中承式拱橋靜力特性研究

劉 沖

(中煤科工集團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

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

以某中承式拱橋為例，運用有限單元法，建立了該橋的有限元模型，對橋中運行荷載進行了分析，并通過荷載試驗，對橋梁的實際承載能力及安全狀況進行了評估，指出該橋梁橫向受力整體性較好，能夠滿足實際工程運行需求。

中承式拱橋，數(shù)值模擬，靜力分析，荷載

1 概述

有限元法在結構分析中有著非常廣泛的運用，它將連續(xù)的結構體分成若干個有限個不同的結構單元，每個結構單元依據(jù)結構形式特征賦予相應的屬性，各個單元之間由結點系統(tǒng)聯(lián)結并相互作用。在進行整體結構受力分析前，首先要對結構體的各個構件單元進行分析，用結點位移表示單元內(nèi)力，然后再將單元合成結構體進行整體受力模擬分析，最后建立結構體的整體受力平衡方程，最終求出單元體的受力及位移。在結構模擬分析過程中，需要根據(jù)實際結構類型及受力狀態(tài)選擇合理的結構體單元形式，賦予單元體相應的剛度特性，根據(jù)前期勘察及設計資料并結合結構運行中的實際荷載工況對結構體施加相應的結點荷載、結點位移及與實際情況相吻合的約束，然后才能通過模擬計算分析得出各個結構單元體的位移、應力及應變。通過模擬分析，可以直觀得出整個結構體受力及變形最大的單元位置，結構體最大變形位置及各個單元受力是否科學合理，能否滿足工程需要。

2 結構數(shù)值模擬分析及求解

某橋梁結構主要由主橋及其兩側(cè)的引橋構成。主橋結構體采用普通的中承式鋼筋混凝土拱橋結構，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的外設熱擠高密聚乙烯防護的平行鋼絲束，吊桿水平間距5 m。橋面結構類型采用T型簡支梁。橋面整體寬度29.5 m，設計載荷：汽車—超20級。

中承式拱橋結構單元包括橋拱、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件。在充分對勘察設計文件進行分析，又考慮了該橋的受力特性的基礎上對橋的各個結構進行了單元的選擇。采用三維梁單元(Beam188)作為該橋橫梁、橋拱和拱上立柱的有限單元模型，該結構單元的每個節(jié)點都是有六個自由度(三個平動自由度，三個轉(zhuǎn)動自由度)，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構形式。對橋的橋面采用了殼體單元(Shell63)，該單元同樣每個節(jié)點有六個自由度(分別為在x,y及z方向上的三個平動自由度和繞x,y及z軸的三個轉(zhuǎn)動自由度)。能夠表示出橋面各種受力特性及位移特性。結構類型同樣選用鋼筋混凝土結構形式。截面數(shù)據(jù)依據(jù)設計圖紙。橋上吊桿采用桿件結構。主要受軸向拉力作用，材料類型選用單一的鋼絲束類型。因此在建模過程中采用三種實常數(shù)，兩種結構單元，單元網(wǎng)格劃分階段最終劃分節(jié)點572個，單元759個。根據(jù)橋本身的力學特性，在受力分析過程中對拱腳及引橋的兩端分別設置固定端約束。依據(jù)勘察設計文件，各種材料信息如表1所示。

離散過程中要充分考慮荷載作用情況，使荷載作用處形成節(jié)點。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 構件材料信息

2.1 力的加載分析

考慮該橋的受力特點，依據(jù)設計資料，利用橋梁的對稱特性，模型分析荷載采用20 t東風載重汽車，車輛長4 m,重心位于車中心，間距為2 m。考慮到力的作用下變形最大的情況，計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。全橋結構加載受力如圖1所示。

2.2 跨中靜載實驗結果及分析

經(jīng)劃分單元網(wǎng)格并加載計算可得結果如下：

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

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

圖4中各單元應力云圖顯示出現(xiàn)最大應力位于橋面板兩側(cè)，為施加約束位置產(chǎn)生的結果，整個橋梁在運行過程中，兩側(cè)并非固定端約束，不會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。

拱肋梁的軸力圖見圖5。

表2 各個拉桿受力計算結果

拉桿編號拉力/kN應變拉桿編號拉力/kN應變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

對拉桿軸向拉力輸出如表2所示，表明各桿受力均勻，無應力集中及過大拉力出現(xiàn)，最大拉力出現(xiàn)在加載處為108 370 kN，應變?yōu)?.000 516 03，各桿現(xiàn)均處于彈性工作范圍內(nèi)，應變不大，能夠滿足規(guī)范設計要求。

3 結語

本文雖然用大型通用有限元軟件對拱橋極限承載力進行力學分析，并得到了可靠的分析結論，但此類分析過程仍存在不足之處：

1)由于時間的原因在進行模型簡化時，對橋的橫梁和板都進行了簡化，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一步確定。

2)用本模型在進行泊松比設置時，把它定為恒量實常數(shù)進行了處理，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ANSYS分析及處理過程進行更加深入的研究。

3)沒有考慮混凝土徐變、基礎位移及橋梁在使用過程中產(chǎn)生的損壞和應力的改變。

4)在進行靜載實驗時，對荷載情況也進行了簡化，而且沒有考慮施工過程中的荷載工況，這要求對現(xiàn)實施工情況有更進一步的了解，并用ANSYS進行更加精密的計算。

5)仿真模型與實際情況的差別也給研究的結論帶來一定不可靠性。

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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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