钢筋混凝土刚架拱桥承载能力检算方法

郭岩昕

（健研检测集团有限公司，福建 厦门 365004）

0 引言

钢筋混凝土刚架拱桥作为我国在改革开放初期，特殊国情下出现的一种新型拱桥，具有自重轻、材料省、整体性能好、外观美观、装配化程度高等优点，它是在双曲拱桥、桁架拱桥和斜腿刚架拱桥的基础上发展起来的，结构受力较复杂，属于高次超静定结构。由于社会经济的发展，交通量增长过快，在重型汽车反复作用下，桥梁主体结构出现裂缝，承载能力降低，大大影响了该种桥型的使用寿命[1-3]。基于以上原因，为了解该类桥梁的剩余承载能力和使用寿命，确保桥梁的安全运营，减轻桥梁检测支出，减少财政负担，通常对该类桥梁进行承载能力检算。

1 工程背景

2 检算原则

根据桥梁实际情况，只进行桥梁单跨关键截面的检算。检算时以实际调查的结构各部尺寸及材料强度为依据，有严重质量问题的构件，根据检查资料进行强度折减。由于所检查桥梁的下部结构均质量状况良好，未发现不均匀沉降、滑移或倾斜等病害的存在，因此本次检算不对地基承载能力进行检算。计算永久荷载时考虑桥梁实际恒载重量。

主要计算参数：

（1）恒载：恒载为结构自重和二期铺装荷载；

（2）活载：汽车荷载：汽-15 级，挂-80；人群荷载：3kN/m2；

（3）温度荷载：温度作用按《公路桥涵设计通用规范》规定取值；

（4）混凝土的收缩徐变：根据《评定规程》规定，计算模型中混凝土收缩徐变按温度下降10℃考虑[4]；

（5）上部结构材料特性：混凝土：拱圈采用30 号混凝土，换算强度C28；钢筋：受力主筋为Ⅱ级钢筋，构造钢筋为Ⅰ级钢筋。

3 检算及折减系数的确定[4]

3.1 承载能力检算系数()

根据桥梁前期检测的表观缺损状况、材质强度和桥梁结构的自振频率的检测评定结果，结合相应的承载能力检算系数，检测指标各权重值，计算得到承载能力检算系数评定标度，并结合结构或构件受力特点最终确定承载能力检算系数该桥结构的承载能力检算系数评定标度=2.2，得到检算系数Z1=1.08。

3.2 承载能力恶化系数()

承载能力恶化系数（ξe）主要是考虑了桥梁在评定期内质量状况进一步衰退减弱产生的不利影响，通过这一系数来反映对结构抗力效应可能造成的降低。其主要考虑了结构或构件的缺损状况、钢筋锈蚀电位、混凝土电阻率、混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度、混凝土中氯离子含量和混凝土强度推定值等影响因素，通过前期外观检测和结构检测确定各因素的影响权重，并综合考虑环境条件加以确定。

3.3 截面折减系数()

在检算结构抗力效应时，由于材料风化、碳化、物理与化学损伤等会引起结构或构件有效截面损失或缺失，造成结构构件截面抗力效应降低，引入截面折减系数来考虑这一不利影响。

该刚架拱桥根据材料风化、碳化、物理与化学损伤的评定标度并结合各相应权重值得到的截面损伤的综合评定标度，得出截面折减系数=0.99；桥梁出现裂缝，裂缝宽度小于规范限值，截面钢筋折减系数=0.99。

4 荷载组合效应

4.1 有限元模型

根据设计文件，采用Midas civi1 有限元软件建立整体计算模型，得到桥体的控制设计内力，根据控制内力进行桥体承载能力计算，计算模型见图1。结合本桥的结构特点及截面形式，选取拱顶截面（A-A）、实腹段与拱腿交接处（B-B）和拱脚截面（C-C）进行承载能力检算，检算控制截面见图2。

图1 果喜大桥有限元模型

图2 检算控制截面

4.2 荷载效应组合

根据设计文件，通过有限元模型计算、分析可得到拱肋的设计荷载作用效应，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）进行承载能力极限状态荷载效应组合）[5]。组合设计值见表1。

表1 承载能力极限状态下荷载效应组合

5 极限状态下承载能力检算

由《评定规程》（JTG/T J21-2011），配筋混凝土桥梁承载能力极限状态，应依据桥梁检测结果按下式进行评定[4]：

拱桥在荷载作用下，拱肋主要承受轴力、弯矩及剪力，即为偏心受压构件。

经计算，各截面在部分荷载组合工况下为大偏心受压构件，在部分荷载组合工况下为小偏心受压构件，具体结果见表2。

表2 主拱肋主要截面强度验算结果

6 正常使用极限状态下承载能力检算

7 结束语

经过检算，该刚架拱桥控制截面的抗力在考虑检算系数和折减系数后，承载能力满足汽-15 的荷载要求，但在部分荷载组合工况下，承载能力富余量基本为0。为进一步评估桥梁结构现有承载能力，建议对该桥进行荷载试验，并根据试验结果委托有相关资质的单位进行维修加固；在加固之前，应该采取限载措施。本文通过对某一钢筋混凝土刚架拱桥的承载能力评定检算进行了相关的探讨，希望能够予以相关工程一定的帮助。