在役小跨径实腹式圬工拱桥承载力研究和探究

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1、在役小跨径实腹式圬工拱桥承载力研究和探究　　摘要：以西部某小跨径实腹式圬工拱桥为例，分析该类拱桥的承载力计算方法，对拱上填料的模拟及其作用的模拟方法进行探索。通过有限元电算分析得出了该类小跨径拱桥的填料作为一种恒载来计算是安全的，同时拱上填料和拱圈的共同作用对拱桥的受力和稳定性均是有利的。关键词：小跨径圬工拱桥承载力拱上填料中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：1引言本文结合西部某在役小跨径实腹式圬工拱桥，采用两种分析方法，对比该桥的实测资料，在理论上给出一种安全、简单、有效的承载力验算方法。2桥梁概况西部某三跨实腹式圬工拱桥，通过现场外观检查和测量，该桥没有

2、明显病害。通过实测得知该桥净跨径,计算跨径，主拱宽，拱顶填料厚，拱脚填料厚。3有限元模型该拱桥由拱圈、侧墙和拱背填料组成，其中拱背填料大多为粘土和碎石的混合物。本次有限元结构计算采用某有限元结构分析程序，结构计算参数如下：63.1材料参数选取和验算荷载拱圈、桥台和桥墩均采用混凝土，根据回弹仪实测结果采用调整的C20混凝土，拱背填料为土填料，材料指标具体如下：混凝土弹性模量为3.0×104MPa，容重为25kN·m-3；填料弹性模量为2.0×103MPa，容重为25kN·m-3，泊松比均为0.3。根据该桥现在的使用情况，按文献[4]的公路二级标准汽车荷载加载，不考虑车

3、辆冲击系数，也不考虑偏载系数。验算荷载组合直接取用桥梁自重和标准车辆荷载组合，组合系数均为。3.2具体建模方法主拱圈采用圆弧线，由实测资料计算得出该圆弧线半径为5.9m，拱圈尺寸由实测资料为10片80cm×20cm的拱肋组成。6这里按是否考虑拱上填料和拱圈的联合作用，将大致建立两种模型。一种按不考虑拱上填料与拱圈的联合作用，一种考虑其对结构的影响。其中拱上填料的模拟方法又有难易之分，这里按拱上填料的模拟方法的不同，在以上两种方法的基础上分别建立模型。模型1：忽略拱背填料作用，只考虑填料自重及传递活载的作用，将填料直接用荷载方式作用于拱圈上，填料的传递活载作用可用立柱

4、来模拟；模型2：仍然忽略拱背填料作用，但将填料用板单元来模拟，主拱圈和拱上填料用竖向只受压连杆连接;模型3：考虑拱上填料和拱圈的联合作用，且考虑填料自重及传递活载作用，还将考虑填料对主拱圈的荷载分散及围压作用，填料仍用板单元来模拟，主拱圈和拱上填料用竖向连杆和水平方向连杆连接。本次结构分析采用某有限元分析程序进行，分析中主拱圈采用梁单元模拟；填料在模型1中不模拟，在模型2和模型3中用板单元模拟；桥台和桥墩均采用板单元模拟；模型1中模拟填料传递活载作用的立柱以及各模型中的桥面系均采用虚拟梁单元。计算荷载包括主拱圈自重及标准车辆荷载。车辆荷载按影响线最不利自动加载，不考

5、虑冲击系数和偏载系数。各模型计算时的约束条件为：桥墩和桥台为固结约束，填料接路线处为横向变形约束。4结果对比分析现在分别就模型1、模型2和模型3的变形及内力计算结果进行对比分析。4.1主拱位移计算结果分析6在自重及标准汽车荷载作用下（主拱位移计算按拱顶最不利位置加载），拱圈变形主要表现在拱顶下挠和L/4处有外凸。三种模型在同一位置加载时的拱顶下挠最大值和L/4处的水平外凸最大值：自重作用下，模型1为0.853mm和0.022mm，模型2为0.854mm和0.022mm，模型3为0.792mm和0.021mm；汽车荷载作用下，模型1为0.362mm和0.022mm，模

6、型2为0.362mm和0.021mm，模型3为0.313mm和0.042mm。通过主拱位移对比分析，我们可知，在小跨径圬工拱桥中，填料可以作为恒荷载直接加载在主拱圈上；在精细化考虑填料时，填料在圬工拱桥的受力中是有利的，特别是在不均匀荷载作用下其作用较为明显，可以预测在较大跨径圬工拱桥中，填料的作用是一定要考虑的。4.2主拱单元内力计算结果分析由有限元计算得出控制截面内力,验算拱顶、L/4、拱脚三个截面位置的强度，其中模型1的弯矩和轴力为：25.2kN·m-1、68kN·m-1、-72.3kN·m-1、247.3kN、754kN、1341.2kN；模型2为：25.0

7、kN·m-1、67kN·m-1、-71.8kN·m-1、246.2kN、750kN、1321kN；模型3为：10.4kN·m-1、23kN·m-1、-21.4kN·m-1、358.4kN、1824.2kN、1211.4kN。并按照文献[4]对控制截面进行强度验算。通过比较，该桥主拱承载力在计算上满足文献[4]的承载能力极限状态要求。6从结果可以看出，小跨径圬工拱桥拱上填料的模拟方式有多种，模型1中仅模拟了拱上填料传递荷载的作用，在计算上是偏安全的；模型2和模型3精确的模拟了拱上填料，模型3还充分考虑了填料和拱圈的联合作用，其计算结果较为精确，但对于旧有圬工拱桥的