陶慶東，肖盛燮

(1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川 綿陽(yáng) 621000；2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

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中小跨徑空腹式拱橋腹拱病害評(píng)價(jià)方法

陶慶東1,2，肖盛燮1

(1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川 綿陽(yáng) 621000；2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

摘要：現(xiàn)有的公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)空腹式拱橋腹拱、立柱出現(xiàn)的病害進(jìn)行評(píng)價(jià)，在一定程度上提高了空腹式拱橋的總體技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)及技術(shù)狀況等級(jí)，導(dǎo)致在橋梁維修加固時(shí)忽略對(duì)腹拱病害進(jìn)行處理，達(dá)不到對(duì)橋梁進(jìn)行維修加固的目的。為得到更為合理的總體技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)及確定技術(shù)狀況等級(jí)，從自重應(yīng)力、脈沖激勵(lì)、車輛荷載等方面對(duì)比腹拱與主拱在應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，得到拱橋腹拱、立柱病害應(yīng)扣除的比較合理的分?jǐn)?shù)，并通過(guò)在實(shí)例上進(jìn)行應(yīng)用研究，得到更為準(zhǔn)確的橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)。

關(guān)鍵詞：空腹式拱橋；腹拱；檢測(cè)病害；拱圈； 建議評(píng)價(jià)

拱橋是一種外形美觀、造價(jià)低廉的橋梁形式，具有施工時(shí)不需要大型的吊裝設(shè)備、跨徑可以根據(jù)跨越的溝渠、中小河流進(jìn)行調(diào)整的特點(diǎn)。重慶于上世紀(jì)八九十年代建成了大量的中小跨徑拱橋。經(jīng)過(guò)多年使用，并隨著交通的迅猛發(fā)展，超重車的增加，這些拱橋損壞嚴(yán)重，需要對(duì)其病害進(jìn)行檢測(cè)，以制訂合理的維修加固方案。通過(guò)對(duì)重慶市大量的拱橋病害進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，中小跨徑空腹式拱橋主拱圈、腹拱、腹拱立墻等出現(xiàn)風(fēng)化、滲水、泛堿的病害較為常見，主要是由于早期拱橋未設(shè)排水系統(tǒng)及設(shè)置的排水系統(tǒng)損壞所致，這些病害在很大程度上影響了空腹式拱橋的耐久性、使用壽命及結(jié)構(gòu)受力性能等；但現(xiàn)有的JTGT H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[1]并未對(duì)空腹式拱橋腹拱、腹拱立墻出現(xiàn)的病害[2-3]進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而在一定程度上提高了空腹式拱橋的總體技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)，提高了空腹式拱橋的技術(shù)狀況等級(jí)，導(dǎo)致在橋梁維修加固時(shí)忽略對(duì)腹拱的病害進(jìn)行處理，達(dá)不到對(duì)橋梁進(jìn)行維修加固的預(yù)期目的。本文以重慶某空腹式板拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，從自重應(yīng)力、脈沖激勵(lì)、車輛荷載以及地震荷載等方面研究腹拱對(duì)空腹式拱橋的貢獻(xiàn)，并對(duì)腹拱所受的應(yīng)力與主拱進(jìn)行比較，提出腹拱在拱橋病害檢測(cè)中應(yīng)該扣除的分值，得到更為合理的空腹式拱橋的總體技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)[4]，進(jìn)而確定技術(shù)狀況等級(jí)，為空腹式拱橋維修加固提供理論指導(dǎo)。

1工程實(shí)例

1.1工程概況

土橋，位于重慶市省道S104南川區(qū)，建于1995年，是一座單跨空腹式石板拱橋。橋梁全長(zhǎng)52 m，凈跨40 m，橋?qū)?3.7 m，車行道寬11.7 m，拱圈跨徑40 m。本橋上部結(jié)構(gòu)由拱圈、拱上結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土梁板組成，拱圈和拱上側(cè)墻均由砌體(條石)漿砌而成，凈跨40 m。下部結(jié)構(gòu)由橋臺(tái)、基礎(chǔ)組成；橋墩臺(tái)由砌體(條石)漿砌而成，橋臺(tái)為重力式U形橋臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)，未設(shè)置墩臺(tái)防護(hù)設(shè)施、錐坡、翼墻及調(diào)治構(gòu)造物，圖1為土橋的南立面圖。圖2、圖3為空腹式拱橋腹拱常見病害。

圖1　土橋南立面圖

圖2　1#腹拱及1#立墻下游側(cè)滲水

圖3　1#腹拱局部灰縫脫落

筆者認(rèn)為腹拱對(duì)于整個(gè)上部結(jié)構(gòu)受力起著非常重要的作用，一旦其在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生破壞，會(huì)直接影響整個(gè)拱橋的受力特征?，F(xiàn)行JTGT H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于主拱圈局部滲水、風(fēng)化等單種病害各扣20分，對(duì)腹拱、立柱等上部結(jié)構(gòu)的滲水、風(fēng)化等不進(jìn)行扣分。如此處理，對(duì)于空腹式拱橋的橋梁總體評(píng)定不妥，因此建議對(duì)腹拱等常見病害進(jìn)行技術(shù)評(píng)定并扣分，達(dá)到在橋梁維修與加固時(shí)重視腹拱病害維修與加固的目的。主拱圈滲水、灰縫脫落病害扣分標(biāo)準(zhǔn)見表1、表2。

表1　主拱圈灰縫脫落病害扣分標(biāo)準(zhǔn)

表2　主拱圈滲水病害扣分標(biāo)準(zhǔn)

1.2模型概況

采用ABAQUS(6.11)軟件對(duì)拱橋進(jìn)行有限元模擬，材料密度取2 400 kg/m3，E為29.5 MN/m2，v為0.2，考慮自重應(yīng)力、標(biāo)準(zhǔn)軸靜載、標(biāo)準(zhǔn)軸動(dòng)載、X向(縱向)、Z向(橫向)地震作用各工況下腹拱、主拱所受的應(yīng)力及其比值，探討腹拱在拱橋病害檢測(cè)中應(yīng)該扣除的分值?？崭故焦皹蛴邢拊Ｐ腿鐖D4所示。

圖4　空腹式拱橋有限元模型

1.3分析過(guò)程荷載的施加

有限元模型的分析計(jì)算主要通過(guò)不同的工況的模擬完成，工況1：僅考慮空腹式拱橋在自重應(yīng)力作用的反應(yīng)，分析兩側(cè)腹拱及主拱的響應(yīng)；工況2：考慮車輛靜荷載、自重應(yīng)力荷載共同作用下的腹拱及主拱的響應(yīng)；工況3：考慮車輛脈沖荷載、自重應(yīng)力荷載共同作用下的腹拱及主拱的響應(yīng)；工況4：根據(jù)公路橋梁荷載規(guī)范分別考慮縱向、橫向以及縱向、橫向地震共同作用下的腹拱及主拱的響應(yīng)?？崭故焦皹蚪Y(jié)構(gòu)響應(yīng)重點(diǎn)分析斷面圖如圖5所示。

圖5　結(jié)構(gòu)響應(yīng)重點(diǎn)分析斷面圖

2各工況應(yīng)力對(duì)拱橋主拱圈及腹拱影響分析

2.1自重應(yīng)力影響分析

由于拱橋在自重作用下，拱橋兩側(cè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)相互對(duì)稱，所以按軸對(duì)稱問(wèn)題研究空腹式拱橋在自重應(yīng)力作用下的響應(yīng)和腹拱圈、主拱圈的應(yīng)力以及立柱柱底、主拱腳的應(yīng)力，如表3所示。由表3可以得出，在自重應(yīng)力作用下，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，腹拱的左拱腳斷面3、8、12與左主拱斷面1的應(yīng)力比為0.47、0.61、0.645；腹拱的左拱腳斷面4、7、11與左主拱斷面2的應(yīng)力比為0.867、0.67、1.034；由于主拱圈兩側(cè)對(duì)稱，自重應(yīng)力作用下，受力也對(duì)稱，所以腹拱的右拱腳斷面5、9、13與左主拱斷面1′的應(yīng)力比為0.375、0.387、0.553；腹拱的右拱腳斷面6、10、14與右主拱斷面2的應(yīng)力比為0.465、0.46、1.566，可以得出，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，空腹式拱橋的腹拱應(yīng)力已與主拱腳的應(yīng)力在一個(gè)量級(jí)上，不可忽略，比值在0.46～1.566之間，但考慮到主拱圈受力的整體性，腹拱的重要性不如主拱，比值在0.46～1.0，對(duì)于腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化等病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)膽?yīng)力時(shí)，腹拱的拱頂斷面1、3、5與主拱圈拱頂斷面13的應(yīng)力比為1.39、0.964、0.885；腹拱的拱頂斷面2、4、6與主拱圈拱頂斷面B的應(yīng)力比為2.469、0.655、1.306，由此可以得出，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，比值在0.885～2.469之間，由于腹拱重要性不如主拱，比值為0.885～1.0，對(duì)于腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化病害建議扣除15～20分。

表3　自重應(yīng)力下各典型部位的結(jié)果計(jì)算表

2.2標(biāo)準(zhǔn)軸靜載的影響分析

橋梁為二級(jí)干線公路，重型車輛較多，靜車輛荷載作用下，車道荷載[5]取公路-II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，集中荷載取PK=270 kN，均布荷載取qK=7.875 kN/m，車輛荷載按標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)選取，取為550 kN。靜車輛荷載作用下空腹式拱橋各典型部位的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　靜車載作用下各典型部位的結(jié)果計(jì)算表

由表4可以得出，在靜車載作用下，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，腹拱的左拱腳斷面3、8、12與左主拱斷面1的應(yīng)力比為0.444、0.177、0.29；腹拱的左拱腳斷面4、7、11與左主拱斷面2的應(yīng)力比為0.791、0.595、0.974；由于主拱圈兩側(cè)對(duì)稱，靜車載作用下，受力也對(duì)稱，所以腹拱的右拱腳斷面5、9、13與左主拱斷面1′的應(yīng)力比為0.385、0.389、0.546；腹拱的右拱腳斷面6、10、14與右主拱斷面2的應(yīng)力比為0.515、0.418、1.458，可以得出，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，空腹式拱橋腹拱應(yīng)力與主拱腳比值為0.44～1.458。考慮到主拱圈受力的整體性，腹拱的重要性不如主拱，比值在0.44～1.0，對(duì)于腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化等病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)膽?yīng)力時(shí)，腹拱的拱頂斷面1、3、5與主拱圈拱頂斷面A的應(yīng)力比為2.05、0.555、0.689；腹拱的拱頂斷面2、4、6與主拱圈拱頂斷面B的應(yīng)力比為1.26、0.875、0.96，由此可以得出，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，比值在0.689～2.05，考慮到腹拱的重要性不如主拱，比值取0.689～1.0。對(duì)于腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化等病害建議扣除15～20分。

2.3標(biāo)準(zhǔn)軸動(dòng)載-脈沖激勵(lì)反應(yīng)分析

脈沖激勵(lì)荷載作用下各典型部位的結(jié)果如表5所示。

半周正弦脈沖力[6]是介于三角形與矩形波荷載之間的一種脈沖反應(yīng)分析方法，其更符合實(shí)際工程應(yīng)用，其控制方程為

根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[5]，橋梁設(shè)計(jì)采用公路-II級(jí)車道荷載，考慮車輛荷載拱橋結(jié)構(gòu)的半周正弦脈沖力作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，取半周正弦脈沖力等于車輛荷載，即p0=305.6 kPa，td=0.2 s，半周正弦脈沖力曲線如圖6所示。

圖6　脈沖荷載曲線圖

主拱圈腹拱拱圈斷面位置應(yīng)力/MPa斷面位置應(yīng)力/MPa斷面位置應(yīng)力/MPa拱腳12.0421.181'2.242'1.18拱腳3/40.897/0.5393'/4'0.92/0.5988/70.967/0.6838'/7'1.055/0.65512/110.929/0.72612'/11'1.058/0.797總和2.793/1.948總和2.376/2.05拱頂A0.54B0.43拱頂1/71.05/1.112/80.96/0.8573/90.64/0.5994/100.52/0.5315/110.86/0.7756/120.589/0.582總和2.55/2.48總和2.069/1.97

由表5可以得出，在脈沖激勵(lì)荷載作用下，僅考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，腹拱的左拱腳斷面3、8、12與左主拱斷面1的應(yīng)力比為0.439、0.474、0.455；腹拱的左拱腳斷面4、7、11與左主拱斷面2的應(yīng)力比為0.457、0.579、0.615；腹拱的右拱腳斷面3′、8′、12′與右主拱斷面1′的應(yīng)力比為0.411、0.471、0.472；腹拱的右拱腳斷面4′、7′、11′與右主拱斷面2′的應(yīng)力比為0.507、0.555、0.675?？梢缘贸觯簝H考慮拱腳的應(yīng)力時(shí)，空腹式拱橋的腹拱應(yīng)力與主拱腳的應(yīng)力比值為0.411～0.675，對(duì)于腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化等病害建議扣除10～15分；僅考慮拱頂?shù)膽?yīng)力時(shí)，腹拱的拱頂斷面7、9、11與主拱圈拱頂斷面A的應(yīng)力比為2.06、1.11、1.44；腹拱的拱頂斷面8、10、12與主拱圈拱頂斷面B的應(yīng)力比為1.99、1.235、1.35；腹拱的拱頂斷面1、3、5與主拱圈拱頂斷面A的應(yīng)力比為1.94、1.185、1.59；腹拱的拱頂斷面2、4、6與主拱圈拱頂斷面B的應(yīng)力比為2.23、1.209、1.37由此可以得出，僅考慮拱頂?shù)膽?yīng)力時(shí)，空腹式拱橋的腹拱應(yīng)力與主拱腳的應(yīng)力比值為1.11～1.99，考慮到主拱圈受力的整體性，腹拱的重要性不如主拱，比值取1.0；因此，對(duì)于腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化等病害建議扣除20分。

2.4腹拱滲水、風(fēng)化病害扣分判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上各工況的計(jì)算結(jié)果，建議對(duì)空腹式拱橋腹拱滲水、風(fēng)化病害進(jìn)行扣分，具體的建議扣分標(biāo)準(zhǔn)[7]見表6。

表6　腹拱滲水、風(fēng)化病害扣分判別表　分

2.5算例

2013年土橋的下部結(jié)構(gòu)、橋面系的技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)為88.39、62.4分；未考慮腹拱病害扣除的分?jǐn)?shù)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況評(píng)定分?jǐn)?shù)為75.58分，其中主拱圈分?jǐn)?shù)為68.69分，腹拱、立柱等拱上結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)100分，占上部結(jié)構(gòu)比重分別為78%、22%，根據(jù)文獻(xiàn)[2]橋梁總體的技術(shù)狀況評(píng)分為78.07分；考慮腹拱病害扣除的分?jǐn)?shù)時(shí)，考慮腹拱出現(xiàn)滲水、風(fēng)化2項(xiàng)病害，并參照主拱圈病害類型總標(biāo)度，得到腹拱、立柱等拱上結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為68.69分，匯總而得到，橋梁總體的技術(shù)狀況評(píng)分為75.31分。橋梁技術(shù)狀況等級(jí)仍為3類，但對(duì)于某些情況下橋梁可能會(huì)因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)的較小差別而出現(xiàn)不同的技術(shù)狀況等級(jí)；因此探討空腹式法拱橋腹拱的精確扣分標(biāo)準(zhǔn)仍然很關(guān)鍵。

3結(jié)論及建議

通過(guò)研究空腹式拱橋在自重應(yīng)力、標(biāo)準(zhǔn)軸靜載、標(biāo)準(zhǔn)軸動(dòng)載、地震作用各工況下腹拱、主拱所受的應(yīng)力及其比值，探討得出空腹式拱橋腹拱出現(xiàn)的滲水、風(fēng)化等病害應(yīng)扣除一定的分值，否則會(huì)造成對(duì)拱橋的病害評(píng)估不足，影響空腹式拱橋維修加固質(zhì)量，使空腹式拱橋維修加固后達(dá)不到預(yù)期的使用效果，得到的結(jié)論如下：

1)對(duì)于自重應(yīng)力狀態(tài)下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除15～20分，總體評(píng)價(jià)時(shí)采用扣分上限，扣除15～20分。

2)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軸靜載應(yīng)力狀態(tài)下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除15～20分，總體評(píng)價(jià)時(shí)采用扣分上限，扣除15～20。

3)對(duì)于脈沖荷載應(yīng)力狀態(tài)下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～15分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除20分，總體評(píng)價(jià)時(shí)采用扣分上限，扣除20分。

4)對(duì)于橫向地震作用下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～20分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除20分，總體評(píng)價(jià)時(shí)采用扣分上限，扣除15～20分；對(duì)于縱向地震作用下，僅考慮拱腳典型部位，腹拱病害建議扣除10～15分；僅考慮拱頂?shù)湫筒课?，腹拱病害建議扣除15～20分，總體評(píng)價(jià)時(shí)采用扣分上限，扣除15～20分。

5)根據(jù)各工況時(shí)，拱腳、拱頂以及同時(shí)考慮拱腳、拱頂狀況下，腹拱、主拱的應(yīng)力、位移及其比值，總體建議，空腹式拱橋腹拱滲水、風(fēng)化病害應(yīng)扣分20分。

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(編校：葉超)

Evaluation Method of Abdomen Arch Disease for Arch Bridge with Medium-Small Span Hollow Type

TAO Qingdong1,2，XIAO Shengxie1

(1.MianyangVocationalandTechnicalCollegeDepartmentofArchitecturalEngineering,Mianyang621000China；2.SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongiqingUniversityofCommunication,Chongqing400074China)

Abstract:The existing《Standards for Technical condition Evalution of Highway Bridges》don't evaluate the hollow type arch bridge abdomen arch, pillar’s diseases. It enhances the hollow type arch bridge evaluation scores of overall technology condition and the status of the technology level. This results in the maintenance of a bridge ignoring to the disease of abdomen arch, which can not meet the expectations of bridge maintenance. To get a more reasonable overall level of technical evaluation scores and determine the technical conditions, calculation stresses were contrasted between the main arch and abdomen arch from the gravity, pulse excitation, vehicle load and earthquake load and we obtained the reasonable scores deducted for defects of the main arch and abdomen arch. Through study and applications, the more accurate evaluation scores of bridge overall technical condition would be found and this would provide theoretical guidance for hollow type arch bridge maintenance.

Keywords:hollow type arch bridge; abdomen arch; detection disease;arch ring;suggest evaluation

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.02.020

中圖分類號(hào)：U448.25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-159X(2016)02-00104-6

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50879097)；四川省教育廳項(xiàng)目(15ZB0409)。

收稿日期：2014-11-01

第一作者：陶慶東 (1987—) ，男，助教，博士研究生，主要研究方向?yàn)榈缆放c橋梁減災(zāi)等。

·建筑與土木工程·