山区高速主线下穿分离式拱桥检测及评估分析.pdf

广东建材2023年第8期0 引言四川某山区高速采用路堑开挖而成，建成后高边坡最高处约46m，长220m，边坡为WE走向，斜向破。边坡最多开挖级数为5级，1到3级开挖坡比为1:0.75，4、5级开挖坡比为1:1。岩层为紫灰色灰色砂岩和粉砂质泥岩，岩层产状近水平，产状为340355 08，强-中风化，中风化位于12级。局部层面较发育，裂隙不发育，层间结合一般，坡顶覆盖层坡残积层厚 13m。高速公路建成后，为了方便高速公路两侧的村民的生活和出行，而修建了主线下穿分离式拱桥。施工工艺为2级边坡开挖完成后，采用满堂支架法对桥梁进行施工，施工后拆除施工架再进行1级边坡开挖施工。1 桥梁概况主线下穿分离式拱桥，桥跨结构为 110m+150m+110m的混凝土板拱桥，桥梁全长 80.82m。该桥主桥桥型为净跨径50m，矢跨比为1/5的等截面悬链线钢筋混凝土板拱，拱圈为3.0m1.2m的C40钢筋混凝土矩形实心截面，拱轴系数m=1.756。拱上结构采用9孔钢筋混凝土纵置行车道板配拱上横墙结构；引桥采用10m钢筋混凝土行车道板。下部结构桥台为重力式桥台，扩大基础；桥墩为扩大基础，嵌入边坡弱风化岩体内；桥面单向纵坡-1%，拱上盖梁平坡，桥面横坡2%用桥面铺装调整。设计荷载：公路-级。2 拱桥主要病害检测结果分析主线下穿分离式拱桥桥位于四川某高速高边坡上，拱座位于一级边坡上方，桥面位于二级边坡上方，该桥主要病害为主拱圈两岸拱脚附近拱腹受拉开裂，主拱圈1/43/4处拱背受拉开裂，横墙下部向主跨跨中位移，主拱圈拱脚向主跨跨中位移，拱顶向上位移，拱上结构墩柱偏位，桥面在拱顶处也向上位移，纵坡由单向变化为双向。主要检测结果统计如下：主跨主拱圈1#墩处拱脚（左拱脚）向拱顶方向0m至8.0m范围内拱腹横向裂缝，共40条，且延伸至拱圈两侧面1592cm范围，单条裂缝最大长度Lmax=4800cm，宽度bmax=0.8mm；主跨主拱圈2#墩处拱脚（右拱脚）向拱顶方向0m至9.0m范围内拱腹横向裂缝，共37条，且部分裂缝延伸至拱圈两侧面12107cm范围，单条裂缝最大长度Lmax=500cm，宽度bmax=2.8mm；主跨主拱圈拱背1/43/4范围横向裂缝，且裂山区高速主线下穿分离式拱桥检测及评估分析何小林（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司）【摘要】主线下穿分离式拱桥位于四川某山区高速公路路堑开挖而成的高边坡上，本桥在通车营运过程中发现主拱圈出现了不同程度的裂缝，为确保桥梁的安全运营，遂对桥梁进行检测及承载能力评估。结合检测结果、设计、施工资料建立有限元模型进行结构检算，对拱桥裂缝、变形等病害的成因进行分析，判定桥梁承载能力是否满足规范和设计要求。研究成果为今后同类型桥梁的检测及评估积累提供科学资料和参考。【关键词】山区高速；拱桥；检测；结构检算；承载能力；评估图1 主线下穿分离式跨线桥立面照质量控制与检测-63广东建材2023年第8期缝延至两侧侧面 2085cm，单条裂缝最大长度Lmax=440cm，宽度bmax=0.6mm。拱顶上方桥面板支座共8个支座与垫石1/4面积悬空。现场抽取拱上结构5个高墩进行了竖直度测试，竖直度均超过了规范允许值，最大偏移量为108.8mm，倾斜度为17.89。3 桥面高程及拱轴线形检测结果分析3.1桥面高程线形检测本桥采用水准仪对桥面高程线形进行了测量，因该桥无完工后桥面线形测量数据，因此，桥面高程测试结果与设计值进行对比，桥面高程测量值依照原设计图标高进行换算，以保证两者零分位线一致，通过对比分析桥面线形与设计值明显不符，按原设计1%单向纵坡计算，拱顶处桥面上拱，其高程与原设计值最大相差27cm，线形对比图如图3所示。3.2拱轴线形检测主拱圈采用全站仪极坐标法对拱轴线形测量，将测点坐标拟合成拱轴线形，与原设计图拱轴线进行对比分析，通过对比分析实测拱轴线形与设计值拱轴线形存在一定差异，主拱净跨径比设计值偏小，拱顶存在上拱现象，主拱圈设计拱轴线与测量拱轴线对比图如图 4所示。4 结构检算评估分析主线下穿分离式拱桥采用MIDAS CIVLI 2019建立有限元模型，主要材料拱圈采用C40混凝土，拱上横墙、桥面系采用C30混凝土，普通钢筋采用II级、III级钢筋；恒载主要包括结构自身重力、桥面铺装及护栏的重量，二期恒载按29.8kN/m计算，不考虑铺装参与受力；活载按照公路级进行考虑；温度荷载按照合龙温度升温20和降温20考虑，温度梯度按照25到6.7到0的竖向温度梯度和-0.5的竖向负温差来考虑；拱座位移通过拱脚的强制位移来考虑。结合拱桥检测结果从三个层面对结构进行验算：复核验算桥梁原设计的承载能力是否能够满足规范要求；基于拱轴线测量结果和裂缝宽度推测结果，验算桥梁发生变位后的承载力是否满足规范的要求。4.1原桥承载能力评估基于原桥设计图纸，验算了原设计主拱圈的承载能力及拱圈裂缝宽度，验算荷载工况包括自重、二期、温度荷载和移动荷载。原桥主拱圈轴心/偏心受压承载能力满足规范要求，且拱圈裂缝宽度也满足规范要求。4.2拱座位移推算分析4.2.1根据裂缝宽度推算拱座位移量根据主拱圈裂缝检测结果，拱脚最大裂缝宽度为2.8mm，根据下式利用有限元软件反推当结构达到最大裂缝宽度时的钢筋应力大小，从而反推出当结构达到最大裂缝宽度时，拱座位移大小。反推时荷载工况包括自重、二期、温度荷载和拱座位移。钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土受弯构件，其最大裂缝宽度Wcr(mm)按下式计算：Wcr=C1C2C3ssEs()c+d0.36+1.7te图2 主拱圈拱脚附近拱腹开裂，且延伸至拱圈两侧面典型照片图3 桥面高程线形设计值与实测值对比图图4 主拱圈设计拱轴线与测量拱轴线对比图质量控制与检测-64广东建材2023年第8期根据裂缝最宽值反算，近似推断两岸拱座的位移量至少为130mm（即净跨径减小了130mm）。根据该位移量计算的桥面上拱值为10cm。4.2.2根据桥面上拱实测值推算拱座位移量根据有限元计算模型，采用实测桥面上拱27cm反推模拟计算，两个拱脚的位移共24cm，即拱桥的净跨径减少了24cm，桥梁有限元模型计算竖向位移变形图如图5所示。4.2.3根据实测净跨径推算拱座位移量根据主拱拱轴线跨径实测值，计算得到净跨径值为49.67m，假设桥梁施工完成后其净跨径与设计净跨径完全一致，则拱座位移为33cm。无法判定左、右拱座各自的位移量，通过假设左、右拱脚位移值各为16.5cm，共33cm，通过有限元模型模拟推算，拱桥的桥面上拱值为38cm。桥梁有限元模型计算主拱圈位移变形图如图6所示。4.2.4综合推算拱座位移量由于缺乏施工完成后的拱圈线形数据和拱桥净跨径数据，因此拱圈跨径设计值与拱圈跨径测量值的差值包含了由拱座移动导致的变形和施工偏差；桥面横坡在施工后较为平顺，引起桥面高程变化的主要原因为拱脚位移变形，因此根据桥面高程推测出的拱脚位移值具有一定参考意义。因此，拱脚位移值应在1333cm之间。由于缺乏原桥导线点及竣工测量数据，以上推测为净跨径的减少值，即左右拱座的相对变形量，无法判定左右拱座各自的位移量。4.3拱桥开裂后（变形后）承载能力评估综上所述，拱脚位移值应在1333cm之间，承载能力评估验算采用分析推测拱脚位移的最小值13cm和实测的拱脚位移最大值33cm分别计算拱桥开裂后（变形后）的承载能力。由于缺乏原桥导线点及竣工测量数据，无法判定左、右拱座各自的位移量，拱脚位移值13cm时，左、右拱脚各按平均6.5cm的位移取值计算；拱脚位移值33cm时，左、右拱脚各按平均16.5cm的位移取值计算。4.3.1根据裂缝宽度反推的拱脚位移值评估原桥承载能力根据推测的拱脚位移值13cm时，左、右拱脚各按平均6.5cm的位移取值计算拱桥开裂后（变形后）承载能力，验算荷载工况包括自重、二期、温度荷载和移动荷载。结果显示，拱圈受到拱座变形作用的影响，内力超限非常严重，拱座位移对拱脚产生了较大的正弯矩导致结构偏心距快速增大，结构抗力下降严重。验算结论表明：结构裂缝宽度及承载能力极限均不能满足规范要求，处于危险状态。拱圈开裂后（变形后）关键截面轴心/偏心受压承载能力和裂缝宽度验算结果件表1、表2。4.3.2根据拱脚位移实测值评估原桥承载能力根据实测的的拱脚位移值33cm时，左、右拱脚各按平均16.5cm的位移取值计算拱桥开裂后（变形后）承载能力，验算荷载工况包括自重、二期、温度荷载和移动荷载。根据计算结果可以得出，拱圈受到拱座变形作用的影响，内力超限非常严重，拱座位移对拱脚产生了较大图5 主拱圈位移变形图（单位：cm）图6 主拱圈位移变形图（单位：cm）位置左拱脚拱顶右拱脚rNd/kN10843.09130.510821.7Nn/kN2000.44336.21971.4富余度-442.05%-110.56%-448.93%表1 拱圈开裂后（变形后）关键截面轴心/偏心受压承载能力验算位置左拱脚拱顶右拱脚裂缝宽度/mm2.8451.3162.864裂缝限值/mm0.2000.2000.200是否超限是是是表2 拱圈开裂后（变形后）关键截面裂缝宽度验算质量控制与检测-65广东建材2023年第8期的正弯矩导致结构偏心距快速增大，结构抗力下降严重。验算结论表明：结构裂缝宽度及承载能力极限均不能满足规范要求，处于危险状态。拱圈开裂后（变形后）关键截面轴心/偏心受压承载能力和裂缝宽度验算结果件表3、表4。综合上述，主线下穿分离式跨线桥钢筋混凝土板拱跨线桥在结构受损后，其承载能力不能满足规范和设计要求。5 拱桥病害成因分析基于两侧拱座向跨中挤压变形的假设进行的有限元计算分析，结合桥梁所处高边坡、裂缝情况、墩柱及拱上横墙倾斜情况、桥面高程数据及拱圈、桥面线型情况等实际情况多方面分析，得到以下结果：计算得到的名义应力推测裂缝开裂模式为拱脚处拱腹开裂，拱顶处拱背开裂，实际检测结果也为拱脚处拱腹多处，拱顶处拱背开裂，计算结果与检测结果相符；通过计算结果反推得到的拱圈变形情况为两侧拱座向中间挤压，拱顶向上拱起，变形情况与实测情况相符；同时，计算得到的横墙的下部位移情况为向跨中位移，与检测结果一致。结合桥梁施工工艺、检测及验算结果进行综合分析，认为主拱圈开裂主要原因为边坡卸荷变形和受雨水共同作用造成拱座位移，两岸拱座向拱顶方向发生位移，致使主拱圈受力体系改变造成主拱圈拱脚处拱腹开裂，主拱圈1/43/4处拱背横向开裂，且延伸至拱圈两侧面。6 结论依据 公路桥梁技术状况评定标准（JTG/H21-2011）拱式桥拱脚严重位移、拱圈严重变形，全桥总体技术状况为5类桥梁，处于危险状态。基于最大裂缝宽度，估算拱座向跨中挤压变形的位移量为13cm；基于净跨径实测值与设计值的差值，估算拱座向跨中挤压变形的位移量为33cm；基于桥面高程变化量，估算拱座向跨中挤压变形的位移量为24cm；经过综合分析认为，拱座向跨中挤压变形的位移量应在13cm至33cm之间。根据验算结果，桥梁在结构受损后，其承载能力不能满足设计要求。【参考文献】1 JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程 S.2 JTGT H21-2011公路桥梁技术状况评定标准 S.3 JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范 S.4 JTJ D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 S.位置左拱脚拱顶右拱脚rNd(kN)13089.412147.913068.0Nn(kN)992.52088.9985.7富余度-1218.82%-481.54%-1225.71%表3 拱圈开裂后（变形后）关键截面轴心/偏心受压承载能力验算位置左拱脚拱顶右拱脚裂缝宽度/mm7.2563.4217.276裂缝限值/mm0.2000.2000.200是否超限是是是表4 拱圈开裂后（变形后）关键截面裂缝宽度验算质量控制与检测-66