四川某國道舊石拱橋的檢測及承載能力評估

摘要 文章以四川某國道舊石拱橋擬提高荷載等級而進行的檢測及承載能力評估為案例，介紹了通過外觀病害檢測及技術狀況評估，確定承載能力檢算系數的分析過程，并根據現場橋梁結構尺寸恢復、砂漿強度、石料強度檢測結果，建立了有限元模型并進行結構檢算，判定橋梁承載能力是否滿足現行規(guī)范和設計要求，并提出相關的評估結論及建議，為同類橋梁改造設計工作提供必要的技術參考依據。

關鍵詞 舊石拱橋檢測；尺寸恢復；結構檢算；承載能力評估

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0129-05

0 引言

橋梁作為保證交通運輸順暢的基礎設施，在交通事業(yè)快速發(fā)展階段，橋梁工程建設與維護面臨諸多挑戰(zhàn)。特別是在老舊橋梁中，因建設年代久遠、技術標準相對較低，加上長期運營過程中受到自然環(huán)境、交通荷載等諸多因素影響，安全隱患及性能退化問題常有發(fā)生。因此，對舊石拱橋進行檢測及承載能力評估尤為重要，以便及時對潛在安全隱患進行排除，為橋梁維修加固提供科學依據，采取科學方法對橋梁危害問題進行妥善處理，保證橋梁安全運營。

1 工程概況

某國道需進行改造設計，改造后的設計標準設定為速度60 km/h，路基寬度拓寬至18.5 m，橋梁寬度與路基保持一致，橋涵汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級。位于該國道路線上的某舊石拱橋，由于建造年代久遠、設計圖紙缺失、橋梁荷載等級不詳，需對該橋進行檢查及承載能力評估，為改造設計工作提供必要的技術參考依據，橋梁立面照如圖1所示。

2 圖紙恢復

由于石拱橋修建年代久遠，圖紙缺失，現場采用全站儀及鋼卷尺結合方法對橋梁圖紙尺寸進行恢復，并通過CAD繪圖軟件繪制出該橋立面圖、橫斷面圖，通過現場測量，該橋橋跨布置為1×30 m，橋下凈空6 m，全長35 m。上部結構為空腹式圬工無鉸板拱，共設置6個腹拱圈，主拱圈厚度為80 cm，主拱圈材料為條石。橋臺采用重力式橋臺，明挖擴大基礎。橋面鋪裝層采用瀝青混凝土，橋面凈寬16 m，橋面總寬17 m。該橋伸縮縫為型鋼伸縮縫，恢復的立面圖、橫斷面圖如圖2所示[1]。

3 拱橋主要病害檢測結果分析

（1）主拱圈：第1跨主拱圈拱腹，距小樁號拱腳5 m處存在滲水現象。

（2）腹拱圈：第1跨6#腹拱，距右側邊緣260 cm處，存在1條縱向裂縫，L=1 m，b=1 mm。第1跨5#腹拱存在2條縱向裂縫，L=150 cm，bmax=4 mm。第1跨4#腹拱，拱腳灰縫松散脫落。第1跨4#腹拱存在3條縱向裂縫，Lmax=130 cm，bmax=2 mm。第1跨3#腹拱存在3條縱向裂縫，Lmax=180 cm，bmax=5 mm。第1跨2#腹拱，拱頂灰縫松散脫落。第1跨1#腹拱，距右側邊緣1 m處，存在1條縱向裂縫，L=100 cm，b=1 mm[2]。病害典型照片如圖3所示：

4 拱橋材料參數檢測

4.1 砂漿強度檢測結果

采用砂漿回彈法對構件的砂漿強度進行抽樣檢測，檢測工作按照《砌體工程現場檢測技術標準》（GB/T 50315—2011）的相關規(guī)定進行。結合現場實際條件抽取主拱圈進行了砂漿強度的檢測，檢測結果如表1所示[3]。

4.2 條石強度

橋梁石料強度檢測方法采用單軸抗壓強度法檢測巖石的抗壓強度，檢測方法、頻率，評定方法符合《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG 3431—2024）的要求。該橋在主拱圈采用鉆芯機對條石進行了取樣。[4]

橋梁上部結構主拱圈石料強度檢測結果如表2所示：

5 橋梁技術狀況評定

根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG / T H21—2011）中的相關規(guī)定，公路橋梁技術狀況評定包括橋梁構件、部件、橋面系、上部結構、下部結構和全橋評定。公路橋梁技術狀況評定應采用分層綜合評定和5類橋梁單項控制指標相結合的方法，先對各構件進行評定，然后對橋梁各部件進行評定，再對橋面系、上部結構和下部結構分別進行評定，最后進行橋梁總體技術狀況評定[5]。該橋總體技術狀況評定表如表3所示：

6 原橋承載能力評估

（1）承載能力極限狀態(tài)

依據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.2.1條的規(guī)定，圬工橋梁承載能力極限狀態(tài)，應根據橋梁檢測結果按下式進行計算評定：

式中：γo——結構的重要性系數；S——荷載效應函數；R（·）——抗力效應函數；fd——材料強度設計值；——結構的幾何尺寸；Z1——承載能力檢算系數；——截面折減系數。

（2）正常使用極限狀態(tài)

依據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.2.3條的規(guī)定，圬工橋梁正常使用極限狀態(tài)，宜按現行公路橋涵設計和養(yǎng)護規(guī)范進行計算評定。[6]

6.1 分項檢算系數確定

（1）根據檢測結果，確定分項檢算系數如表4所示。

（2）結構或構件的截面折減系數如表5所示。

6.2 參數設置

檢算考慮結構設計安全等級為一級，取=1.1。

（1）材料參數

根據取樣試驗結果及現場實際狀況，結構檢算時主拱圈、橫墻及腹拱圈砌體材料取MU50粗料石砌體，M10砂漿。結構石材容重取25 kN/m3，拱上填料綜合考慮容重取21 kN/m3，混凝土鋪裝及欄桿容重取25 kN/m3，瀝青混凝土容重取23 kN/m3。

（2）截面參數

按現場實測拱軸線建模計算。

（3）荷載參數

1）恒載。該橋承受的恒載主要包括結構自身重力、拱上填料、橋面鋪裝及欄桿的重量，建模時將拱上填料、橋面鋪裝及護欄等考慮為二期恒載作用在結構上。根據現場量測結果，橋面鋪裝厚30 cm，其中瀝青層10 cm，混凝土層20 cm。

2）活載。根據改造需求，按現行規(guī)范《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中公路-Ⅰ級荷載標準對橋梁結構進行承載能力評估。行車道寬度為16 m，計算考慮4個車道。

3）溫度荷載。根據當地氣溫情況，依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.12條考慮升降溫各20℃，依據《公路圬工橋涵設計規(guī)范》（JTG D61—2005）第5.1.8條計算拱圈的溫度變化作用效應考慮0.7的折減系數。

6.3 計算模型

采用專用橋梁結構有限元分析軟件Midas/Civil 2019進行有限元建模分析。全橋共劃分為236個單元，其中主拱圈劃分62個單元，單跨腹拱圈劃分10個單元，有限元模型如圖4所示。

6.4 主拱圈承載能力檢算

依據《公路圬工橋涵設計規(guī)范》（JTG D61—2005），基本組合作用下石拱橋主拱拱腳、四分點及拱頂截面承載能力檢算結果如表6所示。由表可知，主拱圈截面強度滿足公路-Ⅰ級荷載等級。

6.5 腹拱圈承載能力檢算

依據《公路圬工橋涵設計規(guī)范》（JTG D61—2005），

基本組合作用下石拱橋各腹拱拱腳、拱頂截面承載能力檢算結果如下表7所示。由表可知，各腹拱圈截面強度均不滿足公路-Ⅰ級荷載等級。

7 結論及建議

7.1 結論

（1）依據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011），全橋總體技術狀況為3類橋梁。（2）依據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）、《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015），石拱橋在現行規(guī)范公路-Ⅰ級活載標準作用下，橋梁結構主拱圈承載能力檢算結果滿足規(guī)范要求，腹拱圈均不滿足公路-I級荷載等級[7]。

7.2 建議

根據橋梁結構承載能力檢算結果，該橋承載能力不滿足路線改造后的荷載等級要求（腹拱圈截面）；建議根據現行規(guī)范和線路改造需求對該橋進行病害及加固處治后利用。

參考文獻

[1]《工程測量標準》（GB 50026—2020）[S].北京：中國計劃出版社.2021.

[2]《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120—2021）[S].北京：人民交通出版社.2021.

[3]《砌體工程現場檢測技術標準》（GB/T 50315—2011）[S].北京：中國計劃出版社.2012.

[4]《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG 3431—2024）[S].北京：人民交通出版社.2005.

[5]《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[S].北京：人民交通出版社.2011.

[6]《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[S].北京：人民交通出版社.2011.

[7]《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[S].北京：人民交通出版社.2004.

收稿日期：2024-04-07

作者簡介：石偉（1987—），男，本科，工程師，研究方向：橋梁檢測。