大跨連續(xù)梁拱組合橋梁拱分擔比例實驗探究

夏文傳 任利鋒2 周智宏2

（1.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070；2.華邦建投集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

一、實驗概況

（一）實驗模型

某黃河大橋跨徑為80m+150m+80m，矢跨比1/5，主梁采用單箱三室。有機玻璃模型以該橋為背景，模型全長440.8cm，主梁跨徑為214.3cm，邊跨跨徑采用113.6cm，截面形式采用單箱三室直腹板截面，如圖1所示；模型中采用21組吊桿，吊桿采用鋼絲，順橋向間距85.7mm，橋面橫橋向間距287mm，如圖2所示。為研究矢跨比、梁拱剛度比，共制作7個有機玻璃模型，如表1所示。分別對每一模型采用1kg、3kg和5kg的力進行索力張拉，共組合成21個模型。

圖1 有機玻璃模型(單位：cm)

圖2 矢跨比1/4.5，剛度比41.2的有機玻璃拱肋截面(單位：cm)

（二）測點布置

實驗過程中位移測量截面有邊跨支座、兩個中跨支座、邊跨跨中、中跨1/4、中跨跨中、1/4拱肋和1/2拱肋共8個截面，每個截面2個測點共16個點的位移；應力測量截面有邊跨跨中、中跨跨中、中跨1/4截面3種，每個截面30個共90個應力測點。

表1 模型參數

（三）實驗工況

實驗工況包括：邊跨跨中截面對稱加載、邊跨跨中截面偏心加載、中跨1/4截面對稱加載、中跨1/4截面偏心加載、中跨跨中截面對稱加載、中跨跨中截面偏心加載。加載荷載大小為40.7kg，實驗圖片如圖3所示。

圖3 實驗加載

模型2(張拉索力5kg時)跨中對稱加載時，實測、有限元及簡化公式計算結果，如表2所示。

表2 實測、有限元及簡化公式計算結果對比表

由表2可知，實測和有限元結果比較接近，簡化公式與實測和有限元結果誤差較大，誤差為4.2%。簡化公式計算采用變截面連續(xù)梁跨中截面的剛度，剛度比實際模型和有限元模型小，因此梁分擔比例小而拱分擔比例增大。

二、梁、拱分擔荷載比影響因素分析

（一）張拉索力T影響分析

簡化公式中rb與T無關，實測和有限元索力對rb也很小，如圖4所示。

圖4 T與 Kha關系

（二）梁、拱抗彎剛度比Kba影響分析

以rb為因變量，Kba為變量，其余為參數，則公式可簡化為：

簡化公式計算的rb與Kba關系曲線如圖5所示，實驗和有限元得到的rb與Kba關系如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，當Kba≤1時，此時拱肋承擔絕大部分荷載，拱肋荷載分擔比較大，而主梁分擔荷載較少，主梁分擔比較小。當48＞Kba＞1時，rb隨Kba增大而急劇增大。當56＞Kba＞48之間時，梁拱基本平均分擔荷載。當Kba＞56時，此時主梁剛度較大、拱較柔，主梁承擔荷載較多，主梁荷載分擔比超過拱肋荷載分擔比。

圖5 ra、rb與 kba關系

圖6 rb與 kba關系

（三）吊桿、拱肋等代剛度比Ksa影響分析

以rb為因變量，Ksa為變量，其余為參數，則公式可簡寫為：

則rb與Ksa關系曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，rb隨Ksa增大而減小；當Ksa＜1600時，rb隨Ksa變化急劇；當Ksa＞1600時，rb隨Ksa變化較緩。

圖7 rb與 ksa關系

圖8 ra、rb與 kf關系

圖9 rb與 kf關系

（四）矢跨比Kf影響

以rb為因變量，Kf為變量，其余為參數，則公式可簡寫為：

簡化公式ra、rb與Kf關系曲線，如圖8所示，實測和有限元得到的rb與Kf關系曲線如圖9所示。從圖11、圖12可以看出，rb隨Kf增大而增大；Kf對rb影響不大。

（五）軸向變形系數Ka影響

以rb為因變量，Ka為變量，其余為參數，則公式可簡寫為：

則rb與Ka關系曲線如圖10所示。從圖13可以看出，rb隨Ka增大而增大。

圖10 rb與 ka關系

（六）邊、中跨跨徑比 影響

以rb為因變量，η為變量，其余為參數，則公式可簡寫為：

則rb與η關系曲線如圖11所示。從圖11可以看出，rb隨η增大而增大，但變化不大。

圖11 rb與η關系

三、結語

通過對梁、拱肋荷載分擔比各影響因素的探究可知：

1.采用基于撓度的梁、拱荷載分擔比，能夠較好地反映梁拱組合橋梁拱協作機理；同時基于撓度的梁、拱分擔比能夠利用實橋易于測得的撓度，便于應用于實際工程。

2.當Kba≤1時，此時拱肋承擔絕大部分荷載，拱肋荷載分擔比較大，而主梁分擔荷載較少，主梁分擔比較小。當48＞Kba＞1 時，rb隨Kba增大而急劇增大。當56＞Kba＞48之間時，梁拱基本平均分擔荷載。當Kba＞56時，此時主梁剛度較大拱較柔，主梁承擔荷載較多，主梁荷載分擔比超過拱肋荷載分擔比。由于條件限制，有機玻璃實驗只做了梁拱剛度比20、30、41.2、60、80，對于其他比例的缺乏實驗數據。

3. rb隨Kf增大而增大，ra隨Kf增大而減小；Kf對rb影響不大。

4. rb隨Ksa增大而減小；當Ksa＜1600時，rb隨Ksa變化急劇；當Kba＞1600時，rb隨Ksa變化較緩。

5. rb隨Ka增大而增大，ra隨Ka增大而減小。

6. rb隨 增大而減小，但變化不大。

7.張拉索力對rb影響無關。