大跨度剛架拱橋的荷載橫向分布研究

摘要: 從建筑學角度來看，橫向連接的剛度與分布的作用存在著正比的關系，連接剛度大，橫向分布作用就更加明顯。筆者對剛架拱橋實施靜載試驗，弄清拱橋的荷載橫向分布系數，將得出的結果整理好后用ANSYS的三種有限元模型做進一步研究，探討大跨度剛架拱橋橫向分布的最佳計算方法。

關鍵詞: 鋼架拱橋;荷載;橫向分布

“超載現象”一直是我過拱橋建筑普遍存在的問題，這帶來的直接影響是導致裂縫出現，如果拱橋斜腿與橋面相交處出現裂縫，其后果更加嚴重。為了準確地判定拱橋的靜載荷能力，筆者通過實驗后進行了詳細地分析。

一、拱橋荷載的計算方法

拱橋的荷載能力反映了拱橋的實際運用情況，熟練掌握拱橋荷載的計算方法可以及時的了解拱橋的實際情況，做好日常維修養護工作。拱橋荷載的計算方法包括了:彈性支承連續梁法、偏心壓力法、推力體系比擬板法、模擬計算。

1、彈性支承連續梁法。運用彈性支承連續梁法的前提是要了解鋼架拱橋的構造、性能、自身的特點及受理情況，這樣進行荷載計算時就可以把拱橋的橫橋向轉化成彈性支承連續梁進行思考，如下圖所示:

2、偏心壓力法。又稱剛性橫梁法，是在橫隔梁為無限剛性這一假設的情況下進行計算的，這一方法的計算結果需要進行進一步的驗證。

3、推力體系比擬板法。即拱橋的拱體結構可以沿著拱橋軸線方向進行轉變，最終變為截面的板體。如果使用著中國方法計算的荷載橫向分布系數，需要將縱向位移帶來的影響考慮在內。

4、ANSYS軟件模擬計算。需要建立有限元模型，并且包含一個假定過程，其具體內容有拱橋結構、截面變形、靜載作用、實腹段、弦桿、剛度等等。

二、各類建模與實驗的比較

本次計算研究筆者采用的是ANSYS有限元軟件三種建模方式，先將相關建模方式所處詳細地闡述和比較。

1、荷載建模

模型一，只考慮由拱腿，不考慮橋面板和橋面鋪裝。計算過程中整個拱橋都運用BEAM4單元來模擬，包括了拱橋的剛度和結構都考慮在內。其步驟是，先將作用在橋面上的汽車荷載換算成等效的荷載施加到拱肋上，然后建立圖平面桿系模型，計算出相應的單位力作用。

模型二，由拱腿組成的空間桿系模型。同樣使用BEAM4單元進行模擬，此類模擬的重點對象是橫橋向的剛度，拱橋的橋面板是沿橋面橫向傳遞力的一種拱橋面板和單向板的車輛荷載在橋面上的位置則要根據其際作用的大小而定，這樣和理的安排才會起到作用。

模型三，用BEAM4單元模擬拱腿組成的空間桿系模型。這種模擬方法的對象是拱橋的橋面板，借助于殼單元SHELL63進行仿真模擬。這一過程不需要顧及到橋面鋪裝，這事因為它對荷載橫向分布不會造成影響。

通過以上三種模型進行計算后發現，三種模型的實驗計算結果相差不大，都能比較準確地計算出剛架拱橋的影響線系數，將拱橋的荷栽橫向分布系數誤差控制到很小

2、荷載試驗

(1)試驗內容。依照建筑行業的相關規定以及我國交通部門的試行規定，加上拱橋的自身特點進行科學的荷載實驗。本次試驗筆者的主要對象是靜載荷試驗，測試的主要對象包括:跨中截面，即斜腿與跨中之間中點的截面;腳截面，即斜腿支座附近截面等位置的應變值。試驗中，中跨中截面和拱腳截面的測點布置如下圖所示:

(2)試驗結果。根據被測試的4輛車最終測出的應變值情況可以得到正應變，接著按照應變積計算出該截面的彎矩，再根據彎矩計算出線系數，最終得到的拱橋荷載的橫向分布系數。表3為各種方法算出的在跨中截面位置的荷載橫向分布系數與試驗測試結果。根據上述計算步驟，筆者首先測試出應變數據的詳細數值，再求解出彎矩，最后得到了表3中的一組數據，并進行了詳細地比較。

通過觀察表3中的數據不難看出，試驗結果與跨中截面使用有限元模型和用推力體系比擬板法的計算結果還是比較接近的。

3、試驗建議

工程技術人員和檢測人員在進行剛架拱橋荷載橫向分布的相關計算時，一般情況都將出現塑性鉸這一現象排除在外，這主要是因為在使用彈性支承連續梁進行計算時都會過高地估計了橋面板的連續性，排除出現塑性鉸就是為了彌補這一不足。另外，在實際的試驗計算中要想做到偏心壓力法事十分困難的，這事因為需要假定橫隔梁無限剛性，這個是無法實現的。筆者建議在計算過程中采取推力體系比擬板法，因為這種方法中限元模型把整體作用考慮在內，因而最終的計算數據結果與實際情況比較相似。

三、大跨度空間結構相關技術

目前在大跨度空間結構中，常用的計算機高架拱橋施工技術有GPS定位技術、結構仿真技術、虛擬現實技術。

1、整體提升法。將網架或桁架在地面拼裝好后利用整體提升法將起重設備在網架活桁架上面，通過吊桿活鋼絞線與網架活桁架的支座相連逐步升到設計標志。提升點設在網架或桁架附近，提升設備可用千斤頂。

2、高空散裝法。將網架的全部桿件和節點逐一提升到高空后一次性拼裝完成，此種方法只需要搭建大量的支架。還可以將預先在地面上將網架制作成椎體活平面桁架形式的小拼單元并組成一個穩定系統，最后將小拼單元按規定的順序逐漸延伸后拼成整體。

3、高空滑移法。將平面單元分為條段的結構單元后在滑軌上滑移到設計位置，最后拼接成整體的安裝方法。在第一個拼裝單元拼裝完畢后，將其下落至滑移軌道上，與牽引設備向前滑移一段距離。再安裝第二個單元，拼好后連同之前的拼裝單元一起向前滑移。

4、分塊安裝法。在單元連接處設量一些支架，把網架從平面分割成幾個條狀或塊狀單元，每個單元先在地上拼裝好后用起重機吊到高空就位連成整體。這種施工方法需要很大的起重設備，起重設備的能力決定了條狀的大小，適用于網架跨度、剛度、受力改變較小的鋼架。

綜上所述，要想弄清楚大跨度剛架拱橋的荷載橫向分布情況，需要進行多方面的計算和總結，在計算過程中技術人員應該根據拱橋的實際情況展開工作，這樣才能保證最終的結果具有較高的準確性。

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