木拱廊桥成桥状态下结构力学行为分析

安燃， 吴春利

(1.内蒙古交通职业技术学院， 内蒙古 赤峰 024000； 2.吉林大学 交通学院)

中国素有木桥故乡之称，很早以前就已经出现了独木桥、木柱梁桥等木结构桥梁。桥梁建设发展至今，木桥是最早出现的桥梁形式。在桥上架凳、廊屋、亭等，就形成木拱廊桥，俗称“架屋桥”。据不完全统计，现存木拱廊桥仅有100余座，主要分布在福建、浙江、甘肃等地，其中绝大多数在福建北部和浙江南部。木拱廊桥被认为是中国乃至世界桥梁史上的独特创造，展现出独有的历史遗迹和文化底蕴，具有独特的几何构造与结构特性。其材质轻，强度高，加工便捷，结构简单，但也存在易燃，易潮，易腐蚀，结构承载力和耐久性易受木材的各向异性及自身微缺陷影响，日后修缮维护难度大，缺乏应急保护系统等。由于木拱廊桥构造及结构受力特殊，在桥梁建设中技术要求较高，特别是木拱廊桥在很大程度上反映出地方的文化传承，成为标志性建筑之一，属于地域历史文化遗产的体现，受到社会各界的高度重视。因此，确保木拱廊桥成桥状态结构的稳定性及后期运维工作任重而道远，是当前急需解决的问题。该文以浙南某木拱廊桥为例，通过对主跨结构变形及受力特性进行模拟分析，并结合监测技术进行结构稳定性评价，对桥梁结构质量安全保证具有重要意义。

1 工程概况

通过现场调查某木拱廊桥全桥共5跨，全长约203.8 m，最大跨度39 m，最小跨度22 m，桥面宽度5 m。该桥设计为人行木拱廊桥，上部结构采用木拱结构，下部结构采用钢筋混凝土桥墩，基础采用扩大基础。桥拱系统以三节苗、五节苗两组拱架相互咬合、交错穿插而成，共同承受桥面传递的竖向荷载。

2 结构荷载计算

此桥为人行木拱廊桥，不考虑机动车或人力车荷载作用，主要荷载来源为结构自重(恒载)及人行荷载(活载)。该文主要研究廊桥成桥状态下结构的力学行为特性，在此只考虑恒载作用下节点立柱竖向作用力效用。

(1) 以桥面宽度方向4根立柱为中线，中间设木枋来承担上部结构重量，每3 m划分为一个计算单元，计算每个单元内的恒载(木材重度γ=5 kN/m3)，每个单元内分布有11根横向铁杉，铁杉截面按0.15 m×0.2 m计算。桥面荷载计算单元如图1所示。

图1 桥面荷载计算单元(单位：mm)

① 桥面构造荷载：

30 mm厚青石板(石灰石)：

26.4×6×3×0.03=14.26 kN

(1)

40 mm厚水泥砂浆：

20×6×3×0.04=14.4 kN

(2)

30 mm厚铺桥木板：

5×6×3×0.03=2.7 kN

(3)

走道纵向木枋：

5×0.15×0.2×6×11=9.9 kN

(4)

柱脚木垫枋：

5×0.2×0.3×6=1.8 kN

(5)

柱间横向木枋：

5×0.2×0.4×6=2.4 kN

(6)

桥面座椅(折算成均布荷载)：

5×103×2×0.3×0.05=15 kN

(7)

风雨板(折算成集中荷载)3.75 kN

(8)

式(1)～(8)求和，得到桥面构造荷载合计：

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

(9)

② 单侧挑檐计算单元尺寸为长3 m、宽1.7 m，荷载增大系数取1.1，荷载换算为线荷载如下：

小青瓦：

1.1×3×1.7=5.61 kN

(10)

30 mm厚混合砂浆：

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)

挑檐间横梁：

5×0.12×0.3×1.8=0.32 kN

(14)

式(10)～(14)求和，得到单侧挑檐结构荷载合计：

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

(15)

③ 屋架构造荷载如下：

5根φ180 mm的圆杉木檩：

(16)

2根(100 mm×180 mm)方檩：

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，得到屋架构造荷载合计：

(1.91+0.54+1.94)×1.1=4.83 kN

(19)

④ 单侧屋架计算单元尺寸为长3 m、宽3.3 m，荷载增大系数取1.1，故单侧屋架重：

(20)

(2) 竖向立柱杆件。

边柱：φ270 mm的圆木杉

(21)

中柱：φ300 mm的圆木杉

(22)

每个计算单元的荷载通过4根立柱传递至桥面，4根柱子与桥面节点作用如图2所示，通过结构力学方法得出桥面荷载到每根柱子的传力系数依次为：N1(-0.083)、N2(0.583)、N3(0.583)、N4(-0.083)。

图2 桥面节点计算(单位：mm)

将上部建筑荷载简化为集中力施加到桥面平苗上，故计算得出每根柱子的节点处竖向作用力为：

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 数值分析

3.1 参数选取

拱架构造按传统手法制作，桥木拱架部分由上、下两层系统组成。上层采用5根稍短的圆木纵连成五折边形拱架，俗称“五节苗”，下层为3根圆木纵向连成八字形拱架，俗称“三节苗”。“三节苗”与“五节苗”互相穿插，交错排列，通过牛头连接共同承受桥面传递来的竖向荷载。牛头木材强度按TC17，三节苗、五节苗强度按TC15，斜撑木材强度按TC13计算。所用木材按GB 50005-2003《木结构规范》取值，具体材料参数见表1。

3.2 模型建立

采用有限元SAP2000建模计算，模型材料属性见表1。将桥面沿长度方向按照上述结构荷载计算等间距划分计算单元，每个计算单元4个受力点，单元与单元只在节点处相连，只通过节点传力，外部荷载均移到节点上，四节点荷载值N1=N4=10.97 kN，N2=N3=62.21 kN，计算单元面积为3 m×6 m，选取最大主跨为研究对象。

表1 材料参数

3.3 结果分析

3.3.1 变形结果

廊桥在恒载作用下的变形图如图3所示。

图3 廊桥恒载挠度图(单位：mm)

从图3可以看出：① 在自重作用下，结构整体变形协调，三节苗上部牛头、跨中挠度最大值分别为12.4、19.8 mm；② 根据结构荷载计算结果，按主跨跨中最不利位置计算最大挠度为17.56 mm，两者相差较小，说明结构选型合理。

3.3.2 内力结果

廊桥在荷载作用下的内力如图4所示。

图4 廊桥内力图(单位：kN)

从图4可以看出：① 廊桥上部廊屋结构受力不大。在竖向荷载作用下，桥主体结构三节苗、五节苗系统以受压为主；② 结构受到轴力最大位置位于平苗牛头上斜撑，其值为164.08 kN，据此计算最大正应力为6.45 MPa，满足强度要求；剪力最大值为三节苗上部牛头侧的平苗，其值为24.07 kN，计算最大剪应力为0.97 MPa，满足强度要求，与轴力相比，剪力值相对较小。

4 监控量测

4.1 监测测点布置

主桥测点布置：在每跨平苗牛头、三节苗牛头、三节平苗跨中处粘贴反射片，并进行标识。使用全站仪对每跨平苗牛头、三节苗牛头、三节平苗跨中处的反光片进行测量；桥面测点布置：在廊桥的东侧阁处选取可靠的位置，在地面打设十字铆钉，设置永久观测控制点，其中桥面上游永久观测点为廊桥入口左边紧靠第1根柱子，桥面下游永久观测点为进廊入口右边紧靠第1根柱子，记录两测点标高，以此基点为原点，测量桥面上部两侧木椅位置上固定线形测点的标高。

4.2 标高监测结果

主桥线形监测结果见图5；桥面线形监测结果见图6。

图5 主桥线形监测曲线图

图6 桥面线形监测曲线图

从图5、6可以看出：主桥初始值与实测值及桥面上、下游线形变化基本一致，且高程差值变化较小，说明结构选型合理。

4.3 桥面变形监测结果

通过现场实测数据结果，对比数值模拟，得到全桥变形曲线如图7所示。

从图7可以看出：① 桥面整体变形分布较均匀，在可控变形范围内；② 桥面主跨跨中变形最大，现场监测结果最大值为21 mm，边跨跨中变形最大值为17 mm；数值模拟结果最大值为19.8 mm，边跨跨中变形最大值为15.6 mm，两者相差较小，结构满足刚度要求。

图7 桥面线形变化曲线图

5 结论

(1) 廊桥(主跨39 m跨度)在恒载作用下，结构施工过程中变形相对较小，整体变形协调，挠度沿桥纵向分布较均匀，结构选型合理。

(2) 廊桥在成桥状态下，实测结构主跨跨中累积变形为21.0 mm，与数值分析结果19.8 mm基本接近，表明该廊桥的结构刚度满足计算要求，主桥结构材料处在弹性范围内，满足设计要求，同时说明有限元计算结果能够较准确地反映实际受力情况。

(3) 数值模拟与监控量测结果说明木拱廊桥的结构处于安全稳定状态。