某箱肋拱桥提高荷载等级前承载能力评估分析

吴维彬 蒋凌杰 吴志隆 吴育後

摘要：文章以某箱肋拱桥拟提高荷载等级利用为背景，根据桥梁外观检测、特殊检测及荷载试验结果，结合桥梁所处环境条件，确定桥梁的承载能力检算系数、恶化系数等参数，并应用承载能力检算评定和荷载试验评定的方法，评估桥梁现有承载能力是否满足原设计标准和新荷载等级标准。

关键词：箱肋拱桥;外观检测;特殊检测;荷载试验;承载能力检算;承载能力评估

0 引言

随着国民经济的飞速发展，交通量也快速增加，部分道路通行能力已无法满足实际需求，需要进行升级改造以提高荷载等级和通行能力。其中就涉及到沿线桥梁是否能继续使用、部分利用、维修加固后利用或拆除重建等实际问题。

本文以某沿海二级路拟改造升级至公路Ⅰ级为背景，评估其沿线上某座箱肋拱桥现有承载能力是否满足新标准要求，并据此提出合理化建议。本文仅对新桥部分现有承载能力进行评估，可为类似项目提供有益参考和借鉴。

1 桥梁概况

该桥为一座1×80m钢筋混凝土箱型肋拱桥，主孔矢跨比为1/8。该桥旧桥部分始建于20世纪90年代初，原桥宽仅为8.5m，后经2002-2003年拼宽改造，目前桥面布置为0.5m（防护栏）+11.25m（行车道）+2.0m（分隔带）+11.25m（行车道）+0.5m（防护栏）。该桥上部结构新、旧桥采用相同的结构形式，相同的矢跨比和起拱线标高;下部结构采用重力式桥台。旧桥设计荷载等级为：汽车-20级;新桥设计荷载等级为：汽车-超20级。主拱圈混凝土设计强度为：40号。桥梁立面图、断面图见下页图1、图2。

2 桥梁缺损状况与材质状况

新桥主拱圈缺失状况与材质状况概况如下：

（1）主要病害为：多处混凝土破损、露筋锈蚀和1道横向裂缝。横向裂缝位于R2号拱肋第5～6号基梁间中部底面，横向贯通，宽0.07mm。

（2）混凝土实测强度评定标度范围：3～5。

（3）钢筋保护层厚度评定标度范围：3～4。

（4）混凝土碳化深度、混凝土锈蚀电位评定标度均为1。

（5）桥梁跨越海湾隘口，环境具有侵蚀介质。

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）可计算确定检算系数Z1=0.96，承载能力恶化系数ξe=0.1008。

3 桥梁荷载试验

3.1 有限元分析

采用MidasCivil软件对结构进行离散分析计算，主桥共划分522个单元、490个节点。结构离散模型见图3。

3.2 控制断面及测试内容

桥梁荷载试验控制截面为拱脚A-A、C-C，1/4L跨断面D-D、E-E，拱顶截面B-B。示意图见图4。

（1）拱肋挠度测点布置于拱肋底面拱脚、1/4L、拱顶，桥面挠度测点布置于防撞墙外侧桥跨四分点位置。

（2）应变测点布置于控制断面底面和顶面，其中动应变测点布置于控制断面B、D、E底面。

（3）模态测点布置于右幅桥面中线1/4L、2/4L和3/4L处。

（4）试验测试内容为：控制断面挠度和应变、自振频率、阻尼比和冲击系数。

3.3 加载效率

本次荷载试验以汽车-20级作为控制荷载，加载效率见表1。

3.4 试验结果

荷载试验结果汇总如下：

（1）控制断面主要挠度测点挠度校验系数范围：0.46～0.64，相对残余挠度<20%;

（2）控制断面主要应变测点应变校验系数范围：0.44～0.81，相对残余应变<20%;

（3）实测冲击系数在0.091～0.273之间;

（4）自振频率及阻尼比见表2。

4 桥梁承载能力评定

检算按桥梁原设计标准和新标准进行，并计入承载能力检算系数、恶化系数、构件截面折减系数和钢筋截面折减系数。

4.1 荷载取值

承载能力检算考虑的荷载参数见表3。

4.2 承载能力检算结果

根据荷载试验结果，确定检算系数Z2=1.045。

（1）承载能力极限状态检算

原标准检算结果见表4，新标准检算结果见表5。

由表4、表5可知，拱肋在承载能力极限状态下，满足原标准要求，但不满足新标准要求。

（2）正常使用极限状态检算

在正常使用极限状态下，拱肋挠度验算结果同时满足原标准和新标准要求。

5 结语

（1）该桥虽处于腐蚀环境运营约20年，但桥梁整体状况较好，现有承载能力仍满足原设计标准，整体劣化程度较低。

（2）该桥在公路-Ⅰ级荷载等级下，承载能力极限状态检算结果不满足要求，即使采用经荷载试验结果修正的检算系数Z2，跨中断面抗力比仍仅为0.72，且拱脚抗力比仅为0.57。

（3）虽然该桥目前整体状况较好，但受限于建造时期经济水平及交通量增长预期，桥梁原设计富余不足以在不采取任何措施的情况下提高荷载等级。

（4）考虑拆除重建一座大桥需要花费大量人力、物力和财力，建议对该桥进行维修加固后再利用。

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