木拱廊橋二級(jí)承載傳力系統(tǒng)的荷載試驗(yàn)研究

木拱廊橋二級(jí)承載傳力系統(tǒng)的荷載試驗(yàn)研究

該木拱橋具有設(shè)計(jì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精致、聯(lián)系緊密、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在中國(guó)古代橋梁建筑中占有重要地位。由于其可以滿足不同的建橋條件,在浙南和閩北山區(qū)被廣泛采用,在長(zhǎng)期的使用中,不但便利了交通生活,也豐富了百姓文化。現(xiàn)存的許多木拱廊橋,因年久失修,一些構(gòu)件已破損、腐爛,無(wú)法正常使用。為了保護(hù)文化遺產(chǎn),地方政府組織力量對(duì)這些廊橋采用落架方式進(jìn)行修繕,對(duì)腐爛破損的構(gòu)件進(jìn)行更換,重新安裝以恢復(fù)其功能?？紤]到落架拆卸、重新安裝施工對(duì)原牛頭與苗桿的榫鉚連接可能產(chǎn)生一定影響,另外古廊橋原有的承載能力也未知,為確保這些古廊橋使用中的安全,迫切需要一種能夠比較確切地了解修復(fù)后廊橋承載能力的方法。關(guān)于木拱廊橋的研究目前很少,文主要對(duì)浙南、閩北的木拱廊橋結(jié)構(gòu)形式及施工程序做了比較和分析,文則著重就泰順文興橋結(jié)構(gòu)殘損及修繕問題進(jìn)行了探討,文針對(duì)百祥橋通過有限元數(shù)值模擬分析討論了木拱廊橋二級(jí)承載傳力系統(tǒng)的特點(diǎn)。本文將以景寧東坑下橋?yàn)閷?duì)象,探討采用荷載試驗(yàn)方法來了解廊橋的承載能力。1重木拱顯色法東坑下橋位于浙江省景寧畬族自治縣東坑鎮(zhèn),建于康熙年間,全長(zhǎng)21.75m,橋端寬5.4m,由兩端向中間縮進(jìn),呈兩端寬中間窄的造型,如圖1。承重木拱由兩層系統(tǒng)相間組成:下層為7組“三節(jié)苗”;上層6組“五節(jié)苗”;兩端各有一組“剪力苗”,并有“將軍柱”,豎向排架以及“端平苗”,該廊橋因年久失修,無(wú)法繼續(xù)使用,于2012年進(jìn)行了下架修復(fù)。2荷載工況下主拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況目前人們對(duì)木拱廊橋?qū)嶋H承載能力缺乏了解,沒有其他相關(guān)試驗(yàn)資料可以參考,為確定最大試驗(yàn)荷載,采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析,圖2所示為主拱結(jié)構(gòu)的ANSYS模型?？紤]到可能出現(xiàn)的情況,根據(jù)廊屋恒載、人群活載按全跨和半跨,分5種荷載工況計(jì)算:工況一:全跨滿布5.0kN/m2均布荷載,即:上部廊屋荷載轉(zhuǎn)化成等效均布荷載加載于木拱上,等效均布荷載值取1.5kN/m2,人群活荷載取3.5kN/m2;工況二:全跨滿布3.5kN/m2均布荷載,即不考慮上部廊屋自重,僅考慮人群活荷載;工況三:全跨滿布1.5kN/m2均布荷載,即僅上部考慮廊屋自重,不考慮人群活荷載;工況四:工況三+半跨布置人群荷載1.5kN/m2均布荷載;工況五:工況三+半跨布置人群荷載3.5kN/m2均布荷載。表1為5種荷載工況下計(jì)算的主拱結(jié)構(gòu)的最大撓度、應(yīng)力情況,全跨對(duì)稱加載情況,最大撓度出現(xiàn)在5節(jié)苗平苗上,恒載活載共同作用下最大拉和壓應(yīng)力為4.79MPa。不對(duì)稱加載半跨活載情況,在工況5時(shí)計(jì)算無(wú)法收斂,分析可知,這時(shí)廊橋主拱結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)更換下的原木材料進(jìn)行試驗(yàn),得到的原木材抗彎強(qiáng)度在30MPa以上,軸心抗壓強(qiáng)度在15MPa以上,結(jié)合以上有限元模擬分析,表明廊橋在對(duì)稱均布荷載作用下,變形較小,有較高的承載性能,但在半跨加載情況下,變形明顯較大,且有失去穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn),因此,不擬采取不對(duì)稱的半跨加載工況,而采用對(duì)稱的均勻分布的一種加載工況,確定最大試驗(yàn)荷載3.5kN/m2(均布活荷載),而上部廊屋恒載按實(shí)際施加。3試驗(yàn)計(jì)劃3.1木拱撓度的確定為了解木拱廊橋上部廊屋等恒載作用下的主拱變形情況,擬在廊橋木拱承重結(jié)構(gòu)組裝完成后,廊屋未施工安裝之前,對(duì)橋面的初始標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量,在廊屋部分施工完成之后,再次測(cè)量橋面的標(biāo)高,以此確定上部廊屋等恒載作用下的主拱撓度。3.2坡段荷載荷載按每級(jí)0.5kN/m2分級(jí)加載,至最大試驗(yàn)荷載3.5kN/m2,卸載一次卸完。均布荷載采用水箱模擬加載,坡段水箱采用寬約1.0m的條形水箱,如下圖3所示;平坦段用一個(gè)大水箱加載。3.3測(cè)量點(diǎn)的等效配置根據(jù)橋的結(jié)構(gòu)特性及荷載試驗(yàn)的目的,結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果,全橋共布置10個(gè)撓度測(cè)點(diǎn),具體布置見圖4。3.4程中出現(xiàn)異常時(shí)調(diào)整加載考慮到該廊橋?yàn)榕f橋修復(fù),對(duì)其材料、結(jié)構(gòu)等性能狀況缺乏了解,擬在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常時(shí)立即終止加載,以確保橋梁的安全。在施加荷載達(dá)到最大試驗(yàn)荷載之前,原則上出現(xiàn)下列情況,應(yīng)停止加載:1、有構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象,如聽到突然的聲響,明顯的損傷等;2、部分構(gòu)件間有明顯的脫開的現(xiàn)象;4有限元模型驗(yàn)證施工過程廊屋瓦片等安裝前后分別對(duì)廊橋各測(cè)點(diǎn)的高程進(jìn)行觀測(cè),可以計(jì)算得到由瓦片等恒載引起的撓度,如下表2,最大撓度達(dá)到44.70mm,遠(yuǎn)大于有限元計(jì)算結(jié)果。整個(gè)試驗(yàn)加載、卸載過程中,未出現(xiàn)異常情況,實(shí)測(cè)最大撓度發(fā)生在下游跨中位置,為7.33mm,小于L/600,卸載后最大殘余撓度為2.84mm,發(fā)生在上游跨中。對(duì)比有限元計(jì)算結(jié)果(工況三),兩者基本接近,說明有限元計(jì)算模型基本可行。而廊屋恒載下的實(shí)測(cè)撓度偏大的主要原因,應(yīng)該是,廊橋主拱落架重新安裝后各連接處可能存在一定的間隙,經(jīng)過恒載一段時(shí)間的作用后,連接逐漸緊密,因此在活載荷載試驗(yàn)時(shí)撓度變形基本正常。5半跨作用下木拱廊橋失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到,東坑下橋橋在3.5kN/m2均布荷載(大約每平方米5人)作用下工作正常。鑒于木拱廊橋在半跨作用下存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),建議使用中應(yīng)避免