大跨径石拱桥的拱圈线形测量精度要求与方法研究

大跨径石拱桥的拱圈线形测量精度要求与方法研究

罗祥明王勋童皓安

1重庆市秀山县公路局重庆409900；2重庆交通大学土木工程学院重庆400074；

3重庆交通大学土木工程学院重庆400074

摘要：为了了解大跨径石拱桥拱圈线形与石拱桥安全性能之间的关系，通过对比实测得到拱圈的线形数据和理论状态下石拱桥空载、满载情况下拱圈的线形数据获知拱圈线形变化对拱桥的承载能力影响，验证石拱桥的安全状况。工程实例表明该方法有助于对服役大跨径石拱桥做安全评估分析。

关键词：测量大跨径石拱桥拱圈线形安全评估

1引言

石拱桥作为一种古制常用桥型，虽然其不再是引领桥梁技术进步的桥型，但在地形地质条件适合的山区，石拱桥仍是一种具有一定经济竞争力的桥型[1]。现阶段我国省县乡道上最主要的桥型仍然是那些早先修建的石拱桥，而大跨径石拱桥往往又是这些线路上的关键控制点。早前修建的石拱桥普遍存在设计标准偏低，石料劣化等缺陷。加上现在省县乡道上面的车流量增加，超载车、大车增多，这些情况都加剧了石拱桥病害的产生。随着服役年限的增长，石拱桥的病害越来越突出，相当部分的石拱桥面临承载能力不足的状况[2]，如何去评价这些石拱桥的安全状况，成为了一个亟待解决的问题。

对于石拱桥，从安全评估体系的因素来看，除了拱圈开裂、块石脱落、局部泛碱等影响因子外，拱圈线形变化、基础沉降、拱脚移位等是造成结构承载能力下降或滑坡的主要原因。而要准确考虑结构线形变化、拱脚移位等因素对结构的影响，就必须精确的测量出线形变化量、拱脚位移的大小，所以测量除了运用在桥梁的设计施工过程中，同样在石拱桥安全评估方面也有着举足轻重的作用。下面就石拱桥主拱圈线形变形对结构承载能力的影响做出分析。

2拱圈线形的测量方法

1）全站仪反光镜法

该方法是在全站仪不支持免棱镜功能时通过类似悬高测量的原理，间接测得拱圈上下缘的数据。具体操作过程如下：

（1）于桥边缘处沿桥轴向用钢卷尺将桥面纵向分成若干等份，并记录各等分点到桥头起点的距离，然后利用水准仪测得这些等分点高程V1。

（2）棱镜立于等分点上，在拱桥侧面架设全站仪，瞄准棱镜，并记下棱镜高测出棱镜到全站仪的平距L和竖直角α1。然后保持全站仪水平制动，向下转动望远镜，瞄准拱圈下缘，得到新的竖直角α2，根据公式1，即可求出拱圈各点的高程V。

重复以上步骤，即可测得桥梁拱圈线形数据。

2）全站仪免棱镜法

该方法是利用全站仪提供的可以在没有棱镜的情况下直接测量目标位置的坐标的功能来实现的。具体操作步骤如下：

（1）建立局部坐标系。局部坐标系以桥梁纵轴线为X轴，横向为Y轴，竖向为Z轴；

（2）设站定向。首先瞄准拱圈上缘，测得竖角，保持全站仪水平制动，向下转动望远镜瞄准拱圈下缘，测得竖角，由于拱圈侧面竖直，则拱圈轴线点所对应的竖角为：

公式2

（3）将全站仪竖角拨到，则瞄准点即为拱圈轴线点。然后测出该点的坐标（X，Y，Z）。重复以上步骤，即可测出桥梁拱轴线的数据[3]。

3）全站仪对边测量法

以上两种获取拱圈数据的方法外业工作量大，如果利用对边测量的原理，将大大减少工作量。操作步骤如下：

（1）首先要在桥跨结构上上找一个基点（如拱脚）；

（2）从基点开始，沿桥跨方向按照合适的间距（如2m～2.5m）对拱圈上下缘进行对边测量，直到对岸拱脚。其中在接近拱顶位置时适当地加密测点，便于捕捉拱顶位置，校验拱圈的矢跨比[3]。

以往，一般是在现场测出拱轴线的线形数据。本文中，笔者在获得了拱圈上下缘的线形数据后，将拱轴线的获取工作移至内业完成。根据最小二乘原则，通过一元非线性回归计算，求出拱圈上下缘数据的共同多项式拟合曲线，即拱轴线。

拱轴线曲线回归方程：

按多远线性回归分析方法进行参数估计和显著性检验，检验通过后再还原为曲线回归方程。

3拱圈线形与桥梁安全评估原理

在中医学里面有“内脏表于面相”的说法，笔者认为在桥梁安全方面，也同样存在这样的情况。桥梁荷载、拱脚移位、基础沉降等变化对桥梁造成的影响都能通过拱圈线性的变化这一桥梁面相反映出来。对于服役多年的老石拱桥，特别是单跨大跨径石拱桥，拱脚位置周围基础已趋于稳定，除非出现大洪水、地震等情况对已稳定的基础造成破坏，否者在荷载的作用下桥梁拱脚水平位移量很小，可以忽略不计[4]。

本文只着重研究荷载引起的拱圈变形对桥梁安全评估方法。作者基于《公路圬工桥涵设计通用规范》（JTGD61-2005）[5]和《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）[6]，基于本文提出的新的拱轴线测量方法测得的大跨径石拱桥在空载（结构自重）下的拱轴线Lm，运用Midas/Civil有限元软件建立桥梁模型，计算出拱轴圈在设计荷载下的新的线形Ln。因此得到拱圈在空载、满载下的线形，并把此线形Lm、Ln作为服役石拱桥的拱圈线形变化范围限值。

在实地荷载试验时，通过上述拱轴线测量方法测得石拱桥拱轴线的实时线形Li，将得到的此线形与上述限值拱轴线作比较：

（1）当Li在限值线形范围内时，及Ln<Li<Lm时，该石拱桥为安全状态；

（2）当Li在限值线形范围外时，及Li<Ln<Lm时，该石拱桥处于危险状态。

4工程实例

以某大跨径石拱桥调查数据作为计算资料，一座单跨空腹式石拱桥，全桥长130.0m，主拱圈厚度1.7m，桥宽为7.5m，桥面布置为：0.25m（栏杆）+7.0m（行车道）+0.25m（栏杆）。桥梁构造如图1：

图1桥型构造图

在空载情况下拱圈上下缘观测数据。依照前述测量数据处理方法求得拱轴线Lm方程：

公式6

当考虑自重、汽车荷载、人群及温度荷载等满载时，结构变形后的主拱圈线形Ln控制坐标。求得其回归方程为：

公式7

在实地现场测得该桥在车辆荷载等外界荷载下的拱圈上下缘数据，并求得拱轴线Li方程：