等代拱法考慮拱上建筑受力的多跨空腹式拱橋荷載試驗應用

董浩

（江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，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應用

董浩

（江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京210000）

對于空腹式拱橋設計階段不考慮拱上建筑參與受力，這與橋梁實際受力狀況不符，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受力情況進行反應，在計算模型的時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，采用等代拱法考慮拱上建筑的影響建模分析，通過實測數據與理論數據分析對比，校核計算合理性，為同類型拱橋的荷載試驗提供參考。

拱上建筑；空腹式拱橋；荷載試驗；等代拱法

0　引言

空腹式拱橋作為橋梁結構的一種形式，在現代交通中作用十分明顯。對于這種橋型在設計時采用不考慮拱上建筑參與受力的方法進行計算，這與橋梁實際受力不符。實際拱上建筑包含側墻、橫墻、護拱、腹拱、填料和橋面系，他們與主拱圈共同承擔著自重及外部荷載作用，對橋梁結構的承載力和穩定性是有利的［1］。因此，為了更加準確的反應空腹式拱橋的真實受力情況，在計算模型考慮拱上建筑的影響是很必要的。目前，對于拱上建筑聯合計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，采用等代拱法考慮拱上建筑的影響對結構進行建模分析，通過實測數據與理論數據分析對比，校核計算合理性，為同類型拱橋的荷載試驗提供參考。

1　理論基礎

等代拱法［2］就是考慮拱上結構的聯合作用，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，進行受力分析。等代拱法適用于拱上結構與拱圈材料性能相近，可以把整體性較好的拱圈與拱上結構組合的整體結構進行分析。

等代拱法使用時作下列假設：（1）拱圈與拱上結構整體性較好，共同受力，主拱圈及拱圈附近的拱上結構為主要的受力結構；（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生的應力橫向分布的不均勻性；（3）等代拱的截面抗彎剛度等于實際拱相應截面處拱圈及其附近拱上結構的慣性矩之和。

2　工程實例

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空腹式混凝土連續拱橋，下部結構采用實體墩、U型臺、擴大基礎。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m=2.814。邊拱凈跨徑Ln=25.0 m，凈矢高fn=3.125 m，計算跨徑L=25.418 7 m，計算矢高f=3.184 2 m；中拱凈跨徑Ln=35.0 m，凈矢高fn=4.375m，計算跨徑L=35.4187m，計算矢高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、護拱、側墻和橋面系均采用鋼筋混凝土結構，且材料相同。拱上填料為礫石土。

2.2結構分析與建模方法［3］

本文采用橋梁結構分析軟件Midas/Civil進行計算分析，結合橋梁自身特點，主拱、腹拱、橫墻及橋面系采用空間梁單元進行模擬，側墻及護拱按效剛度方法計入主拱或腹拱剛度，拱上填料按等效作用力進行模擬，結構相接觸的位置采用共同單元節點，滿足變形協調條件。結構離散為1 093個單元，806個節點，計算幾何模型如圖1所示。

圖1　有限元模型圖

3　橋梁荷載試驗

3.1試驗概況

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

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

圖2　各測試截面總布置圖 （單位：cm）

靜載試驗采用三輛350 kN車輛進行加載，加載效率控制在0.95～1.05，荷載試驗分為四個工況進行，各加載工況及測試的內容如表1所示。

表1　各加載工況及測試的內容

3.2靜載試驗結果及分析

通過有限元模型計算出加載工況中各測試截面的應力和撓度的理值，通過實橋靜載試驗測出應力和撓度值。將理論值和實測值結果進行對比分析，對比結果如表2和表3所示。

由表2和表3可以看出，各測點的實測結果均小于理論計算結果，撓度的校驗系數為0.51～0.85，應力的校驗系數為0.49～0.83，均在混凝土結構的正常校驗系數范圍內，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際空間受力分布情況，在橋梁靜載試驗中采用等代拱法計算模型進行分析，有助于更好地評定橋梁的實際承載能力。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。

表2　各工況下結構撓度實測值與理論值比較

表3　各加載工況下結構應力實測值與理論值比較

3.3動載試驗結果及分析

動載試驗主要是通過脈動測試橋梁結構的自振特性。在橋面跨中截面和1/4截面安裝加速度傳感器，利用動態測試系統進行數據采集和分析，結果如表4所示。

表4　理論頻率與實測頻率比較

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

4　結語

當拱圈與拱上建筑結構整體性較好，共同受力時，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。通過具體的工程實例，介紹等代拱法在橋梁荷載試驗中的應用。結果表明，試驗結果與理論計算結果相符，等代拱法有助于橋梁荷載試驗的完成，是橋梁荷載試驗中計算分析的有效手段。

［1］趙雷.考慮拱上建筑受力的實腹式石拱橋實測分析［J］.山西交通科技，2014（3）：59-60.

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

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

U441+.2

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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，主要從事橋梁結構安全與檢測工作。