大跨連續(xù)梁拱組合橋梁拱分擔(dān)比例實(shí)驗(yàn)探究

夏文傳 任利鋒2 周智宏2

（1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.華邦建投集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

一、實(shí)驗(yàn)概況

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

某黃河大橋跨徑為80m+150m+80m，矢跨比1/5，主梁采用單箱三室。有機(jī)玻璃模型以該橋?yàn)楸尘埃Ｐ腿L440.8cm，主梁跨徑為214.3cm，邊跨跨徑采用113.6cm，截面形式采用單箱三室直腹板截面，如圖1所示；模型中采用21組吊桿，吊桿采用鋼絲，順橋向間距85.7mm，橋面橫橋向間距287mm，如圖2所示。為研究矢跨比、梁拱剛度比，共制作7個(gè)有機(jī)玻璃模型，如表1所示。分別對每一模型采用1kg、3kg和5kg的力進(jìn)行索力張拉，共組合成21個(gè)模型。

圖1 有機(jī)玻璃模型(單位：cm)

圖2 矢跨比1/4.5，剛度比41.2的有機(jī)玻璃拱肋截面(單位：cm)

（二）測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)過程中位移測量截面有邊跨支座、兩個(gè)中跨支座、邊跨跨中、中跨1/4、中跨跨中、1/4拱肋和1/2拱肋共8個(gè)截面，每個(gè)截面2個(gè)測點(diǎn)共16個(gè)點(diǎn)的位移；應(yīng)力測量截面有邊跨跨中、中跨跨中、中跨1/4截面3種，每個(gè)截面30個(gè)共90個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)。

表1 模型參數(shù)

（三）實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況包括：邊跨跨中截面對稱加載、邊跨跨中截面偏心加載、中跨1/4截面對稱加載、中跨1/4截面偏心加載、中跨跨中截面對稱加載、中跨跨中截面偏心加載。加載荷載大小為40.7kg，實(shí)驗(yàn)圖片如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)加載

模型2(張拉索力5kg時(shí))跨中對稱加載時(shí)，實(shí)測、有限元及簡化公式計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 實(shí)測、有限元及簡化公式計(jì)算結(jié)果對比表

由表2可知，實(shí)測和有限元結(jié)果比較接近，簡化公式與實(shí)測和有限元結(jié)果誤差較大，誤差為4.2%。簡化公式計(jì)算采用變截面連續(xù)梁跨中截面的剛度，剛度比實(shí)際模型和有限元模型小，因此梁分擔(dān)比例小而拱分擔(dān)比例增大。

二、梁、拱分擔(dān)荷載比影響因素分析

（一）張拉索力T影響分析

簡化公式中rb與T無關(guān)，實(shí)測和有限元索力對rb也很小，如圖4所示。

圖4 T與 Kha關(guān)系

（二）梁、拱抗彎剛度比Kba影響分析

以rb為因變量，Kba為變量，其余為參數(shù)，則公式可簡化為：

簡化公式計(jì)算的rb與Kba關(guān)系曲線如圖5所示，實(shí)驗(yàn)和有限元得到的rb與Kba關(guān)系如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，當(dāng)Kba≤1時(shí)，此時(shí)拱肋承擔(dān)絕大部分荷載，拱肋荷載分擔(dān)比較大，而主梁分擔(dān)荷載較少，主梁分擔(dān)比較小。當(dāng)48＞Kba＞1時(shí)，rb隨Kba增大而急劇增大。當(dāng)56＞Kba＞48之間時(shí)，梁拱基本平均分擔(dān)荷載。當(dāng)Kba＞56時(shí)，此時(shí)主梁剛度較大、拱較柔，主梁承擔(dān)荷載較多，主梁荷載分擔(dān)比超過拱肋荷載分擔(dān)比。

圖5 ra、rb與 kba關(guān)系

圖6 rb與 kba關(guān)系

（三）吊桿、拱肋等代剛度比Ksa影響分析

以rb為因變量，Ksa為變量，其余為參數(shù)，則公式可簡寫為：

則rb與Ksa關(guān)系曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，rb隨Ksa增大而減?。划?dāng)Ksa＜1600時(shí)，rb隨Ksa變化急劇；當(dāng)Ksa＞1600時(shí)，rb隨Ksa變化較緩。

圖7 rb與 ksa關(guān)系

圖8 ra、rb與 kf關(guān)系

圖9 rb與 kf關(guān)系

（四）矢跨比Kf影響

以rb為因變量，Kf為變量，其余為參數(shù)，則公式可簡寫為：

簡化公式ra、rb與Kf關(guān)系曲線，如圖8所示，實(shí)測和有限元得到的rb與Kf關(guān)系曲線如圖9所示。從圖11、圖12可以看出，rb隨Kf增大而增大；Kf對rb影響不大。

（五）軸向變形系數(shù)Ka影響

以rb為因變量，Ka為變量，其余為參數(shù)，則公式可簡寫為：

則rb與Ka關(guān)系曲線如圖10所示。從圖13可以看出，rb隨Ka增大而增大。

圖10 rb與 ka關(guān)系

（六）邊、中跨跨徑比 影響

以rb為因變量，η為變量，其余為參數(shù)，則公式可簡寫為：

則rb與η關(guān)系曲線如圖11所示。從圖11可以看出，rb隨η增大而增大，但變化不大。

圖11 rb與η關(guān)系

三、結(jié)語

通過對梁、拱肋荷載分擔(dān)比各影響因素的探究可知：

1.采用基于撓度的梁、拱荷載分擔(dān)比，能夠較好地反映梁拱組合橋梁拱協(xié)作機(jī)理；同時(shí)基于撓度的梁、拱分擔(dān)比能夠利用實(shí)橋易于測得的撓度，便于應(yīng)用于實(shí)際工程。

2.當(dāng)Kba≤1時(shí)，此時(shí)拱肋承擔(dān)絕大部分荷載，拱肋荷載分擔(dān)比較大，而主梁分擔(dān)荷載較少，主梁分擔(dān)比較小。當(dāng)48＞Kba＞1 時(shí)，rb隨Kba增大而急劇增大。當(dāng)56＞Kba＞48之間時(shí)，梁拱基本平均分擔(dān)荷載。當(dāng)Kba＞56時(shí)，此時(shí)主梁剛度較大拱較柔，主梁承擔(dān)荷載較多，主梁荷載分擔(dān)比超過拱肋荷載分擔(dān)比。由于條件限制，有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)只做了梁拱剛度比20、30、41.2、60、80，對于其他比例的缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3. rb隨Kf增大而增大，ra隨Kf增大而減?。籏f對rb影響不大。

4. rb隨Ksa增大而減?。划?dāng)Ksa＜1600時(shí)，rb隨Ksa變化急劇；當(dāng)Kba＞1600時(shí)，rb隨Ksa變化較緩。

5. rb隨Ka增大而增大，ra隨Ka增大而減小。

6. rb隨 增大而減小，但變化不大。

7.張拉索力對rb影響無關(guān)。