某圬工拱桥的承载力评估★

张海生 曾祥林 王 奇

1 概述

据统计，在石料丰富、山高谷深的西南地区，拱桥占90%以上，其中石拱桥数量最多。某圬工拱桥为等截面悬链线空腹式石拱桥，主拱为无铰拱，跨径50.87 m，宽9 m，主拱圈厚1.2 m;主拱两端各有4个腹拱，腹拱圈厚0.35 m。该桥建成通车后，经过多年的运营，桥体结构产生了很多病害，并且随着交通运输量的不断增大，该桥的实际荷载等级要高于原设计荷载等级。因此，对该桥实际承载力的评估是有必要的。

2 评估计算

2.1 计算荷载

计算荷载采用设计荷载:城市B级，人群荷载集度3.5 kN/m2;永久荷载，包括结构材料自重25 kN/m3、二期恒载25.5 kN/m3、拱上填料22 kN/m3。根据设计规范进行一种不利荷载组合——永久荷载+汽车荷载+人群荷载，验算关键截面的承载能力。

2.2 计算模型

采用有限元分析软件建立全桥计算模型，见图1，从左到右，主拱单元依次编号为1号～108号。桥跨上游侧，从左到右，腹拱依次编号为1号～8号。1号，4号，5号，8号腹拱为三铰拱，2号、3号、6号、7号腹拱为两铰拱。8个腹拱均等分为32个单元，每个腹拱单元从左到右依次编号为1号～32号，腹拱计算模型见图2。

图1 全桥计算模型

图2 腹拱模型

2.3 计算方法

利用有限元分析软件对桥梁实际受力状态进行有效模拟并计算各种荷载组合作用下各个单元截面的内力，从而达到对桥梁承载能力进行评估的目的。对于该桥承载能力的评估，只需验算

主拱圈在城市B级荷载作用下，各单元的安全储备是否充足。

2.4 计算结果

2.4.1 主拱的计算结果

经计算得出主拱在荷载组合——永久荷载+汽车荷载+人群荷载作用下的安全储备系数介于0.72～2.78之间，大多数单元的安全储备系数介于1.01～2.78之间，少数单元在最大轴力和最大弯矩工况下出现了安全储备系数小于1的情况，详见表1，表2。

表1 最大轴力工况下主拱部分单元承载能力验算结果

表2 最大弯矩工况下主拱部分单元承载能力验算结果

表1、表2中的计算结果表明主拱的拱脚安全储备系数偏低。

2.4.2 腹拱的计算结果

由于结构对称，1号～4号腹拱与5号～8号腹拱计算结果相同，计算结果见表3。由腹拱的计算结果可知，1号～8号腹拱在荷载组合——永久荷载+汽车荷载+人群荷载作用下的安全储备系数均大于1，表明8个腹拱均具有足够的强度。

表3 腹拱评估计算结果

2.5 评估计算结论

城市B级荷载等级作用下，桥跨结构具有一定的安全储备，桥梁结构满足城市B级荷载等级要求，但主拱拱脚安全储备系数偏低。

表4 静载试验及测试内容

3 静载试验

3.1 试验及测试内容

根据评估计算结果，按照城市B级荷载等级对桥梁进行静载试验，试验及测试内容见表4，试验截面示意图见图3。

图3 试验截面示意图（单位：cm）

3.2 静载试验测试结果

3.2.1 挠度测试结果

各试验工况挠度实测值及与计算值比较见表5。

表5 挠度实测值及与计算值的比较

试验结果表明:A工况下，挠度校验系数介于0.55～0.84之间，处于合理范围内，桥跨结构具有足够的刚度;B工况下，挠度校验系数介于0.61～0.94之间，处于合理范围内，桥跨结构具有足够的刚度;C工况下，挠度校验系数介于0.40～1.71之间，超出合理范围内，桥跨结构刚度偏低。

3.2.2 应力测试结果

各试验工况应力实测值及与计算值比较见表6。

试验结果表明:A工况下，应力校验系数介于0.27～0.79之间，处于合理范围内，桥跨结构具有足够的强度;B工况下，应力校验系数介于0.55～0.79之间，处于合理范围内，桥跨结构具有足够的强度;C工况下，应力校验系数介于0.21～1.68之间，超出合理范围内，桥跨结构强度偏低。

表6 应力实测值及与计算值的比较

4 综合结论

桥跨结构承载能力满足城市B级荷载等级要求，但拱脚安全储备略偏低;拱脚最大负弯矩作用下，桥跨结构具有足够的强度和刚度储备;1/4跨附近最大正弯矩作用下，桥跨结构具有足够的强度储备，刚度储备略偏低;跨中最大正弯矩作用下，桥跨结构强度和刚度储备均偏低。

5 结语

本文基于某圬工拱桥的现场检测及试验结果，建立了有限元分析模型，并结合荷载试验结果对该桥的承载能力进行了评估。由于目前阶段对于旧桥的承载能力评估只是采用荷载试验方法对其数据进行定性分析，还不能定量研究各种影响桥梁承载力的因素。因此，既有桥梁的评估方法有待进一步的探讨。

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