雙曲拱橋梁格分析建模方法研究

劉 楊

（朔州路橋建設有限責任公司，山西 朔州 036002）

0 引言

雙曲拱橋是由我國橋梁工程專家于1964年最先提出的，由于其化整為零的安裝理念，在當時起重設備落后、材料緊缺、大體積、高強度混凝土施工水平不高的時代，對橋梁建設起到了重要的推動作用，也曾經得到大規模的推廣應用。然而這種集零為整的施工方法，也帶來了橋梁整體剛度差等問題，以往的平面桿系、空間梁板體系法均無法模擬橫橋向各片拱肋的荷載橫向分布情況，也不能有效模擬其各構件之間受力的差異性，板殼元法和實體元法模型復雜，數據處理繁瑣，且不能準確反映各片拱肋截面彎矩這種宏觀的受力指標。本文根據梁格法基本原理，對該橋在各工況的受力狀態進行了詳細分析[1]。

1 工程概況

某雙曲拱橋共5跨。橋梁上部結構：上承空腹式雙曲拱橋，每跨橫橋向布置6片拱肋，拱肋之間采用橫系梁連接。拱上建筑：靠近拱腳處每跨采用3孔腹拱，腹拱拱腳處采用整體式立墻，主拱圈跨中區段采用實腹段。橋梁下部結構為重力式墩臺，擴大基礎。橋面寬度為：凈-9 m（行車道）+2×1.5 m（人行道）+2×0.2 m（護欄）。該橋始建于1991年，橋梁設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100。該橋目前主要存在的病害有：

a）部分拱肋跨中區段下緣有橫向裂縫，部分拱肋局部有掉塊露筋現象。

b）部分拱波有滲水、白華，拱波開裂較為嚴重，部分拱波裂縫的最大寬度達1 mm，已經超過規范允許值范圍。

c）橫系梁局部有露筋現象，部分橫系梁處有滲水、白華。

d）大部分腹拱有橫橋向裂縫，且裂縫寬度最大值達1 mm，超過規范允許值范圍，部分腹拱滲水和白華。

圖1 橋跨結構圖

圖2 梁肋分布圖

2 梁格法分析的基本原理

梁格法是根據等效剛度的原則將橋梁結構等效成由拱波和拱肋組成的格構單元，采用空間梁單元進行模擬。在相同荷載作用下，等效結構與原結構變形相等，且在任一梁格內的彎矩、剪力和扭矩應等于該梁格所代表的實際結構部分的單元內力。但是由于實際結構和“等效體系”有著不同的結構特性，上述“等效”的理想狀況一般難以完全達到，只能近似模擬，因此如何“等效”成為梁格法實際應用的關鍵。

3 梁格截面特性計算及計算模型[2]

a）縱向構件抗彎剛度：

b）縱向格構抗剪剛度：

c）縱向格構抗扭剛度：

d）若梁格無橫隔板，橫向梁格剛度：

e）若梁格有橫隔板，且間距不大時橫向剛度：

f）若梁格有橫隔板，且間距較大時，T梁截面中翼緣取有效跨徑的 1/12，按式（6）、式（7）計算。

如果結構的縱、橫向構件截面特性差異較大，應合理劃分格構單元，確保等效后結構的傳力路徑、作用方式及相對剛度不變[3]。

g）結構離散模型，見圖3。

圖3 全橋結構離散圖

4 試驗結果分析

4.1 縱向撓度試驗分析結果

圖4 程序一荷載作用下橋梁縱向撓度曲線圖

圖5 程序二荷載作用下橋梁縱向撓度曲線圖

圖6 程序三荷載作用下橋梁縱向撓度曲線圖

圖7 程序四荷載作用下橋梁縱向撓度曲線圖

4.2 橫向撓度試驗分析結果

圖8 程序三荷載作用下第四跨L/2斷面橫向撓度曲線圖

圖9 程序四荷載作用下第三跨L/2斷面橫向撓度曲線圖

5 結論

采用梁格法分析雙曲拱橋時，主梁各控制截面內力及位移在各種工況作用下，其實測值與理論計算值受力規律基本一致。同時，由于該橋運營時間較長，跨中區段主拱肋開裂較為嚴重，主梁實測撓度均大于理論計算值，校驗系數在1.11～1.74之間，表明該橋整體剛度較差，不能滿足試驗荷載等級的要求。