謝亞旗

(深圳市建設(shè)工程造價管理站，廣東 深圳518031)

1 引言

從橋的基本功能來講，需要具有足夠的通行、跨越和承載能力。如何解決在滿足功能需求的同時，又達到降低橋本身的造價，從而實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益，是人們關(guān)注的熱點。降低造價不僅要減少材料的用量，還需盡可能降低施工成本[1]。除了以上需求，橋梁特別是城市橋梁，還要美觀，需要一個簡約而不簡單的外觀，從而給人賞心悅目的感覺。

2 方案與選型

本文通過制作橋梁結(jié)構(gòu)模型，研究橋梁結(jié)構(gòu)的受力及變形，為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。本次研究采用竹皮模擬制作橋梁模型。制作前期對幾種橋梁結(jié)構(gòu)進行選擇，主要考慮以下幾方面：

1）斜拉橋?qū)儆谌嵝越Y(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載下會產(chǎn)生明顯的變形，但是其可以有很大的跨度，實際工程中斜拉橋的跨徑一般為300～1000m[2]。用竹皮模擬制作的橋單跨跨徑約為1m，可以看作是小跨徑的公路橋，且對剛度有較高的要求。初期想充分發(fā)揮竹皮的抗拉性能，使拉索成為主要受力構(gòu)件，從而減輕模型的質(zhì)量，但制作出來的模型實際效果不理想，兩橋墩高度太高受彎矩較大。

2）拱橋比較適合小跨度的公路橋，但是拱橋?qū)τ诨A(chǔ)有特殊要求，特別是水平方向的支撐要求比較高。但在實際竹皮制作過程中發(fā)現(xiàn)要做出一個外觀良好且受力合理的拱橋制作難度較大。拱的高度較大穩(wěn)定性較弱。

3）桁架橋具有比較好的剛度，對于控制橋面板的位移比較有利。在控制位移的同時，桁架橋?qū)χ谱鞯囊笙鄬Ρ容^低，在基本的制作條件下就可以達到使用的要求，達到了施工簡單的目的，且制作桁架橋具有節(jié)省用材的優(yōu)點。

最終確定制作桁架拱橋體系，其最大的特點就是利用結(jié)構(gòu)桿件的軸向承載力和剛度傳遞側(cè)向荷載和重力荷載，從而提高結(jié)構(gòu)整體的荷重比，因此，有效性很高。而拱橋能通過拱合理地將壓力傳遞到基礎(chǔ)，而且各桿件所受軸力也較小。經(jīng)過合理設(shè)計，其結(jié)構(gòu)整體立面豐富，構(gòu)件受力合理，非常適用于單跨橋結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 創(chuàng)新改進

桁架拱橋主要受壓桿件近似成一個拱形，豎向荷載通過拱快捷傳給基礎(chǔ)，在拱的兩側(cè)其他桿件受力較小[3]。竹皮受拉強度高，主要破壞是由于壓桿失穩(wěn)，只要合理設(shè)計壓桿不破壞就能保證結(jié)構(gòu)有較高的承載力。于是把橋面做成一定的坡度，突出拱的特點，傳力更加快捷，受力更加合理。

由內(nèi)力分析結(jié)果可知，節(jié)點在桿件之間傳遞著拉力和壓力，由于制作的誤差，會有一定的偏心，產(chǎn)生彎矩和剪力。對于壓力，只要通過膠水連接，保證相連的桿件不滑動，桿件端部的接觸就能保證壓力的傳遞；對于拉力，單靠桿件之間的膠水連接是不可靠的，需要連接板傳遞，為了更好地利用竹條的特性，有意識把竹條的紋理順著拉桿。同時增加連接板，使得模型制作變得更加方便。

4 模型制作

從結(jié)構(gòu)的外形上看，選擇長方形主體形狀，受力合理，加載方便。直接使用膠水黏結(jié)，節(jié)點處采用矩形塊的連接板配合膠水粘住，以保證節(jié)點的穩(wěn)固性。斜桿相交時，斜桿一端鋸成一定角度，用膠水加固，這大大提高了斜桿與兩側(cè)弦桿的黏結(jié)面積從而增強穩(wěn)定性和強度。由于單片竹材抗壓承載力不足，因此，采用多層竹皮粘結(jié)成實心截面，從而提高其抗壓能力。根據(jù)SAP2000 軟件建立的模型分析結(jié)果，加強跨中兩側(cè)的豎桿和斜桿的厚度用以增加抗彎剛度。

5 模型計算與分析

本橋為上承式桁架拱橋，全橋荷載形式為靜載，包括橋體自重及豎向荷載、水平剎車力和橫向風(fēng)荷載。模型經(jīng)天平稱量的質(zhì)量m=203g，則橋模型自重W=mg=0.203×10=2.03N。

采用SAP2000 軟件對本橋在自重和50kg 的砝碼作用下進行靜力分析。首先建立有限元模型，由于節(jié)點連接處具有一定的剛度，在建立模型時，上下弦桿、腹桿、支撐等均采用梁單元，定義材料屬性和截面特性，施加支座約束。在兩邊上弦桿中間節(jié)點處分別施加集中力F1=250N、F2=200N 以及中間連桿上增加F3=30N 的風(fēng)荷載和F4=80N 的水平剎車力，經(jīng)過求解得到跨中節(jié)點的最大位移為0.66mm，遠小于40mm滿足要求。

從應(yīng)力圖可知，最大應(yīng)力遠小于竹皮的抗拉抗壓強度，材料的強度是足夠的，結(jié)點強度有保證，而且材料的抗拉能力很強，故模型的破壞主要是由于壓桿屈曲引起。設(shè)計時已考慮壓桿失穩(wěn)問題，并已加強，所以估計在前期加載的情況下，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，受力性能良好。但當(dāng)承載繼續(xù)增大至極限荷載時，桿件可能發(fā)生壓桿屈曲破壞，從而導(dǎo)致模型承載能力失效。

6 結(jié)論

本文以經(jīng)濟合理、施工簡單、造型美觀等為出發(fā)點，比選獲得剛性橋墩單跨桁架拱橋梁模型，用竹皮制作了該橋梁模型，并進行了加載試驗，得出以下結(jié)論：（1）橋梁結(jié)構(gòu)傳力快捷、有效是節(jié)約材料的重要影響因素。（2）結(jié)構(gòu)分析軟件能對結(jié)構(gòu)模型進行定性分析，找出受力規(guī)律；模型加載試驗?zāi)芸紤]制作誤差、真實受載環(huán)境，有利對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。數(shù)值分析和加載試驗相結(jié)合能有效地使設(shè)計達到最優(yōu)。（3）模型制作過程中，充分利用材料的特性，能較大地提高模型的承載力。