双曲拱桥梁格分析建模方法研究

刘 杨

（朔州路桥建设有限责任公司，山西 朔州 036002）

0 引言

双曲拱桥是由我国桥梁工程专家于1964年最先提出的，由于其化整为零的安装理念，在当时起重设备落后、材料紧缺、大体积、高强度混凝土施工水平不高的时代，对桥梁建设起到了重要的推动作用，也曾经得到大规模的推广应用。然而这种集零为整的施工方法，也带来了桥梁整体刚度差等问题，以往的平面杆系、空间梁板体系法均无法模拟横桥向各片拱肋的荷载横向分布情况，也不能有效模拟其各构件之间受力的差异性，板壳元法和实体元法模型复杂，数据处理繁琐，且不能准确反映各片拱肋截面弯矩这种宏观的受力指标。本文根据梁格法基本原理，对该桥在各工况的受力状态进行了详细分析[1]。

1 工程概况

某双曲拱桥共5跨。桥梁上部结构：上承空腹式双曲拱桥，每跨横桥向布置6片拱肋，拱肋之间采用横系梁连接。拱上建筑：靠近拱脚处每跨采用3孔腹拱，腹拱拱脚处采用整体式立墙，主拱圈跨中区段采用实腹段。桥梁下部结构为重力式墩台，扩大基础。桥面宽度为：净-9 m（行车道）+2×1.5 m（人行道）+2×0.2 m（护栏）。该桥始建于1991年，桥梁设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100。该桥目前主要存在的病害有：

a）部分拱肋跨中区段下缘有横向裂缝，部分拱肋局部有掉块露筋现象。

b）部分拱波有渗水、白华，拱波开裂较为严重，部分拱波裂缝的最大宽度达1 mm，已经超过规范允许值范围。

c）横系梁局部有露筋现象，部分横系梁处有渗水、白华。

d）大部分腹拱有横桥向裂缝，且裂缝宽度最大值达1 mm，超过规范允许值范围，部分腹拱渗水和白华。

图1 桥跨结构图

图2 梁肋分布图

2 梁格法分析的基本原理

梁格法是根据等效刚度的原则将桥梁结构等效成由拱波和拱肋组成的格构单元，采用空间梁单元进行模拟。在相同荷载作用下，等效结构与原结构变形相等，且在任一梁格内的弯矩、剪力和扭矩应等于该梁格所代表的实际结构部分的单元内力。但是由于实际结构和“等效体系”有着不同的结构特性，上述“等效”的理想状况一般难以完全达到，只能近似模拟，因此如何“等效”成为梁格法实际应用的关键。

3 梁格截面特性计算及计算模型[2]

a）纵向构件抗弯刚度：

b）纵向格构抗剪刚度：

c）纵向格构抗扭刚度：

d）若梁格无横隔板，横向梁格刚度：

e）若梁格有横隔板，且间距不大时横向刚度：

f）若梁格有横隔板，且间距较大时，T梁截面中翼缘取有效跨径的 1/12，按式（6）、式（7）计算。

如果结构的纵、横向构件截面特性差异较大，应合理划分格构单元，确保等效后结构的传力路径、作用方式及相对刚度不变[3]。

g）结构离散模型，见图3。

图3 全桥结构离散图

4 试验结果分析

4.1 纵向挠度试验分析结果

图4 程序一荷载作用下桥梁纵向挠度曲线图

图5 程序二荷载作用下桥梁纵向挠度曲线图

图6 程序三荷载作用下桥梁纵向挠度曲线图

图7 程序四荷载作用下桥梁纵向挠度曲线图

4.2 横向挠度试验分析结果

图8 程序三荷载作用下第四跨L/2断面横向挠度曲线图

图9 程序四荷载作用下第三跨L/2断面横向挠度曲线图

5 结论

采用梁格法分析双曲拱桥时，主梁各控制截面内力及位移在各种工况作用下，其实测值与理论计算值受力规律基本一致。同时，由于该桥运营时间较长，跨中区段主拱肋开裂较为严重，主梁实测挠度均大于理论计算值，校验系数在1.11～1.74之间，表明该桥整体刚度较差，不能满足试验荷载等级的要求。