张志坚



悬链线拱桥承载力试验研究与力学性能有限元分析

张志坚

（中铁五局集团成都工程有限责任公司，成都 610000）

本文以悬链线拱桥娄底市沙江桥为研究对象，通过MIDAS CIVIL计算软件建立拱桥的有限元计算模型，对服役后的石砌桥的挠度和应变进行仿真模拟，并结合多工况条件下的现场静载试验，研究其现阶段的实际承载能力．试验结果和理论分析表明，沙江桥在各种不利荷载作用下各关键部位都没有出现拉应力，且不存在明显的应力集中现象，实测应变与计算结果吻合比较好，拱脚处最大沉降量为0.002 mm，最大实测水平位移为0.152 mm，均不影响该桥的正常使用；拱顶关键控制截面承载力均大于相应荷载组合下的最不利内力值，在公路-Ⅱ级荷载下的承载能力均能满足要求．本文计算方法和有限元计算模型可较为准确地计算悬链线拱桥承载能力，计算数据可为悬链线拱桥的数值仿真计算提供参考，计算结果可弥补试验数据不足等．

悬链线拱桥；MAIDS CIVIL；静载试验；承载力；娄底市沙江桥

拱桥是我国使用最广泛的桥型之一，在桥梁发展史上具有重要的地位．拱桥结构具有适合承压，跨越能力强，空间利用率高，耐久性好，外观流畅和取材简便等特点．悬链线拱桥由于受力均匀、弯矩较小、节省材料而成为拱形结构的典型代表，但由于拱桥极限承载力理论分析的复杂性及存在的困难，如何定量地分析非线性因素对拱桥结构极限承载力的影响，至今未得到很好的解决[1]．因此，如何科学评价在役悬链线拱桥的承载能力，对于确保拱桥的运营安全和后期的维修加固具有较大的理论意义和工程指导价值．

本文依托娄底市沙江桥工程，应用结构分析软件MIDAS CIVIL建立悬链线拱桥结构计算模型，模拟分析了悬链线拱桥的受力行为，结合荷载试验结果，对比分析悬链线主拱圈处控制截面的挠度、应变是否满足相应的规范允许值要求，进而评估现役桥梁结构的承载能力[2-5]．

1 工程概况

沙江桥位于娄底市新化县境内S225线上，桥梁全长33.6 m，桥面宽度6.6 m．上部结构为2×10.7 m+1×11.4 m的实腹式等截面悬链线石砌板拱，拱圈厚度为50 cm，拱上侧墙采用石砌体，上填轻质细料，做油毡防水层，沥青混凝土路面，下部为浆砌片石U型桥台、圬工重力式桥墩，不通航．设计荷载为汽-15、挂-80；抗震烈度为7度，不设防；洪水频率1/50．桥型布置及结构尺寸见图1．

图1 沙江桥立面图

2 荷载试验方案

综合考虑沙江桥跨径及现场试验条件，本试验采用2辆23 t的汽车进行加载，选取中跨、北边跨分别进行静载试验，分5种最不利荷载工况，工况1：边跨正载；工况2：东拱脚正载；工况3：中跨正载；工况4：边跨偏载；工况5：中跨偏载．见图2~图4．加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后逐级卸到0荷载．现场试验的挠度选取试验跨的跨中和1/4位置分别布置2个挠度测点作为挠度的关键控制截面，同时在北边跨拱脚处布置分别测定拱脚水平位移和竖向沉降的测点，其布置如图5所示，然后采用高精度水准仪及千分表同步观测各关键测点的挠度．现场试验应变

图2 工况1、3加载图

图3 工况2加载

图4 工况4、5加载图

选取试验跨主拱圈的跨中截面、1/4截面和拱脚截面各布置2个纵向应变测点，每跨靠近跨中截面的位置上布置1个横向应变测点，然后采用振弦式应变计采集各控制截面的应变数据，其布置如图6所示．

图5 挠度测点布置图

图6 应变测点布置图

3 力学性能分析

为弥补静载试验试验点有限的缺陷，科学地评价悬链线拱桥在5种最不利荷载工况下控制截面的挠度和变形是否满足规范要求，采用有限元MIDAS软件对拱桥建立整体分析模型，采用2节点空间梁单元对其进行离散，总共被划分为410个梁单元，412个节点，拱桥主体两端按固接处理，其空间有限元计算模型按常温考虑，忽略温度的影响，如图7所示．

图7 有限元计算模型

3.1 拱圈竖向刚度验算

各种最不利荷载工况的竖向位移如图8~图12所示．

图8 边跨正载计算挠度图

图9 拱脚正载计算挠度图

图10 中跨正载计算挠度图

图11 边跨偏载计算挠度图

图12 中跨偏载计算挠度图

各工况下相应控制截面的挠度实测值与计算值见表1．

表1 沙江桥静载试验挠度 mm

由表1可知：

(1)实测挠度与理论结果吻合较好，说明本次试验的有效性；

(2)各工况卸载后的残余挠度较小，表明该桥具有较好的变形恢复能力，且处于良好弹性状态．

(3)控制截面的理论挠度略大于实测挠度值，且荷载作用在一个桥跨范围内的最大正负挠度的绝对值之和小于文献[4]允许挠度/1 000(10 mm)，表明该桥具有足够的抗弯刚度．

3.2 拱圈内力验算

各种最不利荷载工况的应力云图见图13～图17．

各工况下相应控制截面的应变实测值与计算值见表2．

图13 边跨中正载应力云图

图14 拱脚正载应力云图

图15 中跨中正载应力云图

图16 边跨中偏载应力云图

图17 中跨中偏载计算挠度图

表2 沙江桥静载试验应变 mm

由表2可知各种不利荷载作用下各关键部位都没有出现拉应力，且不存在明显的应力集中现象，实测应变与计算结果吻合比较好，理论上满足现有荷载作用下的承载能力要求．

3.3 拱圈承载力验算

(2)根据文献[3]第4.1.6条来进行承载能力极限状态下的荷载组合(考虑荷载的提高系数)．

(3)根据文献[3]第4.1.7条来进行正常使用极限状态下的荷载组合．

(4)内力计算根据文献[7]公式4.0.8-1选取各个系数．

(5)组合Ⅰ为：1.2恒载+1.4汽车．

(6)组合Ⅱ为：1.2恒载+1.4汽车+0.784温度(升温20°)．

(7)组合Ⅲ为：1.2恒载+1.4汽车+0.784温度(降温20°)．

(8)温度组合系数0.784=1.4(第个可变作用分项系数)×0.8(除汽车荷载外尚有一种可变荷载的组合系数)×0.7(拱桥温度作用折减系数)．

(9)当采用汽车荷载计算拱的正弯矩时，拱顶截面乘以0.7的折减系数，拱脚截面乘以0.9的折减系数．

表3 主拱圈拱顶截面承载力验算结果

4 结语

基于静载试验和MIDAS CIVIL分析结果可知，沙江桥在各种不利荷载作用下各关键部位都没有出现拉应力，且不存在明显的应力集中现象，表明该拱桥设计合理，实测应变与计算结果吻合比较好；拱脚处最大沉降量为0.002 mm，最大实测水平位移为0.152 mm，不影响该桥的正常使用．

试验结果和理论分析表明，本文计算方法和有限元计算模型可较为准确地计算悬链线拱桥承载能力，其计算数据可为悬链线拱桥的数值仿真计算提供参考，其计算结果可弥补试验数据不足的相关问题．

[1]程进, 江见鲸. 拱桥结构极限承载力的研究现状与发展[J]. 公路交通科技, 2002(4): 57-59.

[2]薛凯. 双曲拱桥空间计算模型研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2009.

[3]JTG D60-2004, 公路桥涵设计通用规范[S].

[4]公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)[S].

[5]戴兵, 吕毅刚. 大跨径连续刚构桥静载试验研究及仿真分析[J]. 公路与汽运, 2010(5): 136-142.

[6]JTG/T J21-2011, 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[7]JTG D61-2005, 公路圬工桥涵设计规范[S].

(责任编校：陈健琼)

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

张志坚（1976-），男，湖南浏阳人，工程师，主要从事交通土建工程研究．E-mail: 244949212@qq.com