上承式三肋混凝土拱橋的橫向分布規(guī)律試驗(yàn)分析

吳海軍， 董壯壯， 張文學(xué)

(1．重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2．北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

0 引言

鋼筋混凝土上承式肋拱橋具有結(jié)構(gòu)輕盈、造型美觀等特點(diǎn)，在我國應(yīng)用較為廣泛，但是由于拱肋剛度小、橫向聯(lián)系弱等缺陷，肋拱橋拱肋之間的共同作用性能較差，因此正常使用性能和超載能力比一般板拱橋差。雙肋拱橋具有受力明確的特點(diǎn)，當(dāng)橋面較窄時(shí)，一般均選用雙肋拱; 而當(dāng)橋面較寬時(shí)，常選用三肋拱橋。相對于兩肋拱橋，三肋拱橋的空間受力特性明顯、橫向分布特性復(fù)雜，是影響橋梁結(jié)構(gòu)受力和使用的關(guān)鍵問題。由于三肋拱橋的工程應(yīng)用較少，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究相對不足，開展其橫向分布規(guī)律的研究對于相關(guān)橋梁的建設(shè)和管養(yǎng)具有重要意義。

1 肋拱橋橫向分布計(jì)算的基本理論

目前可用于上承式多肋拱橋橫向分布系數(shù)計(jì)算的簡化計(jì)算方法主要有偏心壓力法、彈性支承連續(xù)梁法和推力體系比擬板法，這些方法理論基礎(chǔ)不同、計(jì)算過程各異，分析結(jié)果之間往往有較大差異，給多肋拱橋計(jì)算方法的選擇及工程應(yīng)用帶來較大困擾［1］。以往進(jìn)行肋拱橋結(jié)構(gòu)分析時(shí)多采用平面有限元簡化分析方法，難以準(zhǔn)確反映上承式三肋拱橋的實(shí)際空間效應(yīng)。結(jié)合一座大跨三肋拱橋的荷載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與空間有限元計(jì)算結(jié)果的比較和分析，分析三肋拱橋的實(shí)際橫向分布規(guī)律。

2 實(shí)橋測試與空間計(jì)算結(jié)果的分析

2．1 工程概況

重慶某兩跨三肋鋼筋混凝土上承式拱橋( 見圖1) ，凈跨徑60．0 m，凈矢高10．0 m;橋面橫向布置為0．25( 防撞欄) +12．25( 車行道) +0．25( 防撞欄) =12．75 m。設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-超20，掛120。

2．2 加載試驗(yàn)控制截面

根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取橋跨拱腳、1/4L、1/2L、3/4L 及另一岸拱腳截面作為加載試驗(yàn)內(nèi)力控制截面，截面位置如圖2 所示。

圖2 中K1、K5、K6、K10 為拱腳測試截面，K2、K4、K7、K9 分別為橋跨1/4L、3/4L 測試截面，K3、K8 為拱頂( 1/2L) 測試截面。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

圖2 試驗(yàn)截面布置圖

2．3 加載用車量的確定

以計(jì)算分析的內(nèi)力或變位控制值作為控制值，采用320 kN 級載重車按照內(nèi)力等效的原則，在其影響線上按最不利位置分級布載，使試驗(yàn)荷載效率η 滿足0．8 ＜η ≤1．05 的要求，以此確定最大用車數(shù)和車輛加載的縱向位置［2］

式中，η 為加載效率; Sstate為試驗(yàn)荷載作用下，某工況最大靜力計(jì)算效應(yīng)值; S 為設(shè)計(jì)活載產(chǎn)生的某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)值( 不計(jì)沖擊作用) ; μ 為沖擊系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算分析，試驗(yàn)加載共需4 輛320 kN 級載重汽車。

2．4 車輛橫橋向布置

橫向分布效應(yīng)研究時(shí)分別測試橋梁在正載及偏載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，并據(jù)此進(jìn)行分析［3］。為達(dá)到充分掌握橋梁橫向分布規(guī)律的研究目的，分別進(jìn)行了雙車正載加載、單車偏載加載及雙車偏載加載，加載車輛橫向布置參見圖3 ～圖5。

圖3 正載2 車橫向布置圖(單位:cm)

圖4 偏載1 車橫向布置圖(單位:cm)

(1) 正載工況1 排2 車時(shí)加載車布置見圖3。

(2) 偏載工況( 第一跨偏載工況偏外側(cè))1 排1 車時(shí)加載車布置見圖4。

(3) 偏載工況( 第一跨偏載工況偏外側(cè))1 排2 車時(shí)加載車布置見圖5。

2．5 空間有限元分析模型

為了真實(shí)反映橋梁的空間受力特性，避免平面分析或簡化分析方法帶來的偏差，采用Midas Civil 程序建立了空間有限元分析模型，計(jì)算時(shí)拱上填料荷載作為非均布線性荷載施加于橋面單元上，活載加載時(shí)完全按照汽車在橋面的實(shí)際位置和荷載來施加，分析結(jié)果將能夠真實(shí)反映橋梁的實(shí)際橫向分布特征［4］。有限元幾何模型如圖6 所示。

圖5 偏載2 車橫向布置圖(單位:cm)

圖6 橋梁空間有限元幾何模型

2．6 實(shí)橋測試與空間分析結(jié)果

將本橋控制截面實(shí)測橫向分布系數(shù)［5］( 實(shí)測值) 與空間分析結(jié)果( 理論值) 列表對照如圖7 ～圖14。

2．6．1 1/2L 截面

分析圖7、圖8 的相關(guān)數(shù)據(jù)可見:

圖7 1/2L 截面最大正彎矩正載作用下橫向分布系數(shù)

圖8 1/2L 截面最大正彎矩偏外側(cè)作用下橫向分布系數(shù)

圖9 1/4L 最大負(fù)彎矩正載作用下橫向分布系數(shù)

圖10 1/4L 最大正彎矩偏外側(cè)作用下橫向分布系數(shù)

圖11 拱腳截面最大正彎矩正載作用下橫向分布系數(shù)

圖12 拱腳截面最大正彎矩偏外側(cè)作用下橫向分布系數(shù)

圖13 拱腳截面最大負(fù)彎矩正載作用下橫向分布系數(shù)

圖14 拱腳截面最大負(fù)彎矩偏外側(cè)作用下橫向分布系數(shù)

(1) 正載作用下，橫向分布系數(shù)理論上應(yīng)該是內(nèi)外兩側(cè)肋的橫向分布系數(shù)相同，實(shí)測數(shù)值表明兩邊肋實(shí)際分布系數(shù)與理論值有偏差，絕對偏差約為0．02，考慮到加載及測試難免存在一定偏差，可以認(rèn)為本橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)性能總體上是對稱的［6］。

(2) 正載作用下，中肋的橫向分布系數(shù)實(shí)測值較明顯大于理論值，說明通過橫向聯(lián)系傳給內(nèi)外兩側(cè)肋的力較理論值小，橋梁橫系梁的實(shí)際橫向剛度及協(xié)同受力性能小于理論值。

(3) 偏載( 偏外側(cè)) 作用下，三肋的橫項(xiàng)分布系數(shù)總體趨勢與理論計(jì)算情況相符。但外側(cè)橫向分布系數(shù)實(shí)測值大于理論值，且中肋的分布系數(shù)小于理論值，也說明橫系梁的橫向連接性能小于理論值。

2．6．2 1/4L 截面

分析圖9、圖10 的相關(guān)數(shù)據(jù)可見:

(1) 正載作用下，中肋橫向分布系數(shù)實(shí)測值明顯比理論值要大。說明通過橫向聯(lián)系傳給內(nèi)外兩側(cè)肋的力較理論值小，橋梁橫系梁的實(shí)際橫向剛度及協(xié)同受力性能小于理論值。

(2) 偏載作用下，偏載側(cè)邊肋橫向分布系數(shù)實(shí)測值比理論值大。說明通過橫向聯(lián)系傳給中肋的力較理論值小，橋梁橫系梁的實(shí)際橫向剛度及協(xié)同受力性能較差。

2．6．3 拱腳截面

分析圖11 ～圖14 的相關(guān)數(shù)據(jù)可見:

(1) 正載作用下，中肋實(shí)測值大于理論值。但理論值與實(shí)測值的絕對偏差在5%以下，與理論值總體相符。

(2) 在偏外側(cè)加載作用下，拱腳截面處的橫向分布系數(shù)，外肋實(shí)測值大于理論值。說明靠加載位置越近，橫向分布系數(shù)越大，且最大理論值比實(shí)測值要小。橫向聯(lián)系在實(shí)際中比理論中要弱。

3 結(jié)語

通過大跨三肋拱橋的荷載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與空間有限元計(jì)算結(jié)果的比較和分析發(fā)現(xiàn):

(1) 在正載情況下，實(shí)測三個(gè)拱肋的橫向分布特性基本是對稱的，但中肋的實(shí)測橫向分布系數(shù)明顯較理論值大。

(2) 在偏載情況下，偏載一側(cè)的拱肋實(shí)測橫向分布系數(shù)也較理論值大，遠(yuǎn)離偏載一側(cè)的拱肋橫向分布系數(shù)較理論值小，這些現(xiàn)象表明三肋拱橋的實(shí)際橫向聯(lián)系和橫向剛度較弱，實(shí)橋通過橫向聯(lián)系分配和傳遞橫向荷載的能力較比理論值小。

(3) 橫向分布特性直接影響肋拱橋各肋承受荷載的大小，會(huì)進(jìn)一步影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力和安全，在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)三肋拱橋的橫系梁強(qiáng)度及和拱肋受力的整體性。

［1］顧安邦．橋梁工程( 下) ［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［2］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院．JTG D62—2O04 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］． 北京: 人民交通出版社，2004．

［3］宋建永，張浩陽，張樹仁．公路橋梁荷栽橫向分布系數(shù)簡化計(jì)算［J］．東北公路，2003，26(4) :77-79．

［4］羅文泉，葉霜．模型試驗(yàn)的相似方法［J］．工業(yè)加熱，1999(1) :l7-19．

［5］李松輝，李沖，閏明．在役橋梁實(shí)測荷載橫向分布系數(shù)研究與應(yīng)用［J］．山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(5) :29-34．

［6］安井剛．橋梁荷載橫向分布系數(shù)影響因素分析［J］．交通科技，2010(4) :l3-15．