大跨木拱廊橋的數(shù)值模擬與內(nèi)力分析

呂偉榮，陳 智，王智豐，梁 煒 ，周世軍 ，徐偉芬，沈明燕

（1.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201；2.中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙410004；3.麗水市林業(yè)建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 麗水 323000）

大跨木拱廊橋的數(shù)值模擬與內(nèi)力分析

呂偉榮1，陳 智1，王智豐2，梁 煒3，周世軍3，徐偉芬3，沈明燕1

（1.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201；2.中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙410004；3.麗水市林業(yè)建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 麗水 323000）

木拱廊橋在中國乃至世界橋梁史上是一種獨有的創(chuàng)造，它有著獨特的構(gòu)造特點與結(jié)構(gòu)受力性能。運用Sap2000分析軟件，對享有世界第一跨度的浙江麗水九龍國家濕地九龍木拱廊橋進行精細建模，研究廊橋在不同荷載工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度，并對分析結(jié)果進行對比。分析結(jié)果表明，“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”在2類工況下均能實現(xiàn)各桿軸力均勻變化，而彎矩、剪力相對較小，實現(xiàn)了拱結(jié)構(gòu)受力機制。

大跨木拱廊橋；拱結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；內(nèi)力分析

中國橋梁，有一類十分別致，即在世界橋梁史中絕無僅有的木拱橋。在橋梁上加造廊、屋、亭，就形成木拱廊橋，它是學術(shù)界最感興趣、爭議最為激烈的廊橋，近年來研究廊橋的專家還用“貫木拱橋”、“編木拱橋”來命名木拱廊橋的下部結(jié)構(gòu)。木拱廊橋的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特殊巧妙，不僅在中國木構(gòu)橋梁中技術(shù)含量最高，而且被認為是中國在世界橋梁史上的獨特創(chuàng)造，據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)存木拱廊橋僅有100多座，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。這些屬于文化遺產(chǎn)的木拱廊橋，具有相同的構(gòu)造特征體系和穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)性能[1-2]。

1 工程概況

九龍木拱廊橋為的仿古景觀步行廊橋，廊橋為5跨不等跨木拱結(jié)構(gòu)，工程廊屋部分為木構(gòu)，橋臺和橋墩為鋼筋混凝土框架和石構(gòu)相結(jié)合，總工程長203.75 m，中跨凈跨度為39 m，該跨度目前世界第一，兩邊兩跨凈跨度分別為28 m、22 m，橋面寬為5 m。如圖1～3所示。

2 木拱架組成及選用材料

拱架構(gòu)造按我國傳統(tǒng)工藝手法制作，橋木拱架部分由上下2層系統(tǒng)組成。下層為3根圓木縱向連成八字形拱架，俗稱“三節(jié)苗”，共9組；上層采用5根稍短的圓木縱連成5折邊形拱架，俗稱“五節(jié)苗”，共8組，與“三節(jié)苗”互相穿插（如圖4所示），通過牛頭共同形成受力的木拱架。

圖1 浙江麗水九龍國家濕地九龍廊橋Fig.1 Renderings for Jiulong Lounge Bridge of ZhejiangLishui Jiulong National Wetland

圖2 全橋整體結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Arrangement of overall structure of the bridge

圖3 39 m跨廊橋現(xiàn)場施工照片F(xiàn)ig.3 Field construction photo of 39 meters long span bridge

工程中所用木材及材料屬性按《木結(jié)構(gòu)規(guī)范》[3]取，牛頭木材強度按TC17，三節(jié)苗、五節(jié)苗采用冰片香和印茄，強度按TC15，其余斜撐苗構(gòu)件木材強度按TC13。由于實際工程中三節(jié)苗與五節(jié)苗是交錯排列且不在同一平面內(nèi)，單元和單元之間只在節(jié)點處相連，單元之間的力只通過節(jié)點傳遞，外荷載都要移置到節(jié)點上[4-10]，建模時為實現(xiàn)三節(jié)苗與五節(jié)苗之間力的傳導，在三節(jié)苗與五節(jié)苗相交處增加了彈性短桁架連接件代替牛頭，其強度選擇與牛頭木材強度一樣。

3 邊界條件

采用Sap2000進行建模分析[7]，選取最大跨度的第三跨（39 m）為研究對象，橋面兩端由于支撐在鋼筋混凝土橋墩上，按鉸接端處理，如下圖5所示[8]：

圖5 廊橋三維模型Fig.5 Lounge bridge three dimensional model

圖4 拱架局部Fig.4 Arch partial view

4 荷載計算

此橋為禁止通過機動車和人力勞動車的人行橋，采用人群荷載作為設(shè)計活荷載，主要考慮2類荷載工況，工況一：恒載+活載，工況二：恒載+橫向半跨半活載恒載：如圖6所示，橋面寬度方向4根立柱為中線，每3 m劃分為一個計算單元，如陰影部分所示。如圖6、7所示，橋面上每隔3 m設(shè)置4個木柱，中間設(shè)木枋，以承擔上部結(jié)構(gòu)的重量。為此，將上部建筑荷載簡化為集中力加到橋面平苗上，如圖8所示。故恒載作用下每根柱子節(jié)點處豎向作用力為：N1=N4=6.94 kN，N2=N3=53.24 kN，如圖8所示。

圖6 橋面荷載計算單元Fig.6 Calculation units of bridge deck loads

圖7 廊橋上部結(jié)構(gòu)剖面Fig.7 Bridges sectional view of upper structure

人群活荷載：同恒載簡化為集中力一樣，（1）全跨荷載作用下：N1=N4=-8.52 kN，N2=N3=59.8 kN；（2）橫向半跨荷載作用下：N1=-3.08 kN，N2=92.34 kN，N3=26.68 kN，N4=-13.34 kN。

圖8 橋面節(jié)點計算Fig. 8 Node computing for bridge deck

5 計算結(jié)果分析

（1）工況一（恒載+活載）

（2）工況二（恒載+半活載）

由表1、2可知“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”在兩類工況下均能實現(xiàn)各桿軸力均勻變化，而彎矩、剪力相對較小，表明“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”通過牛頭相互交叉能實現(xiàn)拱結(jié)構(gòu)機制。同時，牛頭的參與，在牛頭連接處彎矩和剪力相對較大且集中。與工況一對比，工況二由于出現(xiàn)偏心荷載，內(nèi)力值比工況一稍大。

表1 三節(jié)苗和五節(jié)苗內(nèi)力圖說明（工況一）Table 1 Internal force diagram illustrates of “three bar” and “five bar”(load condition one)

表2 三節(jié)苗和五節(jié)苗內(nèi)力圖說明（工況二）Table 2 Internal force diagram illustrates of“three bar” and “five bar” (load condition two)

（3）39 m跨廊橋撓度分析

荷載作用下結(jié)構(gòu)撓度變化，分工況一和工況二兩種工況，分析如下：

工況一：三節(jié)苗上部牛頭、跨中的撓度分別為6 mm，22.8 mm，如圖9所示。

工況二：三節(jié)苗上部牛頭、跨中的撓度分別為8.9 mm，32.24 mm，如圖10所示：

39 m跨廊橋撓度曲線變化圖，縱向變化對比圖如圖11所示，橫向變化對比圖如圖12所示。

圖9 廊橋整體撓度（工況一）Fig. 9 Overall de fl ection of lounge bridge (load condition one)

圖10 廊橋整體撓度（工況二）Fig.10 Overall de fl ection of lounge bridges (load condition two)

圖11 廊橋縱向撓度對比（單位mm）Fig.11 Def l ection comparison of bridge’s lengthwise direction

圖12 廊橋橫向撓度對比（單位mm）Fig.12 Def l ection comparison of bridge’s lateral direction(unit: mm)

6 結(jié) 論

本研究運用Sap2000分析軟件，對享有世界第一跨度的浙江麗水九龍國家濕地九龍木拱廊橋進行了精細建模，并根據(jù)廊橋受荷情況進行了數(shù)值模擬，研究了廊橋在兩種工況下的內(nèi)力及撓度，得出了以下結(jié)論：

（1）基于有限元方法，選擇合理的單元類型、材料本構(gòu)和邊界條件，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜木拱廊橋結(jié)構(gòu)的加載模擬，得到了較準確的計算結(jié)果。

（2）“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”在兩類工況下均能實現(xiàn)各桿軸力均勻變化，而彎矩、剪力相對較小，表明“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”通過牛頭相互交叉能實現(xiàn)拱結(jié)構(gòu)機制。

（3）同時，牛頭的參與，在牛頭連接處各構(gòu)件彎矩和剪力相對較大且集中，設(shè)計及施工時應予以重視。

[1] 肖 東, 程 霏. 中國木拱廊橋的構(gòu)造特點與結(jié)構(gòu)性能[C]. //2009中國古橋?qū)W術(shù)研討會論文集. 福州: 福州大學出版社,2009.

[2] 戴志堅. 中國廊橋[M]. 福州: 福建人民出版社, 2005.

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Numerical simulation and internal force analysis of large span wood arch lounge bridge

LV Wei-rong1, CHEN Zhi1, WANG Zhi-feng2, LIANG Wei3, ZHOU Shi-jun3, XU Wei-fen3, SHEN Ming-yan1
(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan , China;2. School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;3. Forestry Construction Development Company of Lishui City, Lishui 323000, Zhejiang, China)

Timber arch lounge bridge is a unique creation in the history of China and even the world, it has a unique structure characteristics and structural performance. By using the fi nite element analysis software Sap2000, a ref i ned modeling has been carried out, for Jiulong Wood Arch Lounge Bridge in Zhejiang Lishui Jiulong National Wetland, which enjoys a worldwide reputation as a fi rst long-span bridge. The structural internal force and def l ection under different load conditions were measured and studied. The results show that “Three bar”and “f i ve bar”under two kinds of working conditions can both realize the uniform axial force changes, while the bending moment, shear force were relatively small, thus realizing the mechanism of arch structure.

wood arch lounge bridge with large span; arch structure; numerical simulation; internal force analysis

S781.2；TU366.2

A

1673-923X(2014)08-0086-04

2014-02-27

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項資助（編號：201304504）；湖南省自然科學基金委員會與湘潭市政府自然科學聯(lián)合基金資助（編號14JJ5012）

呂偉榮（1974-），男，江西余干人，博士，博士后，副教授，主要從事組合結(jié)構(gòu)研究，高層抗震；E-mail：lwrxm@126.com

[本文編校：文鳳鳴]