木拱廊橋結構分析與研究

木拱廊橋結構分析與研究

中國橋梁是世界橋梁史上唯一的一座獨特的木拱橋。在橋梁上加造廊、屋、亭,就形成木拱廊橋,它是學術界最感興趣、爭議最為激烈的廊橋,近年來研究廊橋的專家還用“貫木拱橋”、“編木拱橋”來命名木拱廊橋的下部結構。木拱廊橋的構造和結構特殊巧妙,不僅在中國木構橋梁中技術含量最高,而且被認為是中國在世界橋梁史上的獨特創(chuàng)造,據(jù)不完全統(tǒng)計,現(xiàn)存木拱廊橋僅有100多座,分布在福建、浙江、甘肅等地,其中絕大多數(shù)在福建北部和浙江南部。這些屬于文化遺產(chǎn)的木拱廊橋,具有相同的構造特征體系和穩(wěn)固的結構性能。1廊屋各工程特點九龍木拱廊橋為的仿古景觀步行廊橋,廊橋為5跨不等跨木拱結構,工程廊屋部分為木構,橋臺和橋墩為鋼筋混凝土框架和石構相結合,總工程長203.75m,中跨凈跨度為39m,該跨度目前世界第一,兩邊兩跨凈跨度分別為28m、22m,橋面寬為5m。如圖1~3所示。2“五節(jié)苗”與“3.5”的相互多穿合拱架構造按我國傳統(tǒng)工藝手法制作,橋木拱架部分由上下2層系統(tǒng)組成。下層為3根圓木縱向連成八字形拱架,俗稱“三節(jié)苗”,共9組;上層采用5根稍短的圓木縱連成5折邊形拱架,俗稱“五節(jié)苗”,共8組,與“三節(jié)苗”互相穿插(如圖4所示),通過牛頭共同形成受力的木拱架。工程中所用木材及材料屬性按《木結構規(guī)范》取,牛頭木材強度按TC17,三節(jié)苗、五節(jié)苗采用冰片香和印茄,強度按TC15,其余斜撐苗構件木材強度按TC13。由于實際工程中三節(jié)苗與五節(jié)苗是交錯排列且不在同一平面內(nèi),單元和單元之間只在節(jié)點處相連,單元之間的力只通過節(jié)點傳遞,外荷載都要移置到節(jié)點上,建模時為實現(xiàn)三節(jié)苗與五節(jié)苗之間力的傳導,在三節(jié)苗與五節(jié)苗相交處增加了彈性短桁架連接件代替牛頭,其強度選擇與牛頭木材強度一樣。3橋面兩端鋼絞合采用Sap2000進行建模分析,選取最大跨度的第三跨(39m)為研究對象,橋面兩端由于支撐在鋼筋混凝土橋墩上,按鉸接端處理,如下圖5所示:4分離式結構分配此橋為禁止通過機動車和人力勞動車的人行橋,采用人群荷載作為設計活荷載,主要考慮2類荷載工況,工況一:恒載+活載,工況二:恒載+橫向半跨半活載恒載:如圖6所示,橋面寬度方向4根立柱為中線,每3m劃分為一個計算單元,如陰影部分所示。如圖6、7所示,橋面上每隔3m設置4個木柱,中間設木枋,以承擔上部結構的重量。為此,將上部建筑荷載簡化為集中力加到橋面平苗上,如圖8所示。故恒載作用下每根柱子節(jié)點處豎向作用力為:N1=N4=6.94kN,N2=N3=53.24kN,如圖8所示。人群活荷載:同恒載簡化為集中力一樣,(1)全跨荷載作用下:N1=N4=-8.52kN,N2=N3=59.8kN;(2)橫向半跨荷載作用下:N1=-3.08kN,N2=92.34kN,N3=26.68kN,N4=-13.34kN。5跨橋墩撓度分析(1)工況一(恒載+活載)由表1、2可知“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”在兩類工況下均能實現(xiàn)各桿軸力均勻變化,而彎矩、剪力相對較小,表明“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”通過牛頭相互交叉能實現(xiàn)拱結構機制。同時,牛頭的參與,在牛頭連接處彎矩和剪力相對較大且集中。與工況一對比,工況二由于出現(xiàn)偏心荷載,內(nèi)力值比工況一稍大。(3)39m跨廊橋撓度分析荷載作用下結構撓度變化,分工況一和工況二兩種工況,分析如下:工況一:三節(jié)苗上部牛頭、跨中的撓度分別為6mm,22.8mm,如圖9所示。工況二:三節(jié)苗上部牛頭、跨中的撓度分別為8.9mm,32.24mm,如圖10所示:39m跨廊橋撓度曲線變化圖,縱向變化對比圖如圖11所示,橫向變化對比圖如圖12所示。6有限元分析在兩種工況下的應用本研究運用Sap2000分析軟件,對享有世界第一跨度的浙江麗水九龍國家濕地九龍木拱廊橋進行了精細建模,并根據(jù)廊橋受荷情況進行了數(shù)值模擬,研究了廊橋在兩種工況下的內(nèi)力及撓度,得出了以下結論:(1)基于有限元方法,選擇合理的單元類型、材料本構和邊界條件,能夠實現(xiàn)復雜木拱廊橋結構的加載模擬,得到了較準確的計算結果。(2)“三節(jié)苗”與“五節(jié)苗”在兩類工況下均能實現(xiàn)各桿軸力均勻變化,而彎矩、剪力相對較小,