安燃， 吳春利

(1.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院)

中國素有木橋故鄉(xiāng)之稱，很早以前就已經(jīng)出現(xiàn)了獨(dú)木橋、木柱梁橋等木結(jié)構(gòu)橋梁。橋梁建設(shè)發(fā)展至今，木橋是最早出現(xiàn)的橋梁形式。在橋上架凳、廊屋、亭等，就形成木拱廊橋，俗稱“架屋橋”。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)存木拱廊橋僅有100余座，主要分布在福建、浙江、甘肅等地，其中絕大多數(shù)在福建北部和浙江南部。木拱廊橋被認(rèn)為是中國乃至世界橋梁史上的獨(dú)特創(chuàng)造，展現(xiàn)出獨(dú)有的歷史遺跡和文化底蘊(yùn)，具有獨(dú)特的幾何構(gòu)造與結(jié)構(gòu)特性。其材質(zhì)輕，強(qiáng)度高，加工便捷，結(jié)構(gòu)簡單，但也存在易燃，易潮，易腐蝕，結(jié)構(gòu)承載力和耐久性易受木材的各向異性及自身微缺陷影響，日后修繕維護(hù)難度大，缺乏應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)等。由于木拱廊橋構(gòu)造及結(jié)構(gòu)受力特殊，在橋梁建設(shè)中技術(shù)要求較高，特別是木拱廊橋在很大程度上反映出地方的文化傳承，成為標(biāo)志性建筑之一，屬于地域歷史文化遺產(chǎn)的體現(xiàn)，受到社會各界的高度重視。因此，確保木拱廊橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及后期運(yùn)維工作任重而道遠(yuǎn)，是當(dāng)前急需解決的問題。該文以浙南某木拱廊橋為例，通過對主跨結(jié)構(gòu)變形及受力特性進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價，對橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全保證具有重要意義。

1 工程概況

通過現(xiàn)場調(diào)查某木拱廊橋全橋共5跨，全長約203.8 m，最大跨度39 m，最小跨度22 m，橋面寬度5 m。該橋設(shè)計為人行木拱廊橋，上部結(jié)構(gòu)采用木拱結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土橋墩，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋拱系統(tǒng)以三節(jié)苗、五節(jié)苗兩組拱架相互咬合、交錯穿插而成，共同承受橋面?zhèn)鬟f的豎向荷載。

2 結(jié)構(gòu)荷載計算

此橋為人行木拱廊橋，不考慮機(jī)動車或人力車荷載作用，主要荷載來源為結(jié)構(gòu)自重(恒載)及人行荷載(活載)。該文主要研究廊橋成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特性，在此只考慮恒載作用下節(jié)點立柱豎向作用力效用。

(1) 以橋面寬度方向4根立柱為中線，中間設(shè)木枋來承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)重量，每3 m劃分為一個計算單元，計算每個單元內(nèi)的恒載(木材重度γ=5 kN/m3)，每個單元內(nèi)分布有11根橫向鐵杉，鐵杉截面按0.15 m×0.2 m計算。橋面荷載計算單元如圖1所示。

圖1 橋面荷載計算單元(單位：mm)

① 橋面構(gòu)造荷載：

30 mm厚青石板(石灰石)：

26.4×6×3×0.03=14.26 kN

(1)

40 mm厚水泥砂漿：

20×6×3×0.04=14.4 kN

(2)

30 mm厚鋪橋木板：

5×6×3×0.03=2.7 kN

(3)

走道縱向木枋：

5×0.15×0.2×6×11=9.9 kN

(4)

柱腳木墊枋：

5×0.2×0.3×6=1.8 kN

(5)

柱間橫向木枋：

5×0.2×0.4×6=2.4 kN

(6)

橋面座椅(折算成均布荷載)：

5×103×2×0.3×0.05=15 kN

(7)

風(fēng)雨板(折算成集中荷載)3.75 kN

(8)

式(1)～(8)求和，得到橋面構(gòu)造荷載合計：

14.26+14.4+2.7+9.9+1.8+2.4+15+3.75=64.21 kN

(9)

② 單側(cè)挑檐計算單元尺寸為長3 m、寬1.7 m，荷載增大系數(shù)取1.1，荷載換算為線荷載如下：

小青瓦：

1.1×3×1.7=5.61 kN

(10)

30 mm厚混合砂漿：

20×0.03×3×1.7=3.06 kN

(11)

15 mm厚杉木望板：

5×0.015×3×1.7=0.38 kN

(12)

70 mm×50 mm杉木椽@180：

(13)

挑檐間橫梁：

5×0.12×0.3×1.8=0.32 kN

(14)

式(10)～(14)求和，得到單側(cè)挑檐結(jié)構(gòu)荷載合計：

(5.61+3.06+0.38+0.4+0.32)×1.1=10.75 kN

(15)

③ 屋架構(gòu)造荷載如下：

5根φ180 mm的圓杉木檁：

(16)

2根(100 mm×180 mm)方檁：

5×0.1×0.18×3×2=0.54 kN

(17)

200 mm×250 mm屋架梁：

5×0.2×0.25×(5.35+2.4)=1.94 kN

(18)

式(16)～(18)求和，得到屋架構(gòu)造荷載合計：

(1.91+0.54+1.94)×1.1=4.83 kN

(19)

④ 單側(cè)屋架計算單元尺寸為長3 m、寬3.3 m，荷載增大系數(shù)取1.1，故單側(cè)屋架重：

(20)

(2) 豎向立柱桿件。

邊柱：φ270 mm的圓木杉

(21)

中柱：φ300 mm的圓木杉

(22)

每個計算單元的荷載通過4根立柱傳遞至橋面，4根柱子與橋面節(jié)點作用如圖2所示，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)方法得出橋面荷載到每根柱子的傳力系數(shù)依次為：N1(-0.083)、N2(0.583)、N3(0.583)、N4(-0.083)。

圖2 橋面節(jié)點計算(單位：mm)

將上部建筑荷載簡化為集中力施加到橋面平苗上，故計算得出每根柱子的節(jié)點處豎向作用力為：

N1=N4=64.21×(-0.083)+10.75+4.83+0.72=10.97 kN；

N2=N3=64.21×0.583+22.59+2.19=62.21 kN。

3 數(shù)值分析

3.1 參數(shù)選取

拱架構(gòu)造按傳統(tǒng)手法制作，橋木拱架部分由上、下兩層系統(tǒng)組成。上層采用5根稍短的圓木縱連成五折邊形拱架，俗稱“五節(jié)苗”，下層為3根圓木縱向連成八字形拱架，俗稱“三節(jié)苗”?！叭?jié)苗”與“五節(jié)苗”互相穿插，交錯排列，通過牛頭連接共同承受橋面?zhèn)鬟f來的豎向荷載。牛頭木材強(qiáng)度按TC17，三節(jié)苗、五節(jié)苗強(qiáng)度按TC15，斜撐木材強(qiáng)度按TC13計算。所用木材按GB 50005-2003《木結(jié)構(gòu)規(guī)范》取值，具體材料參數(shù)見表1。

3.2 模型建立

采用有限元SAP2000建模計算，模型材料屬性見表1。將橋面沿長度方向按照上述結(jié)構(gòu)荷載計算等間距劃分計算單元，每個計算單元4個受力點，單元與單元只在節(jié)點處相連，只通過節(jié)點傳力，外部荷載均移到節(jié)點上，四節(jié)點荷載值N1=N4=10.97 kN，N2=N3=62.21 kN，計算單元面積為3 m×6 m，選取最大主跨為研究對象。

表1 材料參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 變形結(jié)果

廊橋在恒載作用下的變形圖如圖3所示。

圖3 廊橋恒載撓度圖(單位：mm)

從圖3可以看出：① 在自重作用下，結(jié)構(gòu)整體變形協(xié)調(diào)，三節(jié)苗上部牛頭、跨中撓度最大值分別為12.4、19.8 mm；② 根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載計算結(jié)果，按主跨跨中最不利位置計算最大撓度為17.56 mm，兩者相差較小，說明結(jié)構(gòu)選型合理。

3.3.2 內(nèi)力結(jié)果

廊橋在荷載作用下的內(nèi)力如圖4所示。

圖4 廊橋內(nèi)力圖(單位：kN)

從圖4可以看出：① 廊橋上部廊屋結(jié)構(gòu)受力不大。在豎向荷載作用下，橋主體結(jié)構(gòu)三節(jié)苗、五節(jié)苗系統(tǒng)以受壓為主；② 結(jié)構(gòu)受到軸力最大位置位于平苗牛頭上斜撐，其值為164.08 kN，據(jù)此計算最大正應(yīng)力為6.45 MPa，滿足強(qiáng)度要求；剪力最大值為三節(jié)苗上部牛頭側(cè)的平苗，其值為24.07 kN，計算最大剪應(yīng)力為0.97 MPa，滿足強(qiáng)度要求，與軸力相比，剪力值相對較小。

4 監(jiān)控量測

4.1 監(jiān)測測點布置

主橋測點布置：在每跨平苗牛頭、三節(jié)苗牛頭、三節(jié)平苗跨中處粘貼反射片，并進(jìn)行標(biāo)識。使用全站儀對每跨平苗牛頭、三節(jié)苗牛頭、三節(jié)平苗跨中處的反光片進(jìn)行測量；橋面測點布置：在廊橋的東側(cè)閣處選取可靠的位置，在地面打設(shè)十字鉚釘，設(shè)置永久觀測控制點，其中橋面上游永久觀測點為廊橋入口左邊緊靠第1根柱子，橋面下游永久觀測點為進(jìn)廊入口右邊緊靠第1根柱子，記錄兩測點標(biāo)高，以此基點為原點，測量橋面上部兩側(cè)木椅位置上固定線形測點的標(biāo)高。

4.2 標(biāo)高監(jiān)測結(jié)果

主橋線形監(jiān)測結(jié)果見圖5；橋面線形監(jiān)測結(jié)果見圖6。

圖5 主橋線形監(jiān)測曲線圖

圖6 橋面線形監(jiān)測曲線圖

從圖5、6可以看出：主橋初始值與實測值及橋面上、下游線形變化基本一致，且高程差值變化較小，說明結(jié)構(gòu)選型合理。

4.3 橋面變形監(jiān)測結(jié)果

通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結(jié)果，對比數(shù)值模擬，得到全橋變形曲線如圖7所示。

從圖7可以看出：① 橋面整體變形分布較均勻，在可控變形范圍內(nèi)；② 橋面主跨跨中變形最大，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果最大值為21 mm，邊跨跨中變形最大值為17 mm；數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.8 mm，邊跨跨中變形最大值為15.6 mm，兩者相差較小，結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

圖7 橋面線形變化曲線圖

5 結(jié)論

(1) 廊橋(主跨39 m跨度)在恒載作用下，結(jié)構(gòu)施工過程中變形相對較小，整體變形協(xié)調(diào)，撓度沿橋縱向分布較均勻，結(jié)構(gòu)選型合理。

(2) 廊橋在成橋狀態(tài)下，實測結(jié)構(gòu)主跨跨中累積變形為21.0 mm，與數(shù)值分析結(jié)果19.8 mm基本接近，表明該廊橋的結(jié)構(gòu)剛度滿足計算要求，主橋結(jié)構(gòu)材料處在彈性范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求，同時說明有限元計算結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反映實際受力情況。

(3) 數(shù)值模擬與監(jiān)控量測結(jié)果說明木拱廊橋的結(jié)構(gòu)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。