中承式拱橋靜力特性研究

劉 沖

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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中承式拱橋靜力特性研究

劉 沖

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

以某中承式拱橋?yàn)槔?，運(yùn)用有限單元法，建立了該橋的有限元模型，對(duì)橋中運(yùn)行荷載進(jìn)行了分析，并通過(guò)荷載試驗(yàn)，對(duì)橋梁的實(shí)際承載能力及安全狀況進(jìn)行了評(píng)估，指出該橋梁橫向受力整體性較好，能夠滿足實(shí)際工程運(yùn)行需求。

中承式拱橋，數(shù)值模擬，靜力分析，荷載

1 概述

有限元法在結(jié)構(gòu)分析中有著非常廣泛的運(yùn)用，它將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體分成若干個(gè)有限個(gè)不同的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元依據(jù)結(jié)構(gòu)形式特征賦予相應(yīng)的屬性，各個(gè)單元之間由結(jié)點(diǎn)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)并相互作用。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)受力分析前，首先要對(duì)結(jié)構(gòu)體的各個(gè)構(gòu)件單元進(jìn)行分析，用結(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)力，然后再將單元合成結(jié)構(gòu)體進(jìn)行整體受力模擬分析，最后建立結(jié)構(gòu)體的整體受力平衡方程，最終求出單元體的受力及位移。在結(jié)構(gòu)模擬分析過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)類型及受力狀態(tài)選擇合理的結(jié)構(gòu)體單元形式，賦予單元體相應(yīng)的剛度特性，根據(jù)前期勘察及設(shè)計(jì)資料并結(jié)合結(jié)構(gòu)運(yùn)行中的實(shí)際荷載工況對(duì)結(jié)構(gòu)體施加相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)荷載、結(jié)點(diǎn)位移及與實(shí)際情況相吻合的約束，然后才能通過(guò)模擬計(jì)算分析得出各個(gè)結(jié)構(gòu)單元體的位移、應(yīng)力及應(yīng)變。通過(guò)模擬分析，可以直觀得出整個(gè)結(jié)構(gòu)體受力及變形最大的單元位置，結(jié)構(gòu)體最大變形位置及各個(gè)單元受力是否科學(xué)合理，能否滿足工程需要。

2 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析及求解

某橋梁結(jié)構(gòu)主要由主橋及其兩側(cè)的引橋構(gòu)成。主橋結(jié)構(gòu)體采用普通的中承式鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)，拱肋采用箱形截面，用C40混凝土現(xiàn)澆而成。該拱橋矢高為33.6 m，矢跨比為1∶5，拱肋高3.5 m，寬為1.5 m，拱軸線為二次拋物線，如圖1所示。橋梁上56根吊桿兩側(cè)分布，吊桿采用60@7的外設(shè)熱擠高密聚乙烯防護(hù)的平行鋼絲束，吊桿水平間距5 m。橋面結(jié)構(gòu)類型采用T型簡(jiǎn)支梁。橋面整體寬度29.5 m，設(shè)計(jì)載荷：汽車—超20級(jí)。

中承式拱橋結(jié)構(gòu)單元包括橋拱、橋面、吊桿、橋面上橫梁和拱上立柱，橋拱和吊桿是拱橋的主要受力構(gòu)件。在充分對(duì)勘察設(shè)計(jì)文件進(jìn)行分析，又考慮了該橋的受力特性的基礎(chǔ)上對(duì)橋的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單元的選擇。采用三維梁?jiǎn)卧?Beam188)作為該橋橫梁、橋拱和拱上立柱的有限單元模型，該結(jié)構(gòu)單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是有六個(gè)自由度(三個(gè)平動(dòng)自由度，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)，能夠滿足梁的軸向變形和剪切變形；材料類型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。對(duì)橋的橋面采用了殼體單元(Shell63)，該單元同樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度(分別為在x,y及z方向上的三個(gè)平動(dòng)自由度和繞x,y及z軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)。能夠表示出橋面各種受力特性及位移特性。結(jié)構(gòu)類型同樣選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。截面數(shù)據(jù)依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙。橋上吊桿采用桿件結(jié)構(gòu)。主要受軸向拉力作用，材料類型選用單一的鋼絲束類型。因此在建模過(guò)程中采用三種實(shí)常數(shù)，兩種結(jié)構(gòu)單元，單元網(wǎng)格劃分階段最終劃分節(jié)點(diǎn)572個(gè)，單元759個(gè)。根據(jù)橋本身的力學(xué)特性，在受力分析過(guò)程中對(duì)拱腳及引橋的兩端分別設(shè)置固定端約束。依據(jù)勘察設(shè)計(jì)文件，各種材料信息如表1所示。

離散過(guò)程中要充分考慮荷載作用情況，使荷載作用處形成節(jié)點(diǎn)。拱肋由鋼管和混凝土組合單元組成，系桿為鋼絲束桿單元。

表1 構(gòu)件材料信息

2.1 力的加載分析

考慮該橋的受力特點(diǎn)，依據(jù)設(shè)計(jì)資料，利用橋梁的對(duì)稱特性，模型分析荷載采用20 t東風(fēng)載重汽車，車輛長(zhǎng)4 m,重心位于車中心，間距為2 m?？紤]到力的作用下變形最大的情況，計(jì)算采用在跨中處加載。橫向按4排，間距為5 m加載，車外邊界距拱為0.5 m。全橋結(jié)構(gòu)加載受力如圖1所示。

2.2 跨中靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)劃分單元網(wǎng)格并加載計(jì)算可得結(jié)果如下：

由圖2橋的整體結(jié)構(gòu)變形圖可以看出，該橋的整體變形不大，能夠滿足工程要求。各個(gè)桿件、梁、板沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。整個(gè)拱肋處于受壓狀態(tài)且受壓均勻在彈性變形范圍內(nèi)。

圖3中節(jié)點(diǎn)最大位移發(fā)生在載荷作用點(diǎn)處，最大位移為0.126 806 m。完全處于工程要求范圍之內(nèi)。

圖4中各單元應(yīng)力云圖顯示出現(xiàn)最大應(yīng)力位于橋面板兩側(cè)，為施加約束位置產(chǎn)生的結(jié)果，整個(gè)橋梁在運(yùn)行過(guò)程中，兩側(cè)并非固定端約束，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

拱肋梁的軸力圖見(jiàn)圖5。

表2 各個(gè)拉桿受力計(jì)算結(jié)果

拉桿編號(hào)拉力/kN應(yīng)變拉桿編號(hào)拉力/kN應(yīng)變1689410.32829E-0315108300.51605E-032689410.32829E-0316106200.50607E-033746640.35554E-0317882170.42008E-034747550.35611E-0318745610.35491E-035747800.35598E-0319745300.35310E-036744690.35609E-0320741550.35727E-037749370.35461E-0321750270.35684E-038750270.35684E-0322749370.35461E-039741550.35727E-0323744690.35609E-0310745300.35310E-0324747800.35598E-0311745610.35491E-0325747550.35611E-0312882170.42008E-0326746640.35554E-03131062800.50607E-0327689410.32829E-03141083700.51603E-0328689410.32829E-03

對(duì)拉桿軸向拉力輸出如表2所示，表明各桿受力均勻，無(wú)應(yīng)力集中及過(guò)大拉力出現(xiàn)，最大拉力出現(xiàn)在加載處為108 370 kN，應(yīng)變?yōu)?.000 516 03，各桿現(xiàn)均處于彈性工作范圍內(nèi)，應(yīng)變不大，能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文雖然用大型通用有限元軟件對(duì)拱橋極限承載力進(jìn)行力學(xué)分析，并得到了可靠的分析結(jié)論，但此類分析過(guò)程仍存在不足之處：

1)由于時(shí)間的原因在進(jìn)行模型簡(jiǎn)化時(shí)，對(duì)橋的橫梁和板都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并且用混凝土的彈性模量和密度代替了鋼筋混凝土的彈性模量和密度。鋼筋混凝土的彈性模量和密度還需要進(jìn)一步確定。

2)用本模型在進(jìn)行泊松比設(shè)置時(shí)，把它定為恒量實(shí)常數(shù)進(jìn)行了處理，混凝土的泊松比是隨著受力的不斷變化而變化的，這就需要對(duì)ANSYS分析及處理過(guò)程進(jìn)行更加深入的研究。

3)沒(méi)有考慮混凝土徐變、基礎(chǔ)位移及橋梁在使用過(guò)程中產(chǎn)生的損壞和應(yīng)力的改變。

4)在進(jìn)行靜載實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)荷載情況也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，而且沒(méi)有考慮施工過(guò)程中的荷載工況，這要求對(duì)現(xiàn)實(shí)施工情況有更進(jìn)一步的了解，并用ANSYS進(jìn)行更加精密的計(jì)算。

5)仿真模型與實(shí)際情況的差別也給研究的結(jié)論帶來(lái)一定不可靠性。

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On static force features of half-through arch bridge

Liu Chong

(CCTEGXi’anResearchInstitute,Xi’an710077,China)

Taking some half-through arch bridge as the example, the paper establishes the finite element model of the bridge with the finite element method, analysis bridge operating load, undertakes the evaluation of the bridge’s loading capacity and safety status from the loading test, and points out the horizontal stress of the bridge is generally better, so it meets the demands of the projects.

half-through arch bridge, numeric simulation, static force analysis, loading

1009-6825(2016)20-0174-02

2016-05-03

劉 沖(1985- )，男，碩士

U441

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