(一)建模计算时对于拱上建筑与拱联合作用的考虑
对于拱上建筑与拱的联合作用,要分情况考虑,普通的圬工拱桥绝大部分都以上承式为主,对于空腹式拱桥来说,拱上建筑有拱上立柱或拱上横墙等类型,当汽车等活载作用于桥面时,拱上建筑作为传力结构,会将桥面荷载传给主拱圈,再通过主拱圈传给基础。因此,拱上建筑必然会参与主拱圈受力,二者共同承受活载作用,这就是拱桥里所谓的拱上建筑与主拱圈的联合作用。
在荷载试验的前期计算中,是否考虑联合作用,或者说在建模计算中是否计入拱上建筑部分,将会对计算结果产生明显影响。一般来说,无铰拱和双铰拱,目前多按主拱圈裸拱受力计算,现行拱桥设计手册的所有方法、图表均以裸拱受力考虑,不考虑它与拱上建筑的联合作用。拱上建筑与拱的联合作用程度大小与拱上建筑的型式与构造以及施工程序有关,通常,拱式拱上建筑的联合作用较大,梁式拱上建筑的联合作用较小。
在拱式拱上建筑中(如图3-13所示),可以考虑拱上建筑与拱圈的联合作用,此时可将主拱圈与拱上建筑作为整体结构计算。也可按裸拱计算,不考虑纵向(弯曲平面内)长细比对构件承载力影响。若要考虑联合作用,则联合作用的程度大小又与许多因素有关,例如:腹拱圈、腹拱墩对主拱圈的相对刚度越大,联合作用就越显著。拱上腹拱全部采用无铰结构时,其整体刚度较大,联合作用较明显;反之,拱上腹拱采用两铰或是三铰结构时,联合作用就较弱。
图3-13 拱式拱上建筑
在梁式拱上建筑中(如图3-14所示),联合作用程度主要受以下因素影响:
其一,腹孔为简支梁式结构,由于其对主拱约束作用小,联合作用也很小。
其二,腹孔为连续梁或框架式腹孔(如图3-14所示),其联合作用就会随连续纵梁和立柱的刚度增大而增大。
图3-14 框架式腹孔
除与拱上建筑的型式有关外,联合作用与施工程序也有关联。
在有支架施工中,若在主拱合拢后即落架,然后再建拱上建筑,则拱与拱上建筑的自重及材料收缩影响的大部分均由主拱单独承受,只有后加恒载、活载以及温度变化等影响时才存在联合作用。
若拱架是在拱上建筑完成后才拆除,则在所有影响力作用下都存在联合作用。
此外,在同一拱桥中,对不同的主拱圈截面,其受到联合作用的影响程度也不一样,比如,拱脚、L/8等截面受联合作用的影响较大,而拱顶则较小。
在进行拱桥建模计算或是截面验算的时候,应根据拱上建筑联合作用的大小,选择不同的计算图式或计算模型进行受力分析。譬如,对于简支梁式拱上建筑可选择不计联合作用的裸拱圈作为计算图式;而对于其他型式的拱上建筑,应选择建立主拱圈与拱上建筑共同受力的计算模型。
(二)静载试验计算时横向分布系数及偏载效应的考虑
在进行静载试验前期计算时,荷载的横向分布情况是一个不得不考虑的因素,而横向分布情况与桥梁自身构造有关而与外部活载无关。
对于圬工拱桥来说,《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)明确规定:拱桥应考虑活载的横向不均匀分布,但实腹式拱桥和拱上建筑为拱式结构的空腹式拱桥或拱上建筑采用墙式墩且活载横向布置不超过拱圈以外的拱桥,可考虑活载均匀分布于拱圈全宽。也就是说,在遇到上述情况的条件下,对于活载作用于桥跨结构时,可直接取荷载的横向分布系数为车道数。
事实上,不同的主拱截面受活载作用时,活载的横向分布对其还是有影响的,对于拱脚、L/8、L/4截面来说,不计横向分布的影响一般是安全合理的,但对于拱顶截面来说,在结构计算时,不考虑横向分布的影响则是偏于不安全的。对于横向由多个构件组成的肋拱、刚架拱等,则必须考虑活载的横向分布影响,一般可算出每部分的横向分布系数,再将结构由空间简化为平面结构进行计算。
对于大多数圬工拱桥来说,其构造型式多为石板拱或混凝土板拱,横向分布系数均直接取为车道数,但在荷载试验中,为了测试桥梁受力的整体性,还会进行偏载效应的测试,得到所谓的偏载系数,方法是在荷载试验时,通过实测偏载作用下的下缘最大应力和其平均应力的比值求得实测的偏载系数K,如公式(3-5)所示。
(三)连拱效应
在多孔拱桥中,由于荷载、温度等的作用和影响,拱跨结构与桥墩会一起发生弹性变形,相连拱跨也同时参与受力,使桥墩所受的水平推力减小。这种桥跨结构与桥墩一起变形共同受力的作用,称为连拱作用。考虑连拱上、下部结构共同变形的受力计算称为连拱计算。
一般来说,桥墩相对拱圈越柔细,墩顶节点的位移就越大,连拱作用的影响越显著。反之,桥墩相对拱圈越刚劲墩顶节点的位移就越小,连拱作用的影响也就越小。只有当桥墩刚度与拱圈刚度相比为无穷大时,拱墩节点才不发生位移,即无连拱作用。在实际拱桥中,桥墩相对于拱圈的刚度不可能为无穷大,即使采用刚度较大的重力墩,仍有一定的连拱作用。况且目前拱桥下部结构日趋轻型化,考虑连拱作用尤为重要。
(四)圬工拱桥测试的主要内容
由于拱桥的结构特性,人们在设计时会充分利用圬工材料良好的抗压性能,因此,在荷载试验时,拱顶正弯矩,拱脚负弯矩,L/4截面的正负弯矩,拱顶的挠度,墩台顶的水平位移等设计中的主要控制参数也就成为试验中的主要测试项目,再通过试验,将实测值和设计值进行对照印证,从而达到正确评定桥梁承载能力的目的。
所以,根据实验目的,圬工拱桥荷载试验的主要测试内容包括:拱顶截面最大正应力(应变),拱脚截面最大负应力(应变),拱脚最大水平力与墩、台顶水平位移,拱顶最大挠度,L/4截面最大正负应力(应变),L/4截面正负挠度绝对值之和最大的数值,以及拱顶、L/4、拱脚截面荷载横向分布情况。
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