木拱廊桥二级承载传力系统的荷载试验研究

木拱廊桥二级承载传力系统的荷载试验研究

该木拱桥具有设计复杂、结构精致、联系紧密、结构稳定等特点，在中国古代桥梁建筑中占有重要地位。由于其可以满足不同的建桥条件,在浙南和闽北山区被广泛采用,在长期的使用中,不但便利了交通生活,也丰富了百姓文化。现存的许多木拱廊桥,因年久失修,一些构件已破损、腐烂,无法正常使用。为了保护文化遗产,地方政府组织力量对这些廊桥采用落架方式进行修缮,对腐烂破损的构件进行更换,重新安装以恢复其功能。考虑到落架拆卸、重新安装施工对原牛头与苗杆的榫铆连接可能产生一定影响,另外古廊桥原有的承载能力也未知,为确保这些古廊桥使用中的安全,迫切需要一种能够比较确切地了解修复后廊桥承载能力的方法。关于木拱廊桥的研究目前很少,文主要对浙南、闽北的木拱廊桥结构形式及施工程序做了比较和分析,文则着重就泰顺文兴桥结构残损及修缮问题进行了探讨,文针对百祥桥通过有限元数值模拟分析讨论了木拱廊桥二级承载传力系统的特点。本文将以景宁东坑下桥为对象,探讨采用荷载试验方法来了解廊桥的承载能力。1重木拱显色法东坑下桥位于浙江省景宁畲族自治县东坑镇,建于康熙年间,全长21.75m,桥端宽5.4m,由两端向中间缩进,呈两端宽中间窄的造型,如图1。承重木拱由两层系统相间组成:下层为7组“三节苗”;上层6组“五节苗”;两端各有一组“剪力苗”,并有“将军柱”,竖向排架以及“端平苗”,该廊桥因年久失修,无法继续使用,于2012年进行了下架修复。2荷载工况下主拱结构应力情况目前人们对木拱廊桥实际承载能力缺乏了解,没有其他相关试验资料可以参考,为确定最大试验荷载,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟分析,图2所示为主拱结构的ANSYS模型。考虑到可能出现的情况,根据廊屋恒载、人群活载按全跨和半跨,分5种荷载工况计算:工况一:全跨满布5.0kN/m2均布荷载,即:上部廊屋荷载转化成等效均布荷载加载于木拱上,等效均布荷载值取1.5kN/m2,人群活荷载取3.5kN/m2;工况二:全跨满布3.5kN/m2均布荷载,即不考虑上部廊屋自重,仅考虑人群活荷载;工况三:全跨满布1.5kN/m2均布荷载,即仅上部考虑廊屋自重,不考虑人群活荷载;工况四:工况三+半跨布置人群荷载1.5kN/m2均布荷载;工况五:工况三+半跨布置人群荷载3.5kN/m2均布荷载。表1为5种荷载工况下计算的主拱结构的最大挠度、应力情况,全跨对称加载情况,最大挠度出现在5节苗平苗上,恒载活载共同作用下最大拉和压应力为4.79MPa。不对称加载半跨活载情况,在工况5时计算无法收敛,分析可知,这时廊桥主拱结构可能出现失稳。根据现场更换下的原木材料进行试验,得到的原木材抗弯强度在30MPa以上,轴心抗压强度在15MPa以上,结合以上有限元模拟分析,表明廊桥在对称均布荷载作用下,变形较小,有较高的承载性能,但在半跨加载情况下,变形明显较大,且有失去稳定的风险,因此,不拟采取不对称的半跨加载工况,而采用对称的均匀分布的一种加载工况,确定最大试验荷载3.5kN/m2(均布活荷载),而上部廊屋恒载按实际施加。3试验计划3.1木拱挠度的确定为了解木拱廊桥上部廊屋等恒载作用下的主拱变形情况,拟在廊桥木拱承重结构组装完成后,廊屋未施工安装之前,对桥面的初始标高进行测量,在廊屋部分施工完成之后,再次测量桥面的标高,以此确定上部廊屋等恒载作用下的主拱挠度。3.2坡段荷载荷载按每级0.5kN/m2分级加载,至最大试验荷载3.5kN/m2,卸载一次卸完。均布荷载采用水箱模拟加载,坡段水箱采用宽约1.0m的条形水箱,如下图3所示;平坦段用一个大水箱加载。3.3测量点的等效配置根据桥的结构特性及荷载试验的目的,结合有限元计算结果,全桥共布置10个挠度测点,具体布置见图4。3.4程中出现异常时调整加载考虑到该廊桥为旧桥修复,对其材料、结构等性能状况缺乏了解,拟在试验过程中出现异常时立即终止加载,以确保桥梁的安全。在施加荷载达到最大试验荷载之前,原则上出现下列情况,应停止加载:1、有构件或节点出现破坏的现象,如听到突然的声响,明显的损伤等;2、部分构件间有明显的脱开的现象;4有限元模型验证施工过程廊屋瓦片等安装前后分别对廊桥各测点的高程进行观测,可以计算得到由瓦片等恒载引起的挠度,如下表2,最大挠度达到44.70mm,远大于有限元计算结果。整个试验加载、卸载过程中,未出现异常情况,实测最大挠度发生在下游跨中位置,为7.33mm,小于L/600,卸载后最大残余挠度为2.84mm,发生在上游跨中。对比有限元计算结果(工况三),两者基本接近,说明有限元计算模型基本可行。而廊屋恒载下的实测挠度偏大的主要原因,应该是,廊桥主拱落架重新安装后各连接处可能存在一定的间隙,经过恒载一段时间的作用后,连接逐渐紧密,因此在活载荷载试验时挠度变形基本正常。5半跨作用下木拱廊桥失稳风险根据以上试验数据分析可以得到,东坑下桥桥在3.5kN/m2均布荷载(大约每平方米5人)作用下工作正常。鉴于木拱廊桥在半跨作用下存在失稳的风险,建议使用中应避免