1、在役小跨径实腹式圬工拱桥承载力分析与研究摘要：以西部某小跨径实腹式圬工拱桥为例，分析该类拱桥的承载力计算方法，对拱上填料的模拟及其作用的模拟方法进行探索。通过有限元电算分析得出了该类小跨径拱桥的填料作为一种恒载来计算是安全的，同时拱上填料和拱圈的共同作用对拱桥的受力和稳定性均是有利的。关键词：小跨径圬工拱桥承载力拱上填料 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 本文结合西部某在役小跨径实腹式圬工拱桥，采用两种分析方法，对比该桥的实测资料，在理论上给出一种安全、简单、有效的承载力验算方法。 2 桥梁概况 西部某三跨实腹式圬工拱桥，通过现场外观检查和测量，该桥没有明显病害。通过
2、实测得知该桥净跨径,计算跨径，主拱宽，拱顶填料厚，拱脚填料厚。 3 有限元模型 该拱桥由拱圈、侧墙和拱背填料组成，其中拱背填料大多为粘土和碎石的混合物。本次有限元结构计算采用某有限元结构分析程序，结构计算参数如下： 3.1 材料参数选取和验算荷载 拱圈、桥台和桥墩均采用混凝土，根据回弹仪实测结果采用调整的C20 混凝土，拱背填料为土填料，材料指标具体如下：混凝土弹性模量为3.0104MPa，容重为 25kNm-3；填料弹性模量为 2.0103 MPa，容重为 25kNm-3，泊松比均为 0.3。 根据该桥现在的使用情况，按文献4的公路二级标准汽车荷载加载，不考虑车辆冲击系数，也不考虑偏载系数。
3、验算荷载组合直接取用桥梁自重和标准车辆荷载组合，组合系数均为。 3.2 具体建模方法 主拱圈采用圆弧线，由实测资料计算得出该圆弧线半径为 5.9m，拱圈尺寸由实测资料为 10 片 80cm20cm 的拱肋组成。 这里按是否考虑拱上填料和拱圈的联合作用，将大致建立两种模型。一种按不考虑拱上填料与拱圈的联合作用，一种考虑其对结构的影响。其中拱上填料的模拟方法又有难易之分，这里按拱上填料的模拟方法的不同，在以上两种方法的基础上分别建立模型。模型 1：忽略拱背填料作用，只考虑填料自重及传递活载的作用，将填料直接用荷载方式作用于拱圈上，填料的传递活载作用可用立柱来模拟；模型 2：仍然忽略拱背填料作用，但
4、将填料用板单元来模拟，主拱圈和拱上填料用竖向只受压连杆连接;模型 3：考虑拱上填料和拱圈的联合作用，且考虑填料自重及传递活载作用，还将考虑填料对主拱圈的荷载分散及围压作用，填料仍用板单元来模拟，主拱圈和拱上填料用竖向连杆和水平方向连杆连接。 本次结构分析采用某有限元分析程序进行，分析中主拱圈采用梁单元模拟；填料在模型 1 中不模拟，在模型 2 和模型 3 中用板单元模拟；桥台和桥墩均采用板单元模拟；模型 1 中模拟填料传递活载作用的立柱以及各模型中的桥面系均采用虚拟梁单元。 计算荷载包括主拱圈自重及标准车辆荷载。车辆荷载按影响线最不利自动加载，不考虑冲击系数和偏载系数。各模型计算时的约束条件为
5、：桥墩和桥台为固结约束，填料接路线处为横向变形约束。 4 结果对比分析 现在分别就模型 1、模型 2 和模型 3 的变形及内力计算结果进行对比分析。 4.1 主拱位移计算结果分析 在自重及标准汽车荷载作用下（主拱位移计算按拱顶最不利位置加载） ，拱圈变形主要表现在拱顶下挠和 L/4 处有外凸。三种模型在同一位置加载时的拱顶下挠最大值和 L/4 处的水平外凸最大值：自重作用下，模型 1 为 0.853mm 和 0.022mm，模型 2 为 0.854mm 和 0.022mm，模型 3 为0.792mm 和 0.021mm；汽车荷载作用下，模型 1 为 0.362mm 和 0.022mm，模型 2
6、 为 0.362mm 和 0.021mm，模型 3 为 0.313mm 和 0.042mm。 通过主拱位移对比分析，我们可知，在小跨径圬工拱桥中，填料可以作为恒荷载直接加载在主拱圈上；在精细化考虑填料时，填料在圬工拱桥的受力中是有利的，特别是在不均匀荷载作用下其作用较为明显，可以预测在较大跨径圬工拱桥中，填料的作用是一定要考虑的。 4.2 主拱单元内力计算结果分析 由有限元计算得出控制截面内力,验算拱顶、L/4、拱脚三个截面位置的强度，其中模型 1 的弯矩和轴力为：25.2 kNm-1、68 kNm-1、-72.3 kNm-1、247.3 kN、754 kN、1341.2 kN；模型 2 为：
7、25.0 kNm-1、67 kNm-1、-71.8 kNm-1、246.2 kN、750 kN、1321 kN；模型 3 为：10.4 kNm-1、23 kNm-1、-21.4 kNm-1、358.4 kN、1824.2 kN、1211.4 kN。并按照文献4对控制截面进行强度验算。通过比较，该桥主拱承载力在计算上满足文献4的承载能力极限状态要求。 从结果可以看出，小跨径圬工拱桥拱上填料的模拟方式有多种，模型 1 中仅模拟了拱上填料传递荷载的作用，在计算上是偏安全的；模型2 和模型 3 精确的模拟了拱上填料，模型 3 还充分考虑了填料和拱圈的联合作用，其计算结果较为精确，但对于旧有圬工拱桥的承
8、载力分析过于复杂。通过比较模型 2 和模型 3 的结果，我们可以得到，填料和拱圈的联合作用，使得主拱内力值分布更为均匀，这是因为填料有效约束了主拱向填料方向的变形。另外，模型 3 的拱顶轴力明显大于模型 2，但弯矩小于模型 2，同时模型 3 的轴力分布更为均匀。 结语 1）小跨径圬工拱桥的拱上填料可以作为一种恒荷载直接加载在主拱圈上，这在计算上是偏安全的，此种分析方法为工程技术人员提供了一个简单有效的途径。但是对于较大跨径的圬工拱桥此种方法会存在一定误差。 2) 实腹式圬工拱桥的拱上填料可以改善主拱圈的受力，其不仅起到传递桥面荷载的作用，还可以分散荷载，对实腹式拱桥的承载力和稳定性有较为有力的
9、影响。 3）现有的小跨径实腹式圬工拱桥一般都具有一定的潜在承载力储备，所以在旧桥的使用和改造时可以利用本文的方法来验算。 参考文献： 1 顾安邦.桥梁工程（下）M.北京：人民交通出版社，2000. 2 黄海东，向中富.旧实腹式拱桥承载力估计方法研究J.重庆：公路交通技术，2005. 3 JTG D61-2005 公路圬工桥涵设计规范S.北京：人民交通出版社，2005. 作者简介： 1.王波（1985-）男，汉族，江苏徐州人，长安大学公路学院，桥梁与隧道专业专业，2011 级硕士研究生。 2. 倪效虎（1986-）男，汉族，山东济宁人，长安大学公路学院，桥梁与隧道专业专业，2011 级硕士研究生。
