現(xiàn)代竹懸臂梁橋梁理論應(yīng)用研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

我國(guó)竹資源豐富且竹子生命周期較短，竹材的力學(xué)性能也優(yōu)于木材，而且竹材具有較高的抗壓強(qiáng)度，這使得竹材的具有混凝土不具有的優(yōu)良特性。但是，原竹材的彈性模量較低，如果只用原竹材作為制作橋梁構(gòu)件的材料，那么結(jié)構(gòu)的變形可能較大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)局限于變形控制，無(wú)法完美的發(fā)揮竹材的材料強(qiáng)度。因此，膠合竹的出現(xiàn)恰好的解決了這個(gè)問(wèn)題，如何將膠合竹良好的力學(xué)性能和工程結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，使竹材運(yùn)用為集經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、功能、效益一體的新型建筑用材具有重要的意義。

一、膠合竹的發(fā)展

現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)第一次將竹篾膠合而成的板材應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，從它誕生以來(lái)便受到了同行及社會(huì)各方面的支持和肯定，至今已經(jīng)取得了許多研究和應(yīng)用成果。其中，建造于2007年的耒陽(yáng)竹橋被發(fā)行量廣泛的美國(guó)《Popular Science(科技新時(shí)代)》雜志評(píng)為2008年最佳科技成果。在此之前，課題組還建造完成了世界第一座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)人行橋陽(yáng)以及竹結(jié)構(gòu)活動(dòng)房等。2007年10月，竹結(jié)構(gòu)課題組的主要負(fù)責(zé)人肖巖教授主持召開(kāi)了首屆現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)國(guó)際研討會(huì)，會(huì)議取得了圓滿(mǎn)成功，現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的理念也在會(huì)上引起了強(qiáng)烈反響。2008以來(lái)，肖巖教授帶領(lǐng)的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)課題組繼續(xù)對(duì)竹結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。于2007年開(kāi)始建造的竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房的建設(shè)已接近尾聲，各方面的研究如膠合竹材物理力學(xué)性能研究、竹結(jié)構(gòu)橋梁沉降的長(zhǎng)期觀測(cè)、竹材梁力學(xué)性能研究、竹結(jié)構(gòu)板房抗震及抗火性能研究等也在進(jìn)行之中。

二、膠合竹的力學(xué)性能

文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)重組竹試件單軸拉壓試驗(yàn)，得出重組竹的本構(gòu)關(guān)系及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其具體本構(gòu)關(guān)系參數(shù)如下表所示：

極限拉應(yīng)變(εte)/10×10-6極限拉應(yīng)力/Mpa比例極限壓應(yīng)變(εce)/10×10-6比例極限壓應(yīng)力/Mpa極限壓應(yīng)變(εce)/10×10-6極限壓應(yīng)力/MPa受壓彈性模量/Mpa12509144.27520442.072876458.318084

注：受壓彈性模量取值為比例極限壓應(yīng)力與比例極限壓應(yīng)變的比值，泊松比為0.4741。

三、竹懸臂梁橋梁可行性研究

國(guó)內(nèi)外關(guān)于竹橋處于起步階段，從已有的研究來(lái)看，將膠合竹應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)中，目前多用于建筑領(lǐng)域，而橋梁領(lǐng)域僅涉及簡(jiǎn)支梁橋,從已做的竹膠板材的材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，由于其抗壓和抗彎性能，而懸臂梁主要承受彎矩，這為竹膠板材向懸臂梁方面發(fā)展提供思路，本文就是基于此點(diǎn)將竹膠板作為主要受力構(gòu)件運(yùn)用于懸臂梁橋，來(lái)研究竹拱橋的受力性能，該懸臂梁的結(jié)構(gòu)圖如圖所示

(一)竹懸臂梁工程有限元建模：在結(jié)構(gòu)有限元模擬中，本文探討的是整體結(jié)構(gòu)的受力性能，懸臂梁結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ANSYS14.0建立空間精細(xì)化模型。其中，橫梁、縱梁、剛螺桿模擬均采用BEAM188單元模擬。采用SHELL181單元模擬橋面板。

(二)利用建立的有限元模型及簡(jiǎn)化后的本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)有限元軟件計(jì)算出懸臂梁結(jié)構(gòu)橫梁及縱梁的彎矩、應(yīng)力及豎向位移，來(lái)分析竹懸臂梁橋的靜力特性。參數(shù)分析中重點(diǎn)通過(guò)分析通過(guò)分析懸臂梁軸力、彎矩及支座反力來(lái)尋求竹橋的經(jīng)濟(jì)跨度。

(三)采用多自由度系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分析，模態(tài)提取方法為Block Lanczos 算法。通過(guò)對(duì)竹懸臂梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，并對(duì)自振頻率及振型進(jìn)行分析，得出結(jié)果進(jìn)行分析。

(四)利用動(dòng)力時(shí)程方法對(duì)竹懸臂梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析。時(shí)程分析法其原理就是將地震加速度時(shí)程曲線(xiàn)按時(shí)段進(jìn)行數(shù)值化以后，輸入結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)微分方程，再采用數(shù)值積分的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)，可以求出結(jié)構(gòu)桿件在每個(gè)時(shí)間段的內(nèi)力和變形情況。其次，通過(guò)調(diào)整后的兩條實(shí)際地震波與一條人工波對(duì)竹橋進(jìn)行多遇地震及罕遇地震下抗震性能分析；最后，通過(guò)El Centro罕遇地震波的輸入，改變結(jié)構(gòu)的連接桿距和橫梁層數(shù)參數(shù)研究不同參數(shù)對(duì)拱橋抗震性能的影響。

四、小結(jié)

傳統(tǒng)材料逐漸對(duì)環(huán)境造成了負(fù)面影響，其建筑材料如鋼筋、混凝土，在生產(chǎn)過(guò)程中消耗大量的能量并排放廢水、廢氣。并且工程拆除時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多的垃圾，這些是難以處理的，這無(wú)疑會(huì)對(duì)我們的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。正是在開(kāi)采原材料以及在建材垃圾處理時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生非常大的的破壞，使我們不得不尋求新的材料來(lái)替代傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)用料以使對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞盡可能的降低。正是如此，可持續(xù)發(fā)展正在被所有人接受，對(duì)于工程行業(yè)，提出“綠色建筑”與“綠色橋梁”的可持續(xù)發(fā)展理念。在橋梁行業(yè)去尋求新的環(huán)保材料去替代傳統(tǒng)的建筑材料(鋼筋、混凝土)是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間研究的重點(diǎn)，這也是當(dāng)今一個(gè)新的挑戰(zhàn)。