在役小跨徑實腹式圬工拱橋承載力分析與研究

1、<p>　　在役小跨徑實腹式圬工拱橋承載力分析與研究</p><p>　　摘要：以西部某小跨徑實腹式圬工拱橋為例，分析該類拱橋的承載力計算方法，對拱上填料的模擬及其作用的模擬方法進(jìn)行探索。通過有限元電算分析得出了該類小跨徑拱橋的填料作為一種恒載來計算是安全的，同時拱上填料和拱圈的共同作用對拱橋的受力和穩(wěn)定性均是有利的。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：小跨徑圬工拱橋承載力拱上填料

2、</p><p>　　中圖分類號：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　本文結(jié)合西部某在役小跨徑實腹式圬工拱橋，采用兩種分析方法，對比該橋的實測資料，在理論上給出一種安全、簡單、有效的承載力驗算方法。 </p><p><b>　　2 橋梁概

3、況 </b></p><p>　　西部某三跨實腹式圬工拱橋，通過現(xiàn)場外觀檢查和測量，該橋沒有明顯病害。通過實測得知該橋凈跨徑,計算跨徑，主拱寬，拱頂填料厚，拱腳填料厚。 </p><p><b>　　3 有限元模型 </b></p><p>　　該拱橋由拱圈、側(cè)墻和拱背填料組成，其中拱背填料大多為粘土和碎石的混合物。本次有限元結(jié)構(gòu)計

4、算采用某有限元結(jié)構(gòu)分析程序，結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如下： </p><p>　　3.1 材料參數(shù)選取和驗算荷載 </p><p>　　拱圈、橋臺和橋墩均采用混凝土，根據(jù)回彈儀實測結(jié)果采用調(diào)整的C20混凝土，拱背填料為土填料，材料指標(biāo)具體如下：混凝土彈性模量為3.0×104MPa，容重為25kN·m-3；填料彈性模量為2.0×103 MPa，容重為25kN·m-

5、3，泊松比均為0.3。 </p><p>　　根據(jù)該橋現(xiàn)在的使用情況，按文獻(xiàn)[4]的公路二級標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載加載，不考慮車輛沖擊系數(shù)，也不考慮偏載系數(shù)。驗算荷載組合直接取用橋梁自重和標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載組合，組合系數(shù)均為。 </p><p>　　3.2 具體建模方法 </p><p>　　主拱圈采用圓弧線，由實測資料計算得出該圓弧線半徑為5.9m，拱圈尺寸由實測資料為10片80

6、cm×20cm的拱肋組成。 </p><p>　　這里按是否考慮拱上填料和拱圈的聯(lián)合作用，將大致建立兩種模型。一種按不考慮拱上填料與拱圈的聯(lián)合作用，一種考慮其對結(jié)構(gòu)的影響。其中拱上填料的模擬方法又有難易之分，這里按拱上填料的模擬方法的不同，在以上兩種方法的基礎(chǔ)上分別建立模型。模型1：忽略拱背填料作用，只考慮填料自重及傳遞活載的作用，將填料直接用荷載方式作用于拱圈上，填料的傳遞活載作用可用立柱來模擬；模型

7、2：仍然忽略拱背填料作用，但將填料用板單元來模擬，主拱圈和拱上填料用豎向只受壓連桿連接;模型3：考慮拱上填料和拱圈的聯(lián)合作用，且考慮填料自重及傳遞活載作用，還將考慮填料對主拱圈的荷載分散及圍壓作用，填料仍用板單元來模擬，主拱圈和拱上填料用豎向連桿和水平方向連桿連接。 </p><p>　　本次結(jié)構(gòu)分析采用某有限元分析程序進(jìn)行，分析中主拱圈采用梁單元模擬；填料在模型1中不模擬，在模型2和模型3中用板單元模擬；橋臺和

8、橋墩均采用板單元模擬；模型1中模擬填料傳遞活載作用的立柱以及各模型中的橋面系均采用虛擬梁單元。 </p><p>　　計算荷載包括主拱圈自重及標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載。車輛荷載按影響線最不利自動加載，不考慮沖擊系數(shù)和偏載系數(shù)。各模型計算時的約束條件為：橋墩和橋臺為固結(jié)約束，填料接路線處為橫向變形約束。 </p><p><b>　　4 結(jié)果對比分析 </b></p>

9、<p>　　現(xiàn)在分別就模型1、模型2和模型3的變形及內(nèi)力計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。 </p><p>　　4.1 主拱位移計算結(jié)果分析 </p><p>　　在自重及標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下（主拱位移計算按拱頂最不利位置加載），拱圈變形主要表現(xiàn)在拱頂下?lián)虾蚅/4處有外凸。三種模型在同一位置加載時的拱頂下?lián)献畲笾岛蚅/4處的水平外凸最大值：自重作用下，模型1為0.853mm和0.022mm

10、，模型2為0.854mm和0.022mm，模型3為0.792mm和0.021mm；汽車荷載作用下，模型1為0.362mm和0.022mm，模型2為0.362mm和0.021mm，模型3為0.313mm和0.042mm。 </p><p>　　通過主拱位移對比分析，我們可知，在小跨徑圬工拱橋中，填料可以作為恒荷載直接加載在主拱圈上；在精細(xì)化考慮填料時，填料在圬工拱橋的受力中是有利的，特別是在不均勻荷載作用下其作用較

11、為明顯，可以預(yù)測在較大跨徑圬工拱橋中，填料的作用是一定要考慮的。 </p><p>　　4.2 主拱單元內(nèi)力計算結(jié)果分析 </p><p>　　由有限元計算得出控制截面內(nèi)力,驗算拱頂、L/4、拱腳三個截面位置的強(qiáng)度，其中模型1的彎矩和軸力為：25.2 kN·m-1、68 kN·m-1、-72.3 kN·m-1、247.3 kN、754 kN、1341.2 kN

12、；模型2為：25.0 kN·m-1、67 kN·m-1、-71.8 kN·m-1、246.2 kN、750 kN、1321 kN；模型3為：10.4 kN·m-1、23 kN·m-1、-21.4 kN·m-1、358.4 kN、1824.2 kN、1211.4 kN。并按照文獻(xiàn)[4]對控制截面進(jìn)行強(qiáng)度驗算。通過比較，該橋主拱承載力在計算上滿足文獻(xiàn)[4]的承載能力極限狀態(tài)要求。

13、</p><p>　　從結(jié)果可以看出，小跨徑圬工拱橋拱上填料的模擬方式有多種，模型1中僅模擬了拱上填料傳遞荷載的作用，在計算上是偏安全的；模型2和模型3精確的模擬了拱上填料，模型3還充分考慮了填料和拱圈的聯(lián)合作用，其計算結(jié)果較為精確，但對于舊有圬工拱橋的承載力分析過于復(fù)雜。通過比較模型2和模型3的結(jié)果，我們可以得到，填料和拱圈的聯(lián)合作用，使得主拱內(nèi)力值分布更為均勻，這是因為填料有效約束了主拱向填料方向的變形。另外

14、，模型3的拱頂軸力明顯大于模型2，但彎矩小于模型2，同時模型3的軸力分布更為均勻。 </p><p><b>　　結(jié)語 </b></p><p>　　1）小跨徑圬工拱橋的拱上填料可以作為一種恒荷載直接加載在主拱圈上，這在計算上是偏安全的，此種分析方法為工程技術(shù)人員提供了一個簡單有效的途徑。但是對于較大跨徑的圬工拱橋此種方法會存在一定誤差。 </p>&l

15、t;p>　　2) 實腹式圬工拱橋的拱上填料可以改善主拱圈的受力，其不僅起到傳遞橋面荷載的作用，還可以分散荷載，對實腹式拱橋的承載力和穩(wěn)定性有較為有力的影響。 </p><p>　　3）現(xiàn)有的小跨徑實腹式圬工拱橋一般都具有一定的潛在承載力儲備，所以在舊橋的使用和改造時可以利用本文的方法來驗算。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p>

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