圬工拱桥承载能力评估方法研究_魏召兰.pdf

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1、四川建筑科学研究Sichuan Building Science第 37 卷第 3 期2011 年 6 月收稿日期:2010-01-08作者简介:魏召兰(1986 )，女，山东邹城人，博士研究生，主要从事高速铁路大型桥梁结构健康评估研究。基金项目:铁道部科技研究开发计划重大课题(2008G032-10)E mail:weifei0722163 com圬工拱桥承载能力评估方法研究魏召兰，蒲黔辉，高玉峰(西南交通大学土木工程学院，四川 成都610031)摘要:针对目前既有诸多圬工拱桥出现承载能力不足及病害等问题，总结了圬工拱桥承载能力的计算理论和评估方法，提出了外观检测、荷载试验，并根据有限元计算

2、结果，结合相关评估规范等多种评定方法相结合的综合分析评定方法。以某大跨圬工拱桥为例，应用综合分析评定方法评定该桥现有状况，与实际情况较为吻合，表明该方法具有较好的工程实用使用价值和理论意义。关键词:圬工拱桥;承载能力;评估方法中图分类号:U448.14文献标识码:A文章编号:1008 1933(2011)03 068 04Research on the bearing capacity of masonry arch bridge evaluationmethodWEI Zhaolan，PU Qianhui，GAO Yufeng(School of Civil Engineering，Sout

3、hwest Jiaotong University，Chengdu610031，China)Abstract:Aiming at the present situation in existing masonry arch bridges such as the deficiency of bearing capacity，diseases and soon，calculation theories and evaluation methods about the bearing capacity of masonry arch bridge were summarized in this p

4、aperSimultaneously the comprehensive evaluation method which contains the appearance inspection，loading test，the calculation based onfinite element analysis and relative assessment specification was proposed On the basis of one large-span masonry arch bridge，thecurrent situation of the bridge was an

5、alyzed and evaluated by comprehensive evaluation method，which was consistent with the factsEngineering example shows that this method has good engineering practicability and theoretical significanceKey words:masonry arch bridges;bearing capacity;evaluation method0引言圬工拱桥，特别是石拱桥，在我国有着悠久的历史，它外型美观，构造比较简

6、单，施工工艺易为群众掌握，我国在盛产石料的地区修建了大量的圬工拱桥。在桥梁运营期，由于频繁承载，甚至超载，再加上自然环境的侵蚀，造成桥梁的损伤和局部破坏。为保证桥梁结构的使用安全，充分发挥桥梁的作用，挖掘其承载潜力，对其现状及其最重要的指标 承载能力作出准确可靠的分析和评定是非常必要的。1承载力评估的方法影响圬工拱桥的承载能力的因素是很多的，对于圬工拱桥承载力的判定，国内公路部门尚无统一的方法。圬工拱桥承载力的评估通常采用承载能力系数法、经验系数法、基于外观调查的方法、基于相关评估规范的方法、荷载试验法、基于结构可靠性理论的方法、承载能力的计算机有限元模拟等几种方法。在实际桥梁结构的评定中，也

7、常将几种方法结合使用，如将外观检测、荷载试验并根据有限元计算结果，结合相关评估规范等多种评定方法相结合，综合分析评定桥跨结构的性能。11承载能力系数法桥梁承载能力系数是指在给定荷载条件下，桥梁截面的真实强度与荷载效应的比值。对一座桥梁进行评估时，每个关键截面的每一种失效模式均需进行相应的承载能力系数计算，其最小值便代表了该桥梁承受规定荷载的能力。各国对于承载能力系数的规定大同小异，基本上都是截面抗力和荷载效应的函数。12经验系数法这是依据广泛调查研究，确定若干影响承载能力的系数及其取值范围，对桥梁承载能力进行评估的方法。例如，被评估桥梁的承载能力可表示为1 86P=P0K1K2K3K4(1)式

8、中P0为原设计承载能力;K1为残存承载能力系数;K2为反映桥面条件的系数;K3为反映实际交通情况的系数;K4为桥梁建造使用年限系数。此法的特点是应用简便，各系数由评估者根据现场情况决定。但由于系数的确定较困难(尤其是K1)，其适用性有所限制，计算结果较为粗糙。13基于外观调查的方法通过有经验的桥梁工程技术人员对既有桥梁进行全面检测，根据用文字描述的定性和定量检测结果对桥梁质量进行分类、评分。此类评定技术主要依据的仍是大量的定性信息和检测工程师的经验，不同评定者有可能得出不同的结论甚至截然相反。这类方法局限性在于:1)隐蔽结构很难甚至无法进行检查;2)评定结果往往与检查人员的经验和知识密切相关;

9、3)从结构局部位置得到的结果并不能反映全部结构性能;4)必须设置较多的测量点以便获取全部结构性能;5)该类评定方法费时费力，代价高昂。14基于相关评估规范的方法桥梁设计规范是指导桥梁设计的标准。这一标准基于工程力学、结构试验和工程经验，且不断充实和完善。因此，利用桥规的计算理论来分析既有桥梁承载能力的方法，具有坚实的理论基础并得到广泛应用2。国内针对桥梁承载力评定的规范主要有:公路旧桥承载力鉴定方法(试行)(1988)3，公路桥梁承载力检测评定规程(征求意见稿)(2003)4。它们是依照 JTJ022 85公路砖石及混凝土桥涵设计规范5 和 JTJ023 85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设

10、计规范6 的有关结构抗力效应不小于结构荷载组合效应的极限状态方程式，引入旧桥验算系数 Z1，Z2来反映旧桥损伤情况。其中的 Z1是通过现场调查，根据实际结构的损伤情况(如开裂、混凝土劣化等)，由鉴定专家据经验给出的调整系数;Z2是通过荷载试验，由试验时主要挠度测点的校验系数 来确定的旧桥承载能力验算系数。从现有的国内外桥梁评定、评估规范可见，桥梁的规范评定大多基于设计规范及人工评定，但用这种方法进行评定的结果大多偏于保守，难以反映结构性能退化后的实际受力行为;在桥梁评定中存在客观性差、标准性较差等问题，使得评定有诸多不尽合理之处，且效率相对较低。15荷载试验法荷载试验方法是对桥梁进行了外观调查

11、和粗略评定后，施加试验性荷载，同时测量结构控制截面的位移、裂缝、应变(应力)和约束力等结构力学性能参数，从而对桥梁结构进行评定的方法，是目前桥梁结构评价中使用最多的一种方法。它是在桥梁结构鉴定中应用历史最长的方法。主要优点是直观，又可靠，故多用于结构研究和桥梁质量的评定。在旧桥的评定中，它又多用于桥梁实际工作状态不明确情况下的评定和研究工作，以弥补根据外观调查评定和以分析计算为主的评定方法的不足。目前，一座旧桥的完整荷载试验包括静载试验和动载试验。现行规范规定的桥梁正常使用状态以及承载能力极限状态对应为基于概率与数理统计的方法，而荷载试验对应为弹性受力状态下的确定量分析，更接近于容许应力法的概

12、念。尽管两者可以建立对应关系，但通过荷载试验来评定结构的性能仍然存在理论上的缺陷。其次由于试验费用大，试验时可能引起结构严重损伤，而且影响正常交通，易受现场条件干扰，并限于试验仪器、设备、加载误差等可能使得试验数据存在一定的误差或实测数据离散，也会导致试验评定结果的偏差;且通常仅能对桥梁在试验时作出评判，难以推测桥梁承载能力及使用性能随时间的发展情况，即难以对桥梁的耐久性作出评定。尽管荷载试验在桥梁评估中时有采用，但荷载试验并不能替代常规评估方法，而只能视为获取信息的手段和分析方法的补充。16基于结构可靠性理论的方法结构可靠性理论采用失效概率 PF或可靠指标 来衡量结构的安全水平。这一理论已在

13、结构工程的各个领域得到广泛应用。在修订桥规方面，该理论被用于结构可靠度分析和分项安全系数的选择。由于以概率统计为基础，该理论可以处理荷载和抗力的不定性，尤其是可以处理这些不定性的变化对结构可靠度的影响。因此，它可为桥梁评估提供一个合理的理论框架。应用此理论于桥梁承载能力评估，有两种方式:一种是直接评估 (或 PF)，并与预先拟定的目标可靠指标 T相比较;另一种是评估既有桥梁的可靠度，并制订评估规范中的分项安全系数。直接评估过程主要应用于重要复杂结构的可靠度分析。其面临的主要困难是难以确定结构的系统失效模式和反映损伤程度的抗力模型;另外，需要结合理论研究和工程实践合理选择 T。对常规桥梁评估而言

14、，直接评估过程并不适用。因此，仍需要制订基于桥规的或在形式上类同于桥规的评估规范，962011 No.3魏召兰，等:圬工拱桥承载能力评估方法研究以便更广泛地指导桥梁评估，取得良好的社会和经济效益。17承载能力的计算机有限元模拟以有限元数值分析方法建立详细的桥梁结构的全桥或局部空间实体或板壳单元等的有限元模型，并根据实测损伤结果对桥梁结构的受力作详细的分析，用以评定结构的承载能力。目前，这方面的研究多集中于中小桥梁，该方法还有许多问题需要解决:1)有限元采用的本构关系能否真实反映实际结构的应力应变关系。2)怎样用有限元模拟实际结构中材料的离散性、损伤的程度与位置。3)如果按照荷载横向分布特性对实

15、桥简化，如何考虑简化前构件的相互作用以及在结构受力后期表现出的内力重分布等。4)对于复杂结构，如何确定与结构极限承载能力密切相关的破坏模式。2工程实例分析21工程简介四川广元市某大跨圬工拱桥位于朝天镇北端跨越潜溪河。该桥为块石双肋拱桥，全长 123.65 m，共 4 孔，孔径布置为 10+85+2 10 m。主桥主跨为空腹式悬链线块石肋拱，净跨 85 m，每肋宽 2 m，两肋中距 5 m，净距3 m，两肋拱之间设置 14 根钢筋混凝土横系梁。设计荷载汽 20，挂 100。为了判定桥梁目前的实际状况，对该桥进行了详细的检测及荷载试验，并根据有限元计算结果，依据相关评估规范分析该桥桥跨结构的承载力

16、。结合检测、试验、计算分析及相关规范，综合评定该桥的当前性能。22结构性能评定221检测结果 7在主桥结构材料的强度检测中，石料强度采用钻芯取样测试。主拱圈砌石的平均强度为 57.5MPa，满足设计规范的强度要求。主拱圈上下游侧拱肋均存在砌缝不密实、砌缝渗水钙化、石料风化等现象，分析原因可能与主拱圈砌筑时施工工艺有关。主拱圈实测拱轴线与理论设计拱轴线相符较好。各腹拱的砌缝宽窄不整齐，砌缝宽度在 1 6cm 之间，但砌缝内填充砂浆较为密实;各腹拱存在不同程度的渗水钙化现象，且多集中于拱脚区段。腹拱圈的轴线与设计线形相差较大。横墙、系梁总体情况良好，病害较少，工作情况良好。桥面板存在多处开裂，裂缝

17、宽度介于 0.3 7.0 mm 之间;且部分区段存在混凝土破损、露筋现象;桥面施工缝有沉降及破损现象。人行道板均存在松动情况。两侧栏杆均存在开裂、底部混凝土破损等现象。222荷载试验结果及分析根据计算结果，主要针对主桥的拱脚、L/4、拱顶截面做等效加载试验。加载位置主要根据设计控制荷载在主拱圈控制截面上产生的最不利弯矩效应值的确定，按 0.80 1.05 的效率系数等效换算而得。经实地考察，本桥拱脚被掩埋，为贴片方便，选择距第一道横墙2 m 位置替代。静载测试截面及测点布置见图 1 2，图中圆圈加箭头表示挠度测点。加载过程中采用分级加载，以保证结构的安全。图 1桥跨测试截面布置(单位:cm)F

18、ig 1Layout of the test section of the bridge(unit:cm)图 2测试截面测点布置(单位:cm)Fig 2Layout of the measuring points in test section(unit:cm)1)挠度测试结果在试验荷载作用下，各工况下测试截面处的挠度回零情况良好，说明桥跨结构处于弹性工作状态。试验荷载下，拱圈挠度实测值及其与计算值的比较，见表 1(挠度向下为正，向上为负)。表中的校验系数即为实测值与计算值的比值，也是结构承载力评定的重要指标之一。表 1各工况下拱圈挠度实测值与计算值的比较Table 1Comparison b

19、etween measured deflection valueand calculated deflection value of arch ring加载工况测试位置实测值/mm计算值/mm校验系数L/420515720 13A/BL/20805170 153L/4/987/L/4090228039CL/238023580 163L/4/770/07四川建筑科学研究第 37 卷挠度测试结果表明，实测挠度均小于理论计算值，挠度校验系数介于 0.13 0.39 之间，校验系数总体偏小，分析其原因可能是由于拱上建筑与拱圈共同作用，计算理论或简化的计算图式偏于安全等;且非加载位置处的校验系数相对于加

20、载位置附近的较大，主要是拱圈上的填料对加载车辆轮压的扩散作用。2)应力测试结果试验荷载下拱圈应力实测值及其与计算值的比较，见表 2(应力受压为正，受拉为负)。表 2各工况控制截面应力实测值与计算值比较Table 2Comparison between measured stress value andcalculated stress value of test section加载工况测点位置实测值/MPa 计算值/MPa 校验系数A顶缘0191 010 18底缘0 421 470 28B顶缘0 421 170 36底缘0501 000 50C底缘0671 460 45应力测试结果表明，应力结

21、构校验系数介于0.18 0.50 之间，校验系数总体偏小，分析其原因可能是由于拱上的填料对加载车辆轮压的扩散作用，从而使得测试截面处的应力减小。223有限元计算结果及相关评估规范分析以实测的拱轴线及材料参数，采用专用平面程序计算，为准确判断该桥的承载能力现状，在计算时考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用。拱上填料及桥面系按线性荷载施加。按照相应设计规范，计入冲击效应、温度效应。承载能力验算荷载组合及砌体截面强度的验算可按相应规范5，8 的规定计算。具体验算结果见表 3。表 3主拱圈控制截面承载能力验算结果Table 3Bearing capacity checking results of main

22、 archring control sections截面位置轴力Nj/kN弯矩Mj/(kNm)抗力R/kN强度系数026570331735724134L/420810217536466175L/2289506189315691093L/420850208236622176L26350262836626139验算结果表明，主拱圈各控制截面基本满足承载能力的要求，但安全储备略低，与外观检测及荷载试验结果相吻合。224综合评定结论综合以上检测、试验及计算分析认为:该桥主拱结构具有一定的强度和刚度，基本能满足设计荷载汽 20，挂 100 的使用要求，但安全储备偏低。桥跨结构存在一定的损伤缺陷，成为影响

23、桥梁正常使用和长期耐久性的安全隐患:各拱圈、桥墩台砌缝不密实，渗水钙化现象严重;桥面存在多处开裂、破损、沉降现象;人行道板松动。若欲长期使用，必须对该桥进行加固处治。3结语1)本文对目前桥梁承载能力的理论和实践评估方法进行了详细的总结。国内外既有桥梁的评定方法很多，一些方法还在研究和探索阶段。各种评估方法都有其优缺点，在不同的工程中，要综合考虑和应用。鉴于现行规范没有针对圬工拱桥承载能力详细的评估和鉴定计算方法，将外观检测、荷载试验以及计算分析评定相结合，综合分析评定桥跨结构的性能，可有效提高圬工拱桥状况评价的准确性和可信程度，具有较好的工程实用性，也为桥梁养护、决策提供科学依据。2)对圬工拱

24、桥采用有限元方法进行承载能力评定时，宜建立较为接近实际的计算模型。计算模型应考虑桥梁施工工艺、边界条件、病害及结构缺损造成的受力变化、拱上建筑与主拱圈的联合作用、填料扩散作用的模拟等，从而对模型进行合理的修正。参 考 文 献:1李亚东 既有桥梁评估方法研究J 铁道学报，1997，19(3):109-115 2李亚东 基于设计规范的桥梁承载能力评定J 桥梁建设，1996(2):18-22 3交通部 公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)S 北京:人民交通出版社，1988 4交通部 公路桥梁承载力检测评定规程(征求意见稿)S 北京:人民交通出版社，2003 5JTJ022 85 公路砖石及混凝土桥涵设计规范 S 6JTJ 023 85 公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范 S 7朝天区铁厂河大桥检测评定报告R 成都:西南交通大学结构工程试验中心，2009 8JTJ 021 85 公路桥涵设计通用规范S172011 No.3魏召兰，等:圬工拱桥承载能力评估方法研究