等代拱法考慮拱上建筑受力的多跨空腹式拱橋荷載試驗(yàn)應(yīng)用

董浩

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京210000）

等代拱法考慮拱上建筑受力的多跨空腹式拱橋荷載試驗(yàn)應(yīng)用

董浩

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京210000）

對于空腹式拱橋設(shè)計(jì)階段不考慮拱上建筑參與受力，這與橋梁實(shí)際受力狀況不符，拱上建筑在一定程度上要參與拱圈受力。為了更好地空腹式拱橋的真實(shí)受力情況進(jìn)行反應(yīng)，在計(jì)算模型的時(shí)候考慮拱上建筑的影響是很十分必要的。對一座三跨空腹式拱橋的荷載試驗(yàn)，采用等代拱法考慮拱上建筑的影響建模分析，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)分析對比，校核計(jì)算合理性，為同類型拱橋的荷載試驗(yàn)提供參考。

拱上建筑；空腹式拱橋；荷載試驗(yàn)；等代拱法

0　引言

空腹式拱橋作為橋梁結(jié)構(gòu)的一種形式，在現(xiàn)代交通中作用十分明顯。對于這種橋型在設(shè)計(jì)時(shí)采用不考慮拱上建筑參與受力的方法進(jìn)行計(jì)算，這與橋梁實(shí)際受力不符。實(shí)際拱上建筑包含側(cè)墻、橫墻、護(hù)拱、腹拱、填料和橋面系，他們與主拱圈共同承擔(dān)著自重及外部荷載作用，對橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性是有利的［1］。因此，為了更加準(zhǔn)確的反應(yīng)空腹式拱橋的真實(shí)受力情況，在計(jì)算模型考慮拱上建筑的影響是很必要的。目前，對于拱上建筑聯(lián)合計(jì)算還沒有精確的方法，本文針對一座三跨空腹式拱橋的荷載試驗(yàn)，采用等代拱法考慮拱上建筑的影響對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)分析對比，校核計(jì)算合理性，為同類型拱橋的荷載試驗(yàn)提供參考。

1　理論基礎(chǔ)

等代拱法［2］就是考慮拱上結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用，利用等剛度原則，將參與主拱圈共同受力的拱上建筑換算成新的拱圈截面，進(jìn)行受力分析。等代拱法適用于拱上結(jié)構(gòu)與拱圈材料性能相近，可以把整體性較好的拱圈與拱上結(jié)構(gòu)組合的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

等代拱法使用時(shí)作下列假設(shè)：（1）拱圈與拱上結(jié)構(gòu)整體性較好，共同受力，主拱圈及拱圈附近的拱上結(jié)構(gòu)為主要的受力結(jié)構(gòu)；（2）假定拱圈橫向剛度趨于無窮大，即忽略了由于荷載橫向分布所產(chǎn)生的應(yīng)力橫向分布的不均勻性；（3）等代拱的截面抗彎剛度等于實(shí)際拱相應(yīng)截面處拱圈及其附近拱上結(jié)構(gòu)的慣性矩之和。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

某大橋全長105.16 m，拱橋上部采用25 m+35 m+ 25 m空腹式混凝土連續(xù)拱橋，下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體墩、U型臺、擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁的三孔主拱圈采用相同的矢跨比，凈矢跨比f0/l0=1/8，主拱圈拱軸線均采用等截面懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.814。邊拱凈跨徑Ln=25.0 m，凈矢高fn=3.125 m，計(jì)算跨徑L=25.418 7 m，計(jì)算矢高f=3.184 2 m；中拱凈跨徑Ln=35.0 m，凈矢高fn=4.375m，計(jì)算跨徑L=35.4187m，計(jì)算矢高f=4.434 2 m。橋梁腹拱圈凈矢跨比f/l=1/3，靠近橋墩、臺處的腹拱圈為三鉸拱，即設(shè)一道伸縮縫，兩道變形縫，其余腹拱圈為二鉸拱。主拱圈、拱上橫墻、腹拱圈、護(hù)拱、側(cè)墻和橋面系均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且材料相同。拱上填料為礫石土。

2.2結(jié)構(gòu)分析與建模方法［3］

本文采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合橋梁自身特點(diǎn)，主拱、腹拱、橫墻及橋面系采用空間梁單元進(jìn)行模擬，側(cè)墻及護(hù)拱按效剛度方法計(jì)入主拱或腹拱剛度，拱上填料按等效作用力進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)相接觸的位置采用共同單元節(jié)點(diǎn)，滿足變形協(xié)調(diào)條件。結(jié)構(gòu)離散為1 093個(gè)單元，806個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算幾何模型如圖1所示。

圖1　有限元模型圖

3　橋梁荷載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)概況

靜載試驗(yàn)的主要試驗(yàn)工況為：（1）主跨跨中截面最大正彎矩和撓度；（2）拱腳截面最大負(fù)彎矩；（3）1/4截面最大正、負(fù)彎矩；（4）1/4截面最大正負(fù)撓度絕對值之和。

選取如圖2所示的1-1～5-5五個(gè)截面作為主要的測試截面，其中1-1、2-2、5-5截面為應(yīng)力和撓度的測試截面，3-3、4-4截面為應(yīng)力的測試截面。

圖2　各測試截面總布置圖 （單位：cm）

靜載試驗(yàn)采用三輛350 kN車輛進(jìn)行加載，加載效率控制在0.95～1.05，荷載試驗(yàn)分為四個(gè)工況進(jìn)行，各加載工況及測試的內(nèi)容如表1所示。

表1　各加載工況及測試的內(nèi)容

3.2靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過有限元模型計(jì)算出加載工況中各測試截面的應(yīng)力和撓度的理值，通過實(shí)橋靜載試驗(yàn)測出應(yīng)力和撓度值。將理論值和實(shí)測值結(jié)果進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如表2和表3所示。

由表2和表3可以看出，各測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果均小于理論計(jì)算結(jié)果，撓度的校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.85，應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)為0.49～0.83，均在混凝土結(jié)構(gòu)的正常校驗(yàn)系數(shù)范圍內(nèi)，表明該模型對拱上建筑的模擬是有效的，能清楚地反映出橋梁的實(shí)際空間受力分布情況，在橋梁靜載試驗(yàn)中采用等代拱法計(jì)算模型進(jìn)行分析，有助于更好地評定橋梁的實(shí)際承載能力。主拱測試截面相對殘余撓度均小于20%，表明該橋有一定的安全儲備，并處于彈性工作狀態(tài)。

表2　各工況下結(jié)構(gòu)撓度實(shí)測值與理論值比較

表3　各加載工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測值與理論值比較

3.3動載試驗(yàn)結(jié)果及分析

動載試驗(yàn)主要是通過脈動測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性。在橋面跨中截面和1/4截面安裝加速度傳感器，利用動態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，結(jié)果如表4所示。

表4　理論頻率與實(shí)測頻率比較

從表4可知，橋梁的自振頻率高于理論計(jì)算值，說明實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)剛度大于理論計(jì)算值。通過前二階頻率的比較，說明對該橋利用等代拱法建模進(jìn)行橋梁空間動力分析，精確度較高，合理可行。

4　結(jié)語

當(dāng)拱圈與拱上建筑結(jié)構(gòu)整體性較好，共同受力時(shí)，采用等代拱法的有限元模型能清楚地反映拱梁拱上建筑受力情況，且有較高的精度。通過具體的工程實(shí)例，介紹等代拱法在橋梁荷載試驗(yàn)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符，等代拱法有助于橋梁荷載試驗(yàn)的完成，是橋梁荷載試驗(yàn)中計(jì)算分析的有效手段。

［1］趙雷.考慮拱上建筑受力的實(shí)腹式石拱橋?qū)崪y分析［J］.山西交通科技，2014（3）：59-60.

［2］李錚，向中富，李自強(qiáng)，潘正化.考慮拱上建筑聯(lián)合作用的石拱橋有限元分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（4）：725-728.

［3］湖崇武，范立礎(chǔ)，周衛(wèi).大跨度石拱橋拱上結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用分析與研究［J］.公路交通科技，2005，22（1）：105-107.

U441+.2

B

1009-7716（2016）01-0157-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.045

2015-10-20

董浩（1983-），男，江蘇徐州人，碩士，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)安全與檢測工作。