李曉斌,嚴(yán) 猛,羅鵬軍,余 取

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

外傾式非對(duì)稱曲線拱橋力學(xué)特性分析

李曉斌,嚴(yán) 猛,羅鵬軍,余 取

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

針對(duì)一座外傾式非對(duì)稱鋼箱拱橋,通過(guò)利用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件Midas/civil建立其空間桿系有限元模型進(jìn)行整體受力性能分析,探討主要受力結(jié)構(gòu)拱肋、吊桿以及鋼箱主梁的力學(xué)特點(diǎn);并通過(guò)外傾角的改變研究分析了吊桿內(nèi)力隨拱肋外傾角改變的變化規(guī)律,對(duì)于完善該類異型拱橋的設(shè)計(jì)理論、工程施工,確保結(jié)構(gòu)安全、設(shè)計(jì)合理等方面都有一定的參考價(jià)值。

外傾式拱橋;外傾角;吊桿內(nèi)力;動(dòng)力特性

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高以及橋梁建造技術(shù)的日益成熟,橋梁結(jié)構(gòu)已不僅限于滿足實(shí)現(xiàn)跨越障礙和溝壑這樣最基本的功能要求,越來(lái)越多的城市選擇利用橋梁結(jié)構(gòu)的美學(xué)特點(diǎn)來(lái)提升城市的景觀效果,并取得了不錯(cuò)的效果[1,2]。拱結(jié)構(gòu)本身具有優(yōu)美的曲線造型,同時(shí)能給人一種很強(qiáng)的力度感,這使得拱橋成為橋梁結(jié)構(gòu)形式中最富于變化的結(jié)構(gòu)體系。其中拱肋結(jié)構(gòu)的變化形式最為豐富,如拱肋材料、拱肋數(shù)量、拱肋橫截面的改變以及拱面傾角的變化。為爭(zhēng)求更大的橋上空間,已由最初的拱面垂直平行逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的拱面外傾,外傾式拱橋以其新穎、奇特、變異的造型很好地滿足了人們的求變心理。

外傾式非對(duì)稱曲線拱橋,風(fēng)格獨(dú)特,富有藝術(shù)美感,與周圍環(huán)境及景觀協(xié)調(diào)融合[3-5]。對(duì)位于曲線上的橋梁,采用平面曲線主梁和外傾式非對(duì)稱鋼箱拱相結(jié)合的橋型,既能滿足交通功能,適用于線路曲線的需要,同時(shí)增添了橋梁的景觀效果,與自然景觀融為一體,體現(xiàn)了現(xiàn)代城市的時(shí)代氣息。但是由于過(guò)多追求其外形上的改變,容易造成外傾式非對(duì)稱曲線拱橋橋型在力學(xué)特性方面的合理性不足,導(dǎo)致難以把握其結(jié)構(gòu)受力特性[6-9]。

本文即針對(duì)一座外傾式非對(duì)稱曲線剛箱拱橋,利用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件Midas/civil建立其空間桿系有限元模型,計(jì)算分析了結(jié)構(gòu)在自重、二期恒載、汽車、人群荷載作用下的整體受力特性,同時(shí)還對(duì)其兩側(cè)拱肋外傾角度的變化對(duì)吊桿內(nèi)力的影響進(jìn)行了研究。

1 工程概況

橋梁主跨采用150 m跨徑曲線梁外傾非對(duì)稱鋼箱拱橋,全橋采用30 m+150 m+56 m的孔跨布置,主橋及引橋均位于R=600 m的平面圓曲線內(nèi),主橋上部結(jié)構(gòu)由2條獨(dú)自向外側(cè)傾斜的拱肋、曲線扁平鋼箱梁、吊桿共同組成一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)體系,共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的所有恒載和活載。橋梁主拱由混凝土拱肋和鋼箱拱肋組成,其中北側(cè)拱肋向外傾斜24°,南側(cè)拱肋向外傾斜18°,鋼箱拱肋段拱軸線采用m=1.5的懸鏈線線形,混凝土拱肋段由圓曲線和直線組成。

鋼和混凝土箱拱肋均采用等寬變高的單箱單室截面,鋼箱拱肋高度按2.5次拋物線由拱頂由3.0 m漸變?yōu)殇?混凝土交界面的5.0 m,混凝土箱拱肋高度按2.5次拋物線由上端的5.1 m漸變?yōu)槌信_(tái)頂面的7.0 m,南、北側(cè)拱肋各設(shè)置19根吊桿。其總體布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位:cm)

主梁采用封閉式扁平鋼箱梁截面型式,平面曲線半徑為600 m,主梁全寬41 m,其橋面布置為:3.5 m人行道+4.0 m非機(jī)動(dòng)車道+2.0 m側(cè)分帶+0.5 m路緣帶+3×3.25 m車行道+0.5 m雙黃線+3×3.25 m車行道+0.5 m路緣帶+2.0 m側(cè)分帶+4.0 m非機(jī)動(dòng)車道+ 3.5 m人行道。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:mm)

2 結(jié)構(gòu)整體受力分析

2.1 有限元模型的建立

利用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)有限元軟件Midas/Civil建立全橋結(jié)構(gòu)空間桿系有限元模型。由于只針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力特性進(jìn)行計(jì)算分析,因此采用梁?jiǎn)卧M其扁平鋼箱主梁和拱肋,桁架單元模擬其吊桿[10,11]。這樣,橋面系和拱肋的剛度和質(zhì)量都分別集中在橋面系軸線和拱肋軸線的節(jié)點(diǎn)上,節(jié)點(diǎn)與吊桿直接利用剛臂進(jìn)行連接。拱腳處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全自由度約束,以模擬與基礎(chǔ)的固結(jié),主梁一端采用固定鉸支座,一端采用滑動(dòng)鉸支座。全橋結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

2.2 拱肋內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

在恒載和活載作用下拱肋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力如圖4～圖6所示。

圖4 拱肋軸向壓力分布

圖5 拱肋平面面內(nèi)彎矩分布

圖6 拱肋平面面內(nèi)剪力分布

從圖中可以看出,南(主梁軸線外側(cè))北(主梁軸線內(nèi)側(cè))側(cè)拱肋的所受軸向壓力存在一定差別,在混凝土拱段兩側(cè)拱肋內(nèi)軸向壓力基本相同,且都在混凝土拱段與鋼拱肋交接處達(dá)到最大,可能是由于在交接處剛度有較大突變而導(dǎo)致;但是,在鋼拱肋段北側(cè)拱肋所受軸向壓力明顯大于南側(cè)拱肋,且越靠近拱頂段相差越大。而南、北兩側(cè)拱肋的平面內(nèi)彎矩和剪力的分布情況則基本相同,在混凝土拱段內(nèi)都存在較大彎矩和剪力,在鋼拱肋段內(nèi)則基本沒(méi)有彎矩和剪力。

2.3 吊桿內(nèi)力結(jié)果

在恒載和活載作用下吊桿的內(nèi)力如圖7所示。

從圖7中可以看出,吊桿內(nèi)力以靠近拱腳附近最大,向跨中逐漸減小。南側(cè)吊桿最小拉力為1 425.4 kN,最大拉力為1 831.1 kN,最大值為最小值的1.28倍;北側(cè)吊桿最小拉力為1 327.2 kN,最大拉力為2 136.3 kN,最大值為最小值的1.61倍?？梢?jiàn),主梁曲線外側(cè)(南側(cè))吊桿拉力較曲線內(nèi)側(cè)(北側(cè))吊桿拉力分布均勻。

圖7 吊桿內(nèi)力

2.4 結(jié)構(gòu)自振特性

成橋狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)的前6階振型的頻率及振型特點(diǎn)[12]如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)前6階模態(tài)

3 外傾角對(duì)吊桿內(nèi)力影響研究

分別就南北側(cè)拱肋不同外傾角度計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果提取吊桿在恒載作用下的內(nèi)力,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 恒載作用下吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果kN____

由于全橋結(jié)構(gòu)關(guān)于鋼箱梁跨中左右對(duì)稱,僅提取一半的吊桿計(jì)算結(jié)果。

以北側(cè)24°南側(cè)18°為基準(zhǔn),分別計(jì)算改變拱肋外傾角后吊桿內(nèi)力變化情況,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 拱肋外傾角改變后吊桿內(nèi)力變化情況%____

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出,在恒載作用下,外傾式非對(duì)稱鋼箱曲線拱橋吊桿內(nèi)力以靠近拱腳處最大,向跨中逐漸減小。圓曲線內(nèi)側(cè)(即北側(cè))吊桿內(nèi)力較外側(cè)(即南側(cè))吊桿內(nèi)力分布均勻,內(nèi)側(cè)吊桿力變化范圍為982～1 400 kN,而外側(cè)吊桿力變化范圍為853～1 661 kN。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果,當(dāng)拱肋外傾角減小,僅靠近拱腳處的吊桿的內(nèi)力增大之外,其余吊桿內(nèi)力均有所減小。南側(cè)拱肋外傾角減小,對(duì)北側(cè)吊桿內(nèi)力影響較大,拱腳處吊桿內(nèi)力增大達(dá)20%,其余吊桿內(nèi)力減小幅度為7.5%到12.4%;南側(cè)吊桿內(nèi)力變化則相對(duì)較小,拱腳處吊桿內(nèi)力增大11.6%,其余吊桿內(nèi)力減小幅度僅為2.4%到4%。而北側(cè)拱肋外傾角減小,對(duì)南側(cè)吊桿內(nèi)力影響較大,拱腳處吊桿內(nèi)力最大增幅達(dá)26.2%,其余吊桿內(nèi)力減小幅度為6.9%～22.4%;北側(cè)吊桿內(nèi)力變化幅度則相對(duì)較小,拱腳處吊桿內(nèi)力增大12.4%,其余吊桿內(nèi)力減小幅度僅為1.8%～6.1%。由此可見(jiàn),各側(cè)拱肋外傾角的變化對(duì)其異側(cè)的吊桿內(nèi)力影響很大,對(duì)同側(cè)的吊桿內(nèi)力影響則相對(duì)較小。同時(shí),除個(gè)別吊桿外,吊桿內(nèi)力隨著拱肋外傾角的增大而增大,且角度越大吊桿內(nèi)力增速越快。

4 結(jié)語(yǔ)

外傾式非對(duì)稱鋼箱曲線拱橋?yàn)橐豢臻g異型結(jié)構(gòu),主要承重結(jié)構(gòu)拱肋以及傳力構(gòu)件吊桿等的受力情況都相當(dāng)復(fù)雜,作為主要傳力體系的吊桿的內(nèi)力對(duì)拱肋外傾角的變化相當(dāng)敏感,在外傾式非對(duì)稱曲線拱橋設(shè)計(jì)時(shí),需要特別注意拱肋的設(shè)計(jì),特別是混凝土拱段與鋼拱肋交接處,由于拱肋剛度在此處發(fā)生突變,內(nèi)力分布情況也產(chǎn)生了較大變化。從拱肋軸力和吊桿內(nèi)力都可以發(fā)現(xiàn),主梁曲線內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力情況較外側(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件更為不利,可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定優(yōu)化設(shè)計(jì)(如調(diào)整拱肋外傾角、吊桿初張拉力等),以達(dá)到使全橋結(jié)構(gòu)受力更加均勻、設(shè)計(jì)更加合理的目的。

[1] 余如丹.橋梁美學(xué)漫談[J].國(guó)外公路,1998(1):5-9.

[2] 高振宇,郭文軍,陳峰.橋梁設(shè)計(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)的美學(xué)考慮[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2001(1):7-9.

[3] 李喬,李麗.異型拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析[J].公路交通科技,2001, 18(1):31-35.

[4] 李麗,李喬.對(duì)一種新型拱橋結(jié)構(gòu)的美學(xué)分析及內(nèi)力特性研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2003,29(2):107-109.

[5] 辛麗華.中承式外傾式拱橋的美學(xué)與力學(xué)[J].公路,2007(2): 43-45.

[6] 周資斌.公路下承式異型拱橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析[J].公路, 2011(4):30-33.

[7] 肖雄杰.某異型系桿拱橋空間力學(xué)特性分析[J].橋梁建設(shè),2012, 42(1):60-66.

[8] 劉彬斌,吳沖,蘇慶田.外傾式非對(duì)稱鋼箱拱肋橋的拱梁聯(lián)結(jié)體系分析[J].工程結(jié)構(gòu),2006,26(3):96-98.

[9] 王瑋瑤,李生智,陳科昌.異型系桿拱橋[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),1996, 9(3):45-50.

[10]王國(guó)安,李德慧.大跨飛燕式異型拱橋試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(4):58-61.

[11]霍學(xué)晉,韓立中.異型拱橋的幾何非線性分析[J].公路交通科技, 2013,30(7):46-53.

[12]陽(yáng)治群.異型拱橋動(dòng)力特性分析[D].大連:大連理工大學(xué),2009: 23-25.

Study on Mechanical Characteristics of Asymmetric Curved Arch Bridge with Outward-Inclined Ribs

LI Xiao-bin,YAN Meng,LUO Peng-jun,YU Qu
(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Focusing on an outward-inclined asymmetric steel-box arch bridge,its spatial finite element model was established by employing the bridge engineering software MIDAS CIVIL so as to analyze the working stress state of the whole arch bridge.Meanwhile,the mechanical behaviors of the main loadbearing structures were researched,including the arch ribs,the suspenders and the steel box girder. Moreover,the relationship between the internal forces of the suspenders and the different camber angles of the arch ribs was obtained in this study.The research results can be used as reference for perfecting design theory and construction method of this kind of special-shaped arch bridge,for ensuring structural safety,for boosting reasonability of design,and so on.

arch bridge with outward-inclined ribs;camber angle;internal force of suspenders; dynamic characteristics

U448.22;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.019

1004-2954(2014)08-0081-04

2013-11-15;

2013-12-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)百人計(jì)劃項(xiàng)目資助(SWJTU09BR004)

李曉斌(1982—),男,講師,E-mail:511324910@qq.com。