本文結(jié)合某勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋特殊檢查工程實(shí)例， 總結(jié)了該類橋型承載能力檢算經(jīng)驗(yàn)，可為同類工程提供參考。

2 工程概況

倮果金沙江大橋位于攀枝花市省道S214 線， 跨越金沙江。 橋梁全長208m，由主孔及兩側(cè)邊孔組成，其中，主孔為單跨中承式勁性骨架鋼筋混凝土箱型肋拱橋，凈跨160m。 本橋竣工于1993 年10 月，其設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽-超20 級(jí)，掛-120 級(jí)，人群3.5kN/m2，目前橋梁總重限載55t，單軸限載14t，限速20km/h。

該橋定期檢查中發(fā)現(xiàn)的上部結(jié)構(gòu)病害如下：2#排架蓋梁有幾處混凝土剝落；全橋吊桿存在多處上錨頭黃油不飽滿、鋼束輕微銹蝕，個(gè)別上錨頭黃油變質(zhì)、輕微積水，多處吊桿防護(hù)套輕微破損、表面涂層輕微剝落等病害；橋面板多處混凝土剝落；吊桿橫梁共計(jì)多處混凝土剝落、露筋銹蝕等；全橋多個(gè)支座開裂、局部脫空，3 個(gè)支座完全脫空，1 個(gè)支座串動(dòng)、脫空、位移，1 個(gè)支座橫向剪切變形+局部脫空；兩側(cè)鋼縱梁均存在不同程度的銹蝕。

3 承載能力檢算

3.1 檢算方法

本橋?yàn)橹谐惺絼判怨羌茕摻罨炷料湫卫吖皹?，JTG/T J21—2011《 公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》[2]（ 以下簡稱《 評(píng)定規(guī)程》） 中并未對(duì)該類橋梁的承載能力檢算進(jìn)行明確規(guī)定，按照《 評(píng)定規(guī)程》6.1.1 的規(guī)定：“ 在用橋梁結(jié)構(gòu)檢算遵循橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。 在規(guī)范無明確規(guī)定的情況下，在用橋梁結(jié)構(gòu)檢算也可采用為科研所證實(shí)的其他可靠方法”。 故本項(xiàng)目橋梁檢算依據(jù)GB 50923—2013《 鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[3]（ 以下簡稱《 技術(shù)規(guī)范》），同時(shí)參考CJJ/T 233—2015《 城市橋梁檢測與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》[4]（ 以下簡稱《 評(píng)估技術(shù)規(guī)范》）中關(guān)于此類橋梁的檢算方法進(jìn)行。

3.2 檢算模型建立

采用橋梁專用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil 進(jìn)行計(jì)算，考慮自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等作用，并按照實(shí)際檢測成果（ 結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度）對(duì)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算。 主拱圈勁性骨架和外包混凝土均采用梁單元模擬，外包混凝土按照扣除鋼管混凝土的箱形截面計(jì)入， 二者通過剛臂連接實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)。

3.3 檢算成果

參照《 評(píng)估技術(shù)規(guī)范》第5.4.3 條規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力評(píng)定應(yīng)符合下列規(guī)定：（ 1）承載能力極限狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力的評(píng)定應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG D64—2015《 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（ 以下簡稱《 設(shè)計(jì)規(guī)范》）的規(guī)定；（ 2）正常使用極限狀態(tài)下，按《 設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的作用組合計(jì)算的撓度值，不得超過規(guī)范表5.4.1-1 規(guī)定的限值。 經(jīng)檢算，在承載能力極限狀態(tài)下，該橋主梁縱橫梁及橋面板正截面抗彎、斜截面抗剪能力均滿足規(guī)范要求。 正常使用極限狀態(tài)下，構(gòu)件的撓度、抗裂性能均滿足規(guī)范要求。 主拱箱肋在最不利荷載組合下的軸力和彎矩包絡(luò)圖如1 圖所示。

圖1 主拱圈軸力及彎矩包絡(luò)圖

提取拱腳截面、 四分點(diǎn)截面和拱頂截面的軸力和彎矩進(jìn)行正截面偏心受壓承載力檢算。 由計(jì)算結(jié)果可知，主拱箱肋的正截面偏心受壓承載力滿足規(guī)范要求。 鋼管勁性骨架在基本組合下的最大正應(yīng)力為-175.7MPa，最大剪應(yīng)力為7.41MPa，滿足規(guī)范要求。參考《 技術(shù)規(guī)范》第6.0.4 條，鋼管混凝土拱肋的撓度計(jì)算， 按短期效應(yīng)組合并消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，在一個(gè)橋跨范圍的正負(fù)撓度絕對(duì)值之和的最大值不應(yīng)大于計(jì)算跨徑的1/1 000。 經(jīng)計(jì)算，該橋最大正撓度（ 向下）為13.4mm，最大負(fù)撓度（ 向上） 為11.4mm， 偏于安全， 將二者直接相加13.4+11.4=24.8mm＜160 000/1 000=160mm，滿足規(guī)范要求。

4 荷載試驗(yàn)結(jié)果

倮果金沙江大橋特殊檢查過程中順利完成了各試驗(yàn)工況的加載。 試驗(yàn)結(jié)論為：該橋試驗(yàn)跨各控制斷面的實(shí)測強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求， 試驗(yàn)跨能夠滿足設(shè)計(jì)荷載通行使用要求。 荷載試驗(yàn)結(jié)果同承載能力檢算成果相吻合。

5 結(jié)論

本文通過一個(gè)勁性骨架鋼筋混凝土箱型拱橋特殊檢查工程實(shí)例，經(jīng)該橋承載能力檢算，并于該橋荷載試驗(yàn)成果對(duì)比得到結(jié)論如下：

1）由于《 評(píng)定規(guī)程》中并未對(duì)勁性骨架拱橋的承載能力檢算進(jìn)行明確規(guī)定，因此，此類橋梁檢算依據(jù)《 技術(shù)規(guī)范》，同時(shí)參考《 評(píng)估技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于此類橋梁的檢算方法進(jìn)行是可行的，檢算結(jié)果是可信的；

2）勁性骨架拱橋承載能力檢算模型可按照主拱圈勁性骨架和外包混凝土均采用梁單元模擬， 外包混凝土按照扣除鋼管混凝土的箱形截面計(jì)入，二者通過剛臂連接實(shí)現(xiàn)。