剛架拱橋橫向整體性影響因素探討

蘭華華

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 重慶 400067)

0 引言

剛架拱橋是我國20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型拱橋，它是在傳統(tǒng)的桁架拱、雙曲拱、斜腿剛構(gòu)的基礎(chǔ)上演變而來的一種橋型。剛架拱橋具有桿件數(shù)量少、自重輕、材料省等優(yōu)點。鋼筋混凝土剛架拱橋的上部構(gòu)造是由剛架拱片、橫系梁和橋面等幾部分組成。剛架拱橋是一種高次超靜定空間受力結(jié)構(gòu)，剛架拱片是剛架拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)，其主要由實腹段主梁、主拱腿、次梁、次拱腿構(gòu)成。為把各剛架拱片橫向聯(lián)成整體，讓各剛架拱片協(xié)同受力，并保證剛架拱橋全橋橫向穩(wěn)定，在剛架拱片間設(shè)置橫系梁。除橋梁跨中、節(jié)點(主節(jié)點、次節(jié)點)、次梁端部需設(shè)置橫系梁外，其他位置可根據(jù)橋梁跨徑進行增設(shè)[1]。剛架拱橋橫向整體性好壞直接影響橋梁整體受力性能，因此有必要對影響剛架拱橋橫向整體性的因素進行探討，并揭示各因素影響規(guī)律，為剛架拱橋的設(shè)計、養(yǎng)護及維修加固提供準(zhǔn)確的技術(shù)參考[2-5]。

1 計算原理

將單位力分別作用于各片剛架拱片的計算點處，并運算得到單位力作用在每片剛架拱片時各片剛架拱片計算點處撓度[6]。對于正常使用狀態(tài)的橋梁，當(dāng)假定構(gòu)件材料處于彈性工作狀態(tài)時，荷載與位移成正比關(guān)系。因此，以各片剛架拱片計算點處撓度作為分析其荷載橫向分布的指標(biāo)，荷載橫向分布影響線按公式計算：

式中：

ηij——橫橋向各剛架拱片跨中的荷載分布影響線坐標(biāo)值；

fij——單位力Pi作用于第i號剛架拱片跨中時引起的第j片剛架拱片跨中撓度值。

2 結(jié)構(gòu)概況

目前，剛架拱橋常見跨徑大多介于25m～70m之間，鑒于篇幅有限，本文選取跨徑為25m剛架拱橋進行分析。剛架拱橋如圖1所示，其凈跨徑為25m，凈矢高3.125m，凈矢跨比為1/8。剛架拱橋橋面采用預(yù)制微彎板及現(xiàn)澆混凝土面層構(gòu)成，各剛架拱片通過橫向聯(lián)系梁及微彎板橋面連接在一起。剛架拱片立面布置圖及橋梁橫斷面示意圖如圖1～圖2所示。

圖1 剛架拱橋半立面圖

圖2 剛架拱橋橫斷面示意圖

3 計算與分析

3.1 有限元模型建立

根據(jù)梁格法建模原理，借助橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil 2017建立剛架拱橋空間結(jié)構(gòu)分析模型。各剛架拱片實腹段及弦桿通過剛性連接與主拱腿、次拱腿連接，主拱腿支座固結(jié)，次拱腿支座鉸接，次梁的邊支座采用只受壓彈簧進行模擬。剛架拱橋整體有限元模型如圖3所示。

圖3 剛架拱橋整體有限元模型

3.2 分析結(jié)果

3.2.1橫系梁數(shù)量對荷載橫向分布的影響

將單位力分別作用于各剛架拱片實腹段跨中位置，分別求得實腹段無Ⅱ型橫系梁、1根Ⅱ型橫系梁和3根Ⅱ型橫系梁等3種工況下，1#、2#剛架拱片(3#、4#分別與2#、1#對稱，下同)荷載橫向分布豎標(biāo)值，如表1～表2所示。并根據(jù)豎標(biāo)值擬合出各剛架拱片的荷載橫向分布影響線，如圖4～圖5所示(通常情況下，剛架拱片次梁端部及主節(jié)點處須設(shè)置橫系梁，因此僅考慮實腹段Ⅱ型橫系梁數(shù)量變化對剛架拱橋橫向整體性的影響)。

由表1及圖4可以看出，單位力作用在1#剛架拱片跨中時，隨著實腹段Ⅱ型橫系梁數(shù)量的增加，1#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值略微下降，從無Ⅱ型橫系梁時的0.89下降到有3根Ⅱ型橫系梁的0.86。單位力作用在2#～4#拱片時，1#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值小幅上升(其中單位力作用于4#拱片跨中時，反向上升)。

表1 1#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值

圖4 1#拱片橫向分布影響線

由表2及圖5可以看出，單位力作用在2#剛架拱片跨中時，隨著實腹段Ⅱ型橫系梁數(shù)量的增加，2#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值逐漸下降，從無Ⅱ型橫系梁時的0.72下降到有3根Ⅱ型橫系梁的0.64，單位力作用在1#、3#、4#拱片時，2#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值逐漸上升。

表2 2#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值

圖5 2#拱片橫向分布影響線

3.2.2橫系梁剛度對荷載橫向分布的影響

各片剛架拱片間通過矩形截面橫系梁連接，通過改變橫系梁高度達(dá)到改變橫系梁剛度的目的，橫系梁高度分別增加5cm、10cm。將單位力分別作用于各剛架拱片實腹段跨中位置，分別求得不同橫系梁剛度下，1#、2#剛架拱片荷載橫向分布豎標(biāo)值，如表3～表4所示。并根據(jù)豎標(biāo)值擬合出各剛架拱片的荷載橫向分布影響線，如圖6～圖7所示。

表3 1#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值

表4 2#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值

圖6 1#拱片橫向分布影響線

由表3及圖6可以看出，單位力作用在1#～4#剛架拱片跨中時，隨著實腹段Ⅱ型橫系梁剛度的增加，1#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值幾乎無變化，1#拱片橫向分布影響線大致重合。

由表4及圖7可以看出，單位力作用在2#剛架拱片跨中時，隨著實腹段Ⅱ型橫系梁剛度的增加，2#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值略微下降，橫系梁截面高度增加10cm，2#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值減小0.05；單位力作用在1#、3#、4#拱片時，2#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值略微增大。

圖7 2#拱片橫向分布影響線

3.2.3剛架拱片橫向間距對荷載橫向分布的影響

剛架拱片間距取決于橋梁寬度及剛架拱片數(shù)。對于常見公路剛架拱橋，當(dāng)跨徑較小時，通常采用3～4個拱片，拱片間距約為2m～4m。將單位力分別作用于各剛架拱片實腹段跨中位置，分別求得拱片間距為2.4m、2.8m、3.2m等3種工況下，1#、2#剛架拱片荷載橫向分布豎標(biāo)值，如表5～表6所示；并根據(jù)豎標(biāo)值擬合出各剛架拱片的荷載橫向分布影響線，如圖8～圖9所示。

表5 1#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值

由表5及圖8可以看出，單位力作用在1#剛架拱片跨中時，隨著剛架拱片橫向間距減小，1#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值逐漸減小，從3.2m間距時的0.87減小到2.4m時的0.80。單位力作用在2#～4#剛架拱片跨中時，隨著剛架拱片橫向間距的減小，1#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值逐漸增大(單位力作用在4#剛架拱片跨中時反向增大)。

表6 2#拱片橫向分布影響線豎標(biāo)值

圖8 1#拱片橫向分布影響線

圖9 2#拱片橫向分布影響線

由表6及圖9可以看出，單位力作用在2#剛架拱片跨中時，隨著剛架拱片橫向間距減小，2#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值逐漸減小，從3.2m間距時0.65減小到2.4m時0.54；單位力作用在1#、3#、4#剛架拱片跨中時，隨著剛架拱片橫向間距減小，2#拱片對應(yīng)的橫向分布影響線豎標(biāo)值逐漸增大。

4 結(jié)論

本文采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件對影響剛架拱橋橫向整體性的因素及其影響程度進行了計算分析，得出以下結(jié)論：

(1)橫系梁是剛架拱橋主要構(gòu)件之一，剛架拱橋橫系梁剛度及實腹段Ⅱ型橫系梁數(shù)量對橋梁的荷載橫向分布影響線有一定的影響，但影響程度甚微，橫系梁剛度影響幾乎可以忽略。

(2)剛架拱片間距由橋?qū)捈肮捌瑪?shù)量共同決定，隨著拱片間距的減小，橋梁橫向整體性增大，但同時拱片數(shù)量增加，橋梁總工程量增加，總造價增加。因此，剛架拱橋設(shè)計時應(yīng)綜合橋梁跨徑、橋?qū)?、荷載大小等多種因素，確定合適的拱片間距及數(shù)量。

(3)剛架拱橋中，橫系梁、微彎板等橫向聯(lián)系構(gòu)件能在一定程度上起到連接各剛架拱片的作用，保證橋梁結(jié)構(gòu)的橫向整體性。但其作用有限，通過增加一定數(shù)量的橫系梁或增大橫系梁剛度對橋梁橫向整體性貢獻不大，怎樣提高剛架拱橋的橫向整體性有待進一步研究。

(4)隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路網(wǎng)交通量與日俱增，車輛荷載等級逐步提高，早期設(shè)計的剛架拱橋一定程度上不能滿足現(xiàn)行荷載通行要求，有必要對既有剛架拱橋進行修繕及加固，進而達(dá)到提高設(shè)計荷載等級目的。由于剛架拱橋橫向整體性較差，各剛架拱片受力不均衡，導(dǎo)致部分剛架拱片在移動荷載作用下達(dá)到承載能力極限狀態(tài)甚至損壞，而其他剛架拱片仍具有相當(dāng)大的安全儲備，這對結(jié)構(gòu)的受力及行車安全極為不利。因此，在剛架拱橋養(yǎng)護維修加固中，除對常規(guī)的橋梁耐久性病害(混凝土裂縫、混凝土破損等)進行處理外，可考慮通過增設(shè)剛架拱片，減小各拱片橫向間距，提高剛架拱橋橫向整體性來達(dá)到提高橋梁極限承載力目的。

[1] 姚玲森，項海帆，顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 劉云川，劉建民，王志輝.剛架拱橋病害特點與防治對策[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2006，14(2)：26-27.

[3] 盧彭真，周巖勇，施文偉.剛架拱橋的病害分析及防治對策[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005，4(1)：23-24.

[4] 劉永淼.某剛架拱橋微彎板病害分析及加固策略[J].福建建設(shè)科技，2013(3)：80-82.

[5] 蔡紀(jì)鋒.剛架拱橋的橫系梁合理設(shè)計研究[J].公路，2015(4)：135-138.

[6] 周新平，宗雪梅.剛架拱橋荷載橫向分布系數(shù)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報，2007，28(2)：101-104.