考虑拱上建筑受力的实腹式石拱桥实测分析

赵 雷

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

石拱桥在我国桥梁建筑史上有着举足轻重的地位，其外形美观、坚固耐用，在我国分布广泛，发挥着重要作用[1]。现代交通流量的增加对道路桥梁提出了较高的要求，随着时间的增加，部分修建年代较早的石拱桥已经进入桥梁安全评估期，因此，作为对桥梁进行性能评估的手段之一，荷载试验日益得到广泛的重视。对于石拱桥来讲，由于在设计阶段可以偏保守地采用不考虑拱上建筑参与受力的方法进行计算，但在检测评定阶段如果仍然不考虑显然是不合适的，所以在检测过程中该如何考虑、以及如何考虑拱上建筑参与受力是目前桥梁检测评价中遇到的难点问题，本文通过一座实腹式石拱桥的荷载试验测试，分析实腹式石拱桥建模计算应考虑的问题，及通过实测数据的分析比较，校核计算模型的合理性，为同类型拱桥的检测评定提供参考。

1 项目概况

该石拱桥位于某二级公路上，计算跨径20.69 m，净矢高6.67 m，拱圈厚度为75 cm，拱顶填料为40 cm，拱圈线形为圆弧拱，桥面宽度为净-11 m+2×0.5 m，设计荷载等级为汽—20，挂车—100。拱圈采用M10水泥砂浆砌MU50块石，拱上侧墙采用M10水泥砂浆砌MU40块石。该桥于1985年建成并投入运营，桥梁总体布置如图1。

2 结构分析与建模方法

图1 桥梁总体布置图

拱上建筑是拱桥的重要组成部分，一方面通过扩散作用分散活载作用面积，又通过与主拱圈的共同作用，增大拱圈的有效受力面积，提高其承载能力与使用性能。为了比较拱上建筑的具体影响大小，本文采用两种方式分别建模计算，模型1仅建裸拱，将拱上建筑仅当作荷载模拟；模型2考虑拱上建筑对拱圈的荷载分散和围压效应，其中拱上建筑用实体单元模拟，为了建模方便，全桥计算时偏安全地将拱上侧墙统一按填料计算[2]，主拱圈用梁单元模拟，并将拱上建筑与主拱圈单元之间用竖向和水平连杆连接。

图2 模型1单元离散图

图3 模型2单元划分示意图

表1 材料参数

3 荷载试验及结果分析

荷载试验就是通过对试验荷载作用下桥梁结构的应变与变形进行测量，从而对桥梁工作状态和工作性能进行检验。本次荷载试验采用等代车辆荷载进行模拟加载，保证实际加载的荷载效率控制在规范规定0.95＜η≤1.05范围内。通过计算，得到桥梁的计算控制应变及挠度见表2。

表2 桥梁各控制断面应变及挠度计算控制值

根据理论计算结果及荷载试验方案进行现场测点布设及加载测试，测点布置见图4，实测结果见表3、表 4。

图4 拱圈跨中截面应变、挠度测点布置图

表3 跨中L/2正弯矩试验工况拱圈应变、挠度测试结果

表4 0号台支点截面负弯矩试验工况拱圈应变测试结果

上表可以看出，模型1的计算结果中无论拱顶位移还是应变均远远大于实测结果，跨中断面和拱脚断面应变的平均校验系数分别为0.29和0.27，挠度的平均校验系数为0.29，明显低于圬工结构的正常校验系数0.6～1.0之间，给人一种该桥无限安全的假象。模型2中由于考虑了拱上建筑参与受力，无论拱圈位移还是应变均小于模型1，跨中断面和拱脚断面应变的平均校验系数分别为0.72和0.68，挠度的平均校验系数为0.70，校验系数均在圬工结构的正常校验系数范围内，表明该模型对拱上建筑的模拟是有效的、合理的。主拱圈在拱上建筑的共同工作下其刚度和稳定性得到了改善，同时承载能力也会相应地提高。

4 结语

按规范推荐的传统实腹式拱桥计算方法（只考虑裸拱），其计算结果对拱桥设计及实际受力来讲是偏于保守的，但对于检测评定来说显然是偏于不利的，也是不准确的，在以后检测同类型桥梁的理论计算中应予以考虑。而实际拱顶侧墙及填料是会约束主拱圈变形产生“围压效应”，与主拱圈共同受力[2]，承担外荷载，其影响值也相对较大，如不加以考虑，将影响测试结果的准确性。