梁橋與拱橋模型承載力對比試驗

【摘要】通過對比梁橋與拱橋模型在相同荷載作用下的形變量，對其承載力和變形特點進行深入分析，試驗結果表明：拱橋的承載（抗壓）能力更為顯著。

【關鍵字】梁橋與拱橋模型； 承載力對比； 變形特點

梁橋是橋梁結構體系之一。梁橋是指結構在垂直荷載作用下，支座只產生垂直反力的無推力梁式體系的橋梁[1]。梁作為承重結構主要以其抗彎能力來承受荷載，在豎向荷載作用下其支承反力也是鉛直的。拱橋的主要承重結構是具有曲線外形的拱圈，在豎向荷載作用下，拱圈主要承受軸向壓力，但也受彎、受剪。拱趾處的支承反力除了豎向反力外還有較大的水平推力[2]。本次試驗采用靜載加載的方式，通過表格和h-r曲線來分析梁橋與拱橋承載能力的大小，比較梁橋與拱橋在相同荷載作用下的累計形變量r（以下簡稱形變量）。

1.模型概況

試驗以梁橋和拱橋四個模型為試驗依據，其中梁橋包括板梁橋和T形梁橋，拱橋包括空腹式拱橋和桁架式拱橋，通過靜力加載的方式重點探討它們在承載力方面的優劣。四種橋梁模型均為竹質材料，縱截面總長L=82cm，橫截面總寬為30cm.下列圖（a）、圖（b）、圖（c）和圖（d）即為各橋梁模型的主要尺寸（單位：cm）。

2.試驗測點的布置、模型的加載方式及過程

2.1試驗儀器及試驗測點的布置

考慮到橋梁模型變形量較小，故采用百分表（量程為10mm）作為試驗儀器。為了使模型受力更加均勻，靜載試驗布置了六個試驗測點，如圖（e），各點的位置就是百分表安置的位置。通過取各組點1和4，2和5，3和6的讀數平均值來觀察模型的縱向變形，由三組點的對比觀察模型的橫向變形。

2.2加載方式

本試驗各模型均采用跨中處（L/2）分級加載，加載裝置如圖（f）、圖（g）、圖（h）和圖（i）。每級荷載均由人工依次添加鐵塊的方式來完成。

2.3加載程序

每級荷載的加載是在上級荷載的基礎上進行的，下表1為各級荷載值h，單位為牛頓（N）。試驗分級依次加載且模型加載前后形變量之差超出10mm就視為破壞。百分表指針穩定后開始讀數并記錄。

各級荷載分配表 表1

3.試驗結果與分析

靜載試驗的預加荷載為全套加載設備的荷載，其對應的百分表讀數作為試驗的初始值t，如下表2、表3、表4、表5分別為板梁橋、T形梁橋、空腹式拱橋和桁架式拱橋在L/2處的加載記錄。試驗中，L/4和3L/4處四個百分表的讀數接近相同，表明各模型縱向變形均勻。

板梁橋在6級荷載作用下的的形變量為：r=11.15mm>10mm.此時，可認為板梁橋已被破壞，無需再進行后續加載。

為了更好地反映梁橋與拱橋在荷載下的形變規律，可作荷載—形變（h—r）曲線進行分析，如右圖。由h—r曲線可以看出：板梁橋承載力最低，形變量最早超過10mm。四個模型的形變量近似呈線性增長，表明試驗是在模型彈性限度內進行的。T形梁橋與拱橋前期形變量變化不大，但后期隨著荷載的增加，拱橋的形變量相對減小，說明拱橋具有更高的承載力。

4.試驗誤差的產生及減小誤差的措施

拱橋是一種推力結構，上部荷載由拱圈傳給橋墩，除了豎向力外，還有較大的水平推力，這是與梁橋的最大不同之處[3]。正是這種水平推力的存在容易造成試驗誤差。試驗中，隨著荷載的不斷增大，課桌在水平推力作用下易發生水平移動，導致拱趾向兩側延伸，拱橋發生一定的沉降，使形變增大。為了減小試驗誤差，保證課桌的穩固性尤為重要。可用砂袋加固課桌，也可用膠水將桌腳粘結在地板上。

5.結語

1）梁式橋是一種在豎向荷載作用下無水平反力的結構。由于外力的作用方向與承重結構的軸線接近垂直，故梁內產生的彎矩最大；拱式橋的主要承重結構是拱圈或拱肋。這種結構在豎向荷載作用下，橋墩或橋臺將承受水平推力。同時，這種水平推力將使拱圈或拱肋以承受壓力為主。因此，拱橋與同跨徑的梁橋相比，拱橋的彎矩和變形要小得多。

2）本試驗證明了四種橋的承載力關系：板梁橋

【參考文獻】

[1]白寶玉《橋梁工程》北京：高等教育出版社 2005.11（2010重?。?6

[2]姜晨光《橋梁建造技術指南》北京：化學工業出版社 2011.3：9—10

[3]王慧東《橋梁墩臺與基礎工程》北京：中國鐵道出版社 2005.9：3—7