考慮拱上建筑受力的實腹式石拱橋?qū)崪y分析

趙 雷

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

石拱橋在我國橋梁建筑史上有著舉足輕重的地位，其外形美觀、堅固耐用，在我國分布廣泛，發(fā)揮著重要作用[1]。現(xiàn)代交通流量的增加對道路橋梁提出了較高的要求，隨著時間的增加，部分修建年代較早的石拱橋已經(jīng)進入橋梁安全評估期，因此，作為對橋梁進行性能評估的手段之一，荷載試驗日益得到廣泛的重視。對于石拱橋來講，由于在設(shè)計階段可以偏保守地采用不考慮拱上建筑參與受力的方法進行計算，但在檢測評定階段如果仍然不考慮顯然是不合適的，所以在檢測過程中該如何考慮、以及如何考慮拱上建筑參與受力是目前橋梁檢測評價中遇到的難點問題，本文通過一座實腹式石拱橋的荷載試驗測試，分析實腹式石拱橋建模計算應(yīng)考慮的問題，及通過實測數(shù)據(jù)的分析比較，校核計算模型的合理性，為同類型拱橋的檢測評定提供參考。

1 項目概況

該石拱橋位于某二級公路上，計算跨徑20.69 m，凈矢高6.67 m，拱圈厚度為75 cm，拱頂填料為40 cm，拱圈線形為圓弧拱，橋面寬度為凈-11 m+2×0.5 m，設(shè)計荷載等級為汽—20，掛車—100。拱圈采用M10水泥砂漿砌MU50塊石，拱上側(cè)墻采用M10水泥砂漿砌MU40塊石。該橋于1985年建成并投入運營，橋梁總體布置如圖1。

2 結(jié)構(gòu)分析與建模方法

圖1 橋梁總體布置圖

拱上建筑是拱橋的重要組成部分，一方面通過擴散作用分散活載作用面積，又通過與主拱圈的共同作用，增大拱圈的有效受力面積，提高其承載能力與使用性能。為了比較拱上建筑的具體影響大小，本文采用兩種方式分別建模計算，模型1僅建裸拱，將拱上建筑僅當(dāng)作荷載模擬；模型2考慮拱上建筑對拱圈的荷載分散和圍壓效應(yīng)，其中拱上建筑用實體單元模擬，為了建模方便，全橋計算時偏安全地將拱上側(cè)墻統(tǒng)一按填料計算[2]，主拱圈用梁單元模擬，并將拱上建筑與主拱圈單元之間用豎向和水平連桿連接。

圖2 模型1單元離散圖

圖3 模型2單元劃分示意圖

表1 材料參數(shù)

3 荷載試驗及結(jié)果分析

荷載試驗就是通過對試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與變形進行測量，從而對橋梁工作狀態(tài)和工作性能進行檢驗。本次荷載試驗采用等代車輛荷載進行模擬加載，保證實際加載的荷載效率控制在規(guī)范規(guī)定0.95＜η≤1.05范圍內(nèi)。通過計算，得到橋梁的計算控制應(yīng)變及撓度見表2。

表2 橋梁各控制斷面應(yīng)變及撓度計算控制值

根據(jù)理論計算結(jié)果及荷載試驗方案進行現(xiàn)場測點布設(shè)及加載測試，測點布置見圖4，實測結(jié)果見表3、表 4。

圖4 拱圈跨中截面應(yīng)變、撓度測點布置圖

表3 跨中L/2正彎矩試驗工況拱圈應(yīng)變、撓度測試結(jié)果

表4 0號臺支點截面負彎矩試驗工況拱圈應(yīng)變測試結(jié)果

上表可以看出，模型1的計算結(jié)果中無論拱頂位移還是應(yīng)變均遠遠大于實測結(jié)果，跨中斷面和拱腳斷面應(yīng)變的平均校驗系數(shù)分別為0.29和0.27，撓度的平均校驗系數(shù)為0.29，明顯低于圬工結(jié)構(gòu)的正常校驗系數(shù)0.6～1.0之間，給人一種該橋無限安全的假象。模型2中由于考慮了拱上建筑參與受力，無論拱圈位移還是應(yīng)變均小于模型1，跨中斷面和拱腳斷面應(yīng)變的平均校驗系數(shù)分別為0.72和0.68，撓度的平均校驗系數(shù)為0.70，校驗系數(shù)均在圬工結(jié)構(gòu)的正常校驗系數(shù)范圍內(nèi)，表明該模型對拱上建筑的模擬是有效的、合理的。主拱圈在拱上建筑的共同工作下其剛度和穩(wěn)定性得到了改善，同時承載能力也會相應(yīng)地提高。

4 結(jié)語

按規(guī)范推薦的傳統(tǒng)實腹式拱橋計算方法（只考慮裸拱），其計算結(jié)果對拱橋設(shè)計及實際受力來講是偏于保守的，但對于檢測評定來說顯然是偏于不利的，也是不準(zhǔn)確的，在以后檢測同類型橋梁的理論計算中應(yīng)予以考慮。而實際拱頂側(cè)墻及填料是會約束主拱圈變形產(chǎn)生“圍壓效應(yīng)”，與主拱圈共同受力[2]，承擔(dān)外荷載，其影響值也相對較大，如不加以考慮，將影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。