懸鏈線拱橋承載力試驗研究與力學性能有限元分析

張志堅

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懸鏈線拱橋承載力試驗研究與力學性能有限元分析

張志堅

（中鐵五局集團成都工程有限責任公司，成都 610000）

本文以懸鏈線拱橋婁底市沙江橋為研究對象，通過MIDAS CIVIL計算軟件建立拱橋的有限元計算模型，對服役后的石砌橋的撓度和應變進行仿真模擬，并結合多工況條件下的現場靜載試驗，研究其現階段的實際承載能力．試驗結果和理論分析表明，沙江橋在各種不利荷載作用下各關鍵部位都沒有出現拉應力，且不存在明顯的應力集中現象，實測應變與計算結果吻合比較好，拱腳處最大沉降量為0.002 mm，最大實測水平位移為0.152 mm，均不影響該橋的正常使用；拱頂關鍵控制截面承載力均大于相應荷載組合下的最不利內力值，在公路-Ⅱ級荷載下的承載能力均能滿足要求．本文計算方法和有限元計算模型可較為準確地計算懸鏈線拱橋承載能力，計算數據可為懸鏈線拱橋的數值仿真計算提供參考，計算結果可彌補試驗數據不足等．

懸鏈線拱橋；MAIDS CIVIL；靜載試驗；承載力；婁底市沙江橋

拱橋是我國使用最廣泛的橋型之一，在橋梁發展史上具有重要的地位．拱橋結構具有適合承壓，跨越能力強，空間利用率高，耐久性好，外觀流暢和取材簡便等特點．懸鏈線拱橋由于受力均勻、彎矩較小、節省材料而成為拱形結構的典型代表，但由于拱橋極限承載力理論分析的復雜性及存在的困難，如何定量地分析非線性因素對拱橋結構極限承載力的影響，至今未得到很好的解決[1]．因此，如何科學評價在役懸鏈線拱橋的承載能力，對于確保拱橋的運營安全和后期的維修加固具有較大的理論意義和工程指導價值．

本文依托婁底市沙江橋工程，應用結構分析軟件MIDAS CIVIL建立懸鏈線拱橋結構計算模型，模擬分析了懸鏈線拱橋的受力行為，結合荷載試驗結果，對比分析懸鏈線主拱圈處控制截面的撓度、應變是否滿足相應的規范允許值要求，進而評估現役橋梁結構的承載能力[2-5]．

1 工程概況

沙江橋位于婁底市新化縣境內S225線上，橋梁全長33.6 m，橋面寬度6.6 m．上部結構為2×10.7 m+1×11.4 m的實腹式等截面懸鏈線石砌板拱，拱圈厚度為50 cm，拱上側墻采用石砌體，上填輕質細料，做油氈防水層，瀝青混凝土路面，下部為漿砌片石U型橋臺、圬工重力式橋墩，不通航．設計荷載為汽-15、掛-80；抗震烈度為7度，不設防；洪水頻率1/50．橋型布置及結構尺寸見圖1．

圖1 沙江橋立面圖

2 荷載試驗方案

綜合考慮沙江橋跨徑及現場試驗條件，本試驗采用2輛23 t的汽車進行加載，選取中跨、北邊跨分別進行靜載試驗，分5種最不利荷載工況，工況1：邊跨正載；工況2：東拱腳正載；工況3：中跨正載；工況4：邊跨偏載；工況5：中跨偏載．見圖2~圖4．加載方式為單次逐級遞加到最大荷載，然后逐級卸到0荷載．現場試驗的撓度選取試驗跨的跨中和1/4位置分別布置2個撓度測點作為撓度的關鍵控制截面，同時在北邊跨拱腳處布置分別測定拱腳水平位移和豎向沉降的測點，其布置如圖5所示，然后采用高精度水準儀及千分表同步觀測各關鍵測點的撓度．現場試驗應變

圖2 工況1、3加載圖

圖3 工況2加載

圖4 工況4、5加載圖

選取試驗跨主拱圈的跨中截面、1/4截面和拱腳截面各布置2個縱向應變測點，每跨靠近跨中截面的位置上布置1個橫向應變測點，然后采用振弦式應變計采集各控制截面的應變數據，其布置如圖6所示．

圖5 撓度測點布置圖

圖6 應變測點布置圖

3 力學性能分析

為彌補靜載試驗試驗點有限的缺陷，科學地評價懸鏈線拱橋在5種最不利荷載工況下控制截面的撓度和變形是否滿足規范要求，采用有限元MIDAS軟件對拱橋建立整體分析模型，采用2節點空間梁單元對其進行離散，總共被劃分為410個梁單元，412個節點，拱橋主體兩端按固接處理，其空間有限元計算模型按常溫考慮，忽略溫度的影響，如圖7所示．

圖7 有限元計算模型

3.1 拱圈豎向剛度驗算

各種最不利荷載工況的豎向位移如圖8~圖12所示．

圖8 邊跨正載計算撓度圖

圖9 拱腳正載計算撓度圖

圖10 中跨正載計算撓度圖

圖11 邊跨偏載計算撓度圖

圖12 中跨偏載計算撓度圖

各工況下相應控制截面的撓度實測值與計算值見表1．

表1 沙江橋靜載試驗撓度 mm

由表1可知：

(1)實測撓度與理論結果吻合較好，說明本次試驗的有效性；

(2)各工況卸載后的殘余撓度較小，表明該橋具有較好的變形恢復能力，且處于良好彈性狀態．

(3)控制截面的理論撓度略大于實測撓度值，且荷載作用在一個橋跨范圍內的最大正負撓度的絕對值之和小于文獻[4]允許撓度/1 000(10 mm)，表明該橋具有足夠的抗彎剛度．

3.2 拱圈內力驗算

各種最不利荷載工況的應力云圖見圖13～圖17．

各工況下相應控制截面的應變實測值與計算值見表2．

圖13 邊跨中正載應力云圖

圖14 拱腳正載應力云圖

圖15 中跨中正載應力云圖

圖16 邊跨中偏載應力云圖

圖17 中跨中偏載計算撓度圖

表2 沙江橋靜載試驗應變 mm

由表2可知各種不利荷載作用下各關鍵部位都沒有出現拉應力，且不存在明顯的應力集中現象，實測應變與計算結果吻合比較好，理論上滿足現有荷載作用下的承載能力要求．

3.3 拱圈承載力驗算

(2)根據文獻[3]第4.1.6條來進行承載能力極限狀態下的荷載組合(考慮荷載的提高系數)．

(3)根據文獻[3]第4.1.7條來進行正常使用極限狀態下的荷載組合．

(4)內力計算根據文獻[7]公式4.0.8-1選取各個系數．

(5)組合Ⅰ為：1.2恒載+1.4汽車．

(6)組合Ⅱ為：1.2恒載+1.4汽車+0.784溫度(升溫20°)．

(7)組合Ⅲ為：1.2恒載+1.4汽車+0.784溫度(降溫20°)．

(8)溫度組合系數0.784=1.4(第個可變作用分項系數)×0.8(除汽車荷載外尚有一種可變荷載的組合系數)×0.7(拱橋溫度作用折減系數)．

(9)當采用汽車荷載計算拱的正彎矩時，拱頂截面乘以0.7的折減系數，拱腳截面乘以0.9的折減系數．

表3 主拱圈拱頂截面承載力驗算結果

4 結語

基于靜載試驗和MIDAS CIVIL分析結果可知，沙江橋在各種不利荷載作用下各關鍵部位都沒有出現拉應力，且不存在明顯的應力集中現象，表明該拱橋設計合理，實測應變與計算結果吻合比較好；拱腳處最大沉降量為0.002 mm，最大實測水平位移為0.152 mm，不影響該橋的正常使用．

試驗結果和理論分析表明，本文計算方法和有限元計算模型可較為準確地計算懸鏈線拱橋承載能力，其計算數據可為懸鏈線拱橋的數值仿真計算提供參考，其計算結果可彌補試驗數據不足的相關問題．

[1]程進, 江見鯨. 拱橋結構極限承載力的研究現狀與發展[J]. 公路交通科技, 2002(4): 57-59.

[2]薛凱. 雙曲拱橋空間計算模型研究[D]. 重慶: 重慶交通大學, 2009.

[3]JTG D60-2004, 公路橋涵設計通用規范[S].

[4]公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[S].

[5]戴兵, 呂毅剛. 大跨徑連續剛構橋靜載試驗研究及仿真分析[J]. 公路與汽運, 2010(5): 136-142.

[6]JTG/T J21-2011, 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[7]JTG D61-2005, 公路圬工橋涵設計規范[S].

(責任編校：陳健瓊)

Research and Analysis on Catenary Arch Bridge Bearing Capacity Test and Mechanical Properties of the Finite Element

ZHANG Zhijian

（Chengdu Branch of China Railway No.5 Engineering Group Co., LTD, Chengdu, Sichuan 610000, China ）

Taking Shajiang Bridge, a catenary arch bridge in Loudi as the research object, the finite element model of arch bridge through MIDAS CIVIL calculation software is established. Combining with multi operating condition static load test, the deflection and strainof stone bridge in use is simulated to study actual bearing capacity at present. Test results and theoretical analysis show that tensile stress does not appear in the key parts of Shajiang Bridge under adverse load, and there is no obvious stress concentration phenomenon. Measured strainis corresponding to the calculation results.The largest settling volume at the arch foot is 0.002 mm, the largest the measured horizontal displacement 0.152 mm, which do not affect the normal use of the bridge;Vault control section bearing capacity is greater than the corresponding load under the most unfavorable internal force value, which can satisfy the requirements of the highway load bearing capacitylevelⅡ. The calculation method and finite element calculation model can calculatethe catenary arch bridge bearing capacitymore accurately. The calculation data of catenary arch bridge can offer reference to the numerical simulation calculation. The calculation results can make up the lack of experimental data.

catenary arch bridge; MAIDS CIVIL; static load test; bearing capacity; Shajiang Bridge, Loudi

U445.6

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0006

1672–7304(2017)04–0026–07

2017-02-10

張志堅（1976-），男，湖南瀏陽人，工程師，主要從事交通土建工程研究．E-mail: 244949212@qq.com