拱桥荷载横向分布方法研究

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1、拱桥荷载横向分布方法研究【摘要】近年来，我国早年修建的拱桥出现了各种不同程度的病害,绝人多数已成为危桥。桥梁工程师们将面临大量桥梁检测工作，以分析这些危桥能否继续运营和是否进行维修加固。因此，拱桥的荷载性能研究成为结构分析的首要任务和准确判断结构强度、刚度的关键。本文结合工程实例，在静载试验基础上，研究双曲拱桥荷载横向分布计算方法，分别采用弹性支撑连续梁法、横向平面杆系冇限元法、修正比拟正交异性板法和空间梁板单元法。分析结果表明，在四种方法中，弹性支撑连续梁法和横向平面杆系有限元法的计算精度较高，

2、计算过程也较为简单，横向平面杆系有限元法在模拟桥梁横向受力状态方面具有突出的优势，值得推广。【关键词】双曲拱桥；横向分布系数；弹性支撑连续梁法中图分类号：U448.22+1文献标识码：A文章编号：1引言双曲拱桥大部分修建于上世纪60、70年代的国省干线。据统计，在双曲拱桥问世后的十年内就建成4000余座，总长约35万余米，占同期全国公路桥梁总延米数的四分之一左右［1］。现冇的双曲拱桥基本上都存在病害，在所有病害桥梁中所占比重很人，达40%左右。危IH桥梁不仅在我国各地区存在，在一些发达国家也严重存

3、在。各种关于旧桥的研究表明［2〜4］,各国都视旧桥为宝贵财富，力图通过维修加固予以充分利用。因为重建新桥不但耗用巨额投资和人力、物力，而且还需要很长时间，严重影响公路的正常运行。针对日前我国基木建设的实际国情，准确鉴定旧桥的承载能力，充分利用现有桥梁，具有十分重要的现实意义。在拱桥的结构分析屮，荷载横向分布系数的计算是准确判断结构强度、刚度的关键。2工程实例嘟噜河大桥位于哈肇公路萝北县境内，桥跨布置为5X30米钢筋混凝土双曲拱桥。该桥竣工于1977年9月，设计荷载汽-15,挂-80级。横截面如图1

4、所示。下部结构采用埋置式桥台，重力式桥墩，沉井基础。桥面净宽7米+2X1米护栏，全桥主体采用钢筋混凝土材料，护坡为石砌。图1嘟噜河桥横截面（单位:mm）该桥存在的主要病害为：桥墩身表面混凝土冇风化现象；拱肋出现混凝土剥落；拱波开裂严重且有大面积渗水现象，拱脚处拱波开裂且有渗水现象，拱波横向联结处多处渗水；腹拱多处出现裂缝，部分贯通到桥面；侧墙在与主拱圈联结处出现裂缝，中部有露筋现象；桥面铺装混凝土有大面积破坏。3横向分布计算方法3.1弹性支撑连续梁法采用弹性支撑连续梁法计算双曲拱桥荷载横向分布时，

5、是将双曲拱桥横桥向比拟为弹性支承连续梁［5、6］。在这种力学模式中，认为每一拱肋间的拱波和拱板为弹性支承在拱肋上并且具有一定刚度的连续横梁，桥梁的荷载横向分布按弹性支承连续梁的形式进行分配。计算横向分布系数关键在于弹簧刚度的确定。H前以来修建的双曲拱桥常以三拱肋到五拱肋的形式出现，而且由于机动车道、非机动车道分道,边拱体系与中拱体系的整体刚度略有不同，故值应分别计算。为了更为准确的分析，可以同时考虑拱肋的抗扭刚度，在横向弹性支撑连续梁模型中将拱肋简化为竖向弹簧和扭转弹簧。建立横向弹性支撑连续梁模型

6、,并计算各肋横向分布影响线。然后采用静载试验加载方案来加载求出在屮载作用下各肋的横向分布系数，计算结果如图2、3所不。图2弹支法横向分布系数图3横向分布系数计算值与试验值之比弹性支撑连续梁法和考虑扭转刚度的弹性支撑连续梁法计算的荷载横向分布系数与静载试验值之比在0.96〜1.02之间，不考虑扭转刚度时的比值在0.97^1.01Z间。静载试验得到的横向分布系数曲线较陡，说明荷载横向分布不均匀，中肋比边肋等于1.32o其次是弹性支撑连续梁法，中肋比边肋等于1.28O考虑扭转刚度的弹性支撑连续梁法计算的

7、荷载横向分布系数曲线和前两项相比最为平缓，中肋比边肋等于1・24。说明考虑扭转刚度之后，荷载沿横向分布更加均匀。3.2横向平面杆系有限元法横向平面杆系有限元法认为横向结构横隔板（横隔梁）、拱波和拱板弹性支撑在拱肋上。计算方法为将拱肋模拟为竖向弹簧和扭转弹簧，然后建立横向结构的实际模型弹性支撑在拱肋上，如图4所示。图4双曲拱桥横向平面有限元模型根据受力特点，拱板与拱肋节点的连接以刚臂来模拟。并考虑拱波的纵向裂缝，在MIDAS中以释放梁端约束来处理。计算结果如图5、6所示。横向平面杆系冇限元法的计算步

8、骤如下：（1）在裸拱拱肋需要求横向分布系数的位置施加单位力和单位扭矩,求解在单位力和单位扭矩作用下的位移和转角，取其倒数得到竖向弹簧刚度和扭转弹簧刚度；（2）取纵向每延米建立双曲拱桥的横向模型，横隔梁或者横隔板的截面几何特性为实际截面特性除以横梁间距；（3）计算横向分布影响线，得到横向分布系数。图5横向平面杆系有限元法横向分布系数图6横向分布系数计算值与试验值之比考虑不同因素的横向平面杆系有限元法计算的荷载横向分布系数均与静载试验值接近，其比值在0・99、l・03Z间。其中，考虑竖