基于剛性橋墩單跨橋梁結構模型制作的研究

謝亞旗

(深圳市建設工程造價管理站，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，從而實現良好的經濟效益，是人們關注的熱點。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構模型，研究橋梁結構的受力及變形，為橋梁結構設計提供參考。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構進行選擇，主要考慮以下幾方面：

1）斜拉橋屬于柔性結構，在風荷載下會產生明顯的變形，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。初期想充分發揮竹皮的抗拉性能，使拉索成為主要受力構件，從而減輕模型的質量，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，但是拱橋對于基礎有特殊要求，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現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，桁架橋對制作的要求相對比較低，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省用材的優點。

最終確定制作桁架拱橋體系，其最大的特點就是利用結構桿件的軸向承載力和剛度傳遞側向荷載和重力荷載，從而提高結構整體的荷重比，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，而且各桿件所受軸力也較小。經過合理設計，其結構整體立面豐富，構件受力合理，非常適用于單跨橋結構設計。

3 創新改進

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，在拱的兩側其他桿件受力較小[3]。竹皮受拉強度高，主要破壞是由于壓桿失穩，只要合理設計壓桿不破壞就能保證結構有較高的承載力。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。

由內力分析結果可知，節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

從結構的外形上看，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，節點處采用矩形塊的連接板配合膠水粘住，以保證節點的穩固性。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弦桿的黏結面積從而增強穩定性和強度。由于單片竹材抗壓承載力不足，因此，采用多層竹皮粘結成實心截面，從而提高其抗壓能力。根據SAP2000 軟件建立的模型分析結果，加強跨中兩側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荷載。模型經天平稱量的質量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 的風荷載和F4=80N 的水平剎車力，經過求解得到跨中節點的最大位移為0.66mm，遠小于40mm滿足要求。

從應力圖可知，最大應力遠小于竹皮的抗拉抗壓強度，材料的強度是足夠的，結點強度有保證，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。設計時已考慮壓桿失穩問題，并已加強，所以估計在前期加載的情況下，結構較為穩定，受力性能良好。但當承載繼續增大至極限荷載時，桿件可能發生壓桿屈曲破壞，從而導致模型承載能力失效。

6 結論

本文以經濟合理、施工簡單、造型美觀等為出發點，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，得出以下結論：（1）橋梁結構傳力快捷、有效是節約材料的重要影響因素。（2）結構分析軟件能對結構模型進行定性分析，找出受力規律；模型加載試驗能考慮制作誤差、真實受載環境，有利對結構的優化。數值分析和加載試驗相結合能有效地使設計達到最優。（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。