梁桥与拱桥模型承载力对比试验

【摘要】通过对比梁桥与拱桥模型在相同荷载作用下的形变量，对其承载力和变形特点进行深入分析，试验结果表明：拱桥的承载（抗压）能力更为显著。

【关键字】梁桥与拱桥模型； 承载力对比； 变形特点

梁桥是桥梁结构体系之一。梁桥是指结构在垂直荷载作用下，支座只产生垂直反力的无推力梁式体系的桥梁[1]。梁作为承重结构主要以其抗弯能力来承受荷载，在竖向荷载作用下其支承反力也是铅直的。拱桥的主要承重结构是具有曲线外形的拱圈，在竖向荷载作用下，拱圈主要承受轴向压力，但也受弯、受剪。拱趾处的支承反力除了竖向反力外还有较大的水平推力[2]。本次试验采用静载加载的方式，通过表格和h-r曲线来分析梁桥与拱桥承载能力的大小，比较梁桥与拱桥在相同荷载作用下的累计形变量r（以下简称形变量）。

1. 模型概况

试验以梁桥和拱桥四个模型为试验依据，其中梁桥包括板梁桥和T形梁桥，拱桥包括空腹式拱桥和桁架式拱桥，通过静力加载的方式重点探讨它们在承载力方面的优劣。四种桥梁模型均为竹质材料，纵截面总长L=82cm，横截面总宽为30cm.下列图（a）、图（b）、图（c）和图（d）即为各桥梁模型的主要尺寸（单位：cm）。

2. 试验测点的布置、模型的加载方式及过程

2.1 试验仪器及试验测点的布置

考虑到桥梁模型变形量较小，故采用百分表（量程为10mm）作为试验仪器。为了使模型受力更加均匀，静载试验布置了六个试验测点，如图（e），各点的位置就是百分表安置的位置。通过取各组点1和4，2和5，3和6的读数平均值来观察模型的纵向变形，由三组点的对比观察模型的横向变形。

2.2 加载方式

本试验各模型均采用跨中处（L/2）分级加载，加载装置如图（f）、图（g）、图（h）和图（i）。每级荷载均由人工依次添加铁块的方式来完成。

2.3 加载程序

每级荷载的加载是在上级荷载的基础上进行的，下表1为各级荷载值h，单位为牛顿（N）。试验分级依次加载且模型加载前后形变量之差超出10mm就视为破坏。百分表指针稳定后开始读数并记录。

各级荷载分配表 表1

3. 试验结果与分析

静载试验的预加荷载为全套加载设备的荷载，其对应的百分表读数作为试验的初始值t，如下表2、表3、表4、表5分别为板梁桥、T形梁桥、空腹式拱桥和桁架式拱桥在L/2处的加载记录。试验中，L/4和3L/4处四个百分表的读数接近相同，表明各模型纵向变形均匀。

板梁桥在6级荷载作用下的的形变量为：r=11.15mm>10mm.此时，可认为板梁桥已被破坏，无需再进行后续加载。

为了更好地反映梁桥与拱桥在荷载下的形变规律，可作荷载―形变（h―r）曲线进行分析，如右图。由h―r曲线可以看出：板梁桥承载力最低，形变量最早超过10mm。四个模型的形变量近似呈线性增长，表明试验是在模型弹性限度内进行的。T形梁桥与拱桥前期形变量变化不大，但后期随着荷载的增加，拱桥的形变量相对减小，说明拱桥具有更高的承载力。

4. 试验误差的产生及减小误差的措施

拱桥是一种推力结构，上部荷载由拱圈传给桥墩，除了竖向力外，还有较大的水平推力，这是与梁桥的最大不同之处[3]。正是这种水平推力的存在容易造成试验误差。试验中，随着荷载的不断增大，课桌在水平推力作用下易发生水平移动，导致拱趾向两侧延伸，拱桥发生一定的沉降，使形变增大。为了减小试验误差，保证课桌的稳固性尤为重要。可用砂袋加固课桌，也可用胶水将桌脚粘结在地板上。

5. 结语

1）梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水力的结构。由于外力的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，故梁内产生的弯矩最大；拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。同时，这种水平推力将使拱圈或拱肋以承受压力为主。因此，拱桥与同跨径的梁桥相比，拱桥的弯矩和变形要小得多。

2）本试验证明了四种桥的承载力关系：板梁桥

【参考文献】

[1]白宝玉《桥梁工程》北京：高等教育出版社 2005.11（2010重印）：36

[2]姜晨光《桥梁建造技术指南》北京：化学工业出版社 2011.3：9―10

[3]王慧东《桥梁墩台与基础工程》北京：中国铁道出版社 2005.9：3―7