07-拱肋傾角對剛性系桿拱橋受力性能的影響_W

1、 拱肋傾角對剛性系桿拱橋受力性能的影響許力沱 王海良 常春偉 （天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，天津 ；軍事交通學(xué)院，天津 ） 摘 要：采用 軟件系統(tǒng)，以某跨度為 的剛性系桿拱橋?yàn)槔?，分兩種工況研究了該橋在恒載和恒載活載作用下拱肋傾角變化對該體系橋梁受力性能的影響。研究結(jié)果表明：拱肋傾角變化對其自 身變形、應(yīng)力等受力性能影響較大，對結(jié)構(gòu)動力特性及穩(wěn)定性影響也較大，對系梁影響相對較小；研究表明：在跨度 左右的剛性系桿拱橋中，設(shè)計(jì)時的拱肋傾角取值與施工過程中拱肋傾角偏差值應(yīng)該控制在 。研究結(jié)果可為同類型的橋梁設(shè)計(jì)與施工提供參考。 關(guān)鍵詞：剛性系桿拱橋；拱肋傾角；受力性能；影響研究 （，； ，） ：，

2、， ：； 鋼管混凝土系桿拱橋是一種新穎的結(jié)構(gòu)體系，該 體系是拱與梁的組合結(jié)構(gòu)，系梁與拱肋為剛性連接， 拱的推力由系桿承受而不傳給墩臺，并且不受地基不均勻沉陷的影響，因此對墩臺與基礎(chǔ)的要求降低。本文以某已建成的跨度為 的系桿拱橋?yàn)檠芯繉ο螅?利用有限元軟件 對其力學(xué)性能進(jìn)行分析，以得到該體系橋梁在拱肋傾角變化下的受力性 能規(guī)律。同時，需要指出的是本橋的拱肋剛度比值為，拱肋既承受軸向力也承受彎矩，為剛性系桿剛性拱結(jié)構(gòu)。 凝土箱形截面，系梁沿縱向等寬、等高。兩道拱肋間采用空心鋼管組成的道“米”字形橫撐和 道“”形橫撐實(shí)現(xiàn)橫向連接。每道拱肋下設(shè) 組平行鋼絲吊桿，全橋共組，拱軸線為二次拋物線，采用等高

3、度啞鈴形截面，截面寬 ，截面高 ，拱肋鋼管由厚度為 的 鋼板卷制拼接而成，鋼管內(nèi)填充 微膨脹混凝土，兩榀拱肋間橫向中心距 。橋上線路為單線，線路平面為直線，設(shè)計(jì)行車速度為，設(shè)計(jì)活載為 標(biāo)準(zhǔn)活載。全橋總體布置見圖。 工程概述 本文選取某主橋拱肋計(jì)算跨度為 的鋼管混凝土系桿拱橋，設(shè)計(jì)矢高，矢跨比為，該橋系梁按整體箱梁布置，采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混 總后軍事交通運(yùn)輸部重點(diǎn)項(xiàng)目（）；天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（）。 第一作者：許力沱，男，年出生，碩士。 ： 收稿日期： ， 工業(yè)建筑 年第卷增刊 圖 全橋總體布置 * 計(jì)算模型 根據(jù)本橋特點(diǎn)，采用有限元軟件 建立全橋的三維有限元計(jì)算模型，拱肋、橫撐、橋面 系

4、均采用三維梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬， 全橋劃分為 個桁架單元、 個梁單元，共 個結(jié)點(diǎn)。系桿的張拉力采用初拉力荷載實(shí)現(xiàn)，有限元模型見圖。 圖 全橋有限元計(jì)算模型 該橋的拱肋是鋼、混 凝土兩種材料組合而成的組合截面，由于主要進(jìn)行全橋整體靜力計(jì)算，而不需要計(jì)算構(gòu)件的局部應(yīng)力，所以，采用簡化的計(jì)算方法， 用同一種各項(xiàng)同性的材料模擬 拱肋梁單元，即將鋼、（相對于系梁軸線，負(fù)角度值代表拱肋外 傾，正角度值代表拱肋內(nèi)傾），建立 個模型，對這 個模型進(jìn)行有限元計(jì)算，對結(jié)構(gòu)在荷載作用下的靜力、動力及穩(wěn)定性能進(jìn)行分析比較。 拱肋傾角變化對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響 本文對該橋進(jìn)行靜力分析時重點(diǎn)研究了在恒載、活載下

5、的撓度和應(yīng)力。恒載主要有：主梁結(jié)構(gòu)自重，以體力計(jì)入；二期恒載，用分 布荷載來模擬其對結(jié)構(gòu)的作用?；钶d主要為：單線 標(biāo)準(zhǔn)活載。 通過有限元分析可知，在恒載以及恒載 活載作用下，拱肋最大位移發(fā)生在拱頂，系梁的最大位移發(fā)生在跨中位置處，為此，本文重點(diǎn)比較在恒載、恒載活載作用下，不同模型拱頂位移以及系梁跨中位移的變化規(guī)律。 表 拱肋外傾撓度最大值 和混凝土換算成一種單一的等效材料， 拱肋傾角 、。位置荷載工況 將鋼 混凝土原始截面換 算為等效截面換算原 則是換算前后抗拉剛度、抗壓剛度、抗彎剛度和抗扭剛度均相等。本文以全部等效為鋼材為例列出如下計(jì)算公式： （） 拱頂 恒載 恒載活載 系梁跨中 恒載 恒載

6、活載 （） 表 拱肋內(nèi)傾撓度最大值 拱肋傾角 （）位置荷載工況 （） （） 式中：、 分別為鋼管混凝土組合材料全部等效 為鋼材后的面積、慣性矩以及容重；、分別為鋼管截面的面積、慣性矩和彈性模量；、 分別為混凝土截面的面積、慣性矩和彈性模量。 拱頂 恒載 恒載活載 系梁跨中 恒載 恒載活載 由表和表 可看出：幾種工況下，拱肋傾角 結(jié)構(gòu)分析 為了更好地研究拱肋傾角變化幅度對橋梁整體 結(jié)構(gòu)帶來的影響，本文假設(shè)結(jié)構(gòu)其他的條件都不變， 僅改變拱肋傾角，分別取、 從 變化時，撓度最大值 的變化率分別為 、 、 、 ；拱肋傾角從變 化時，其 變 化 率 分 別 為 、 、 、 。拱肋傾角的變化對拱頂撓度影響

7、最大，在恒載活載作用下橋梁關(guān)鍵截面位置處撓度較僅 恒載作用下明顯。拱肋傾角內(nèi)傾對結(jié)構(gòu)撓度變化表 拱肋內(nèi)傾組合應(yīng)力最大值 影響較大，拱肋傾角外傾對結(jié)構(gòu)撓度變 化影響很位置荷載工況 拱肋傾角 小，不到 。拱肋內(nèi)傾角度不大于時，拱肋拱頂撓度變化好于內(nèi)傾角度大于等于的情況。拱肋傾角的變化對系梁跨中變形影響不大，系 梁跨中變形遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的 的限 值。因此，從撓度角度來看，拱肋傾角變化對系梁結(jié)構(gòu)撓度影響相對較小，同時拱肋內(nèi)傾角不宜過大，就本橋而言，在設(shè)計(jì)中拱肋傾角的取值和施 工過程中拱肋傾 角 偏 差 值均要求拱肋內(nèi) 傾 角度不應(yīng) 超度。 由成橋階段荷載組合下箱梁控制截面混凝土的組合應(yīng)力數(shù)據(jù)分析可知：

8、結(jié)構(gòu)系梁縱向頂板鋼束、腹板下彎鋼束、吊桿的初張拉力的施加，使得橋梁系梁在縱向基本處于全截面受壓狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期的目的。分析表明，恒載以及恒載 活載作用下系梁最大組合應(yīng)力均出現(xiàn)在端部拱腳下方附近位置處，拱 肋最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳附近。 為此，本文重點(diǎn)比較在不同荷載工況下不同模 拱頂 恒載 恒載活載 拱腳 恒載 恒載活載 系梁端部 恒載 恒載活載 從表 和表 可以看出，拱肋傾角的改變對拱肋受力影響是很大的，對系梁受力影響很小。拱肋傾角內(nèi)傾較拱肋外傾對結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力變化影響較大， 當(dāng)拱肋內(nèi)傾角大于等于時，拱肋截面受力變小， 同時活載對拱肋受力的影響開始變小。無論拱肋傾 角如何變化，整個拱肋受力都較均

9、勻。因此，從應(yīng)力角度來看，拱肋傾角變化對系梁受力影響相對較小， 同時拱肋內(nèi)外傾角不宜過大，就本橋而言，在設(shè)計(jì)中 拱肋傾角的取值和施工過程中拱肋傾角偏差值控制 在時結(jié)構(gòu)的受力更合理。 拱肋傾角變化對結(jié)構(gòu)動力性能的影響 型拱肋的組合應(yīng)力和系梁拱腳組合應(yīng)力的變化規(guī)律。 表 拱肋外傾組合應(yīng)力最大值 拱肋傾角 求解結(jié)構(gòu)的自振頻率或者周期實(shí)質(zhì)上是求解一個廣義特征值的問題。 求解特征值問題的方法很多，如逆迭代法、瑞利 里茲法、里茲向量法、子空間 位置荷載工況 迭代法、向量法。本文的動力特性分析使用拱頂 恒載 恒載活載 拱腳 恒載 恒載活載 系梁端部 恒載 恒載活載 蘭索斯法（ 法）求解模態(tài)特征值和特 征向量

10、。蘭索斯法采用稀疏矩陣方程求解，用一組向量來實(shí)現(xiàn)蘭索斯遞歸。在計(jì)算分析中，取結(jié)構(gòu)前 階振型進(jìn)行疊加，表 和表 中分別給出了拱肋傾角變化結(jié)構(gòu)的前 階振型計(jì)算結(jié)果，圖 給出原結(jié)構(gòu)前階振型。 拱肋傾角 階數(shù) 頻率 振型 頻率 振型 頻率振型 頻率 振型 頻率 振型 表 拱肋傾角外傾對橋梁自振頻率的影響 注：表中 、 分別表示面外振型、面內(nèi)振型、對稱振型、反對稱振型。 表 拱肋傾角內(nèi)傾對橋梁自振頻率的影響 拱肋傾角 階數(shù) 頻率 振型 頻率 振型 頻率 振型 頻率 振型 頻率 振型 第階 振型； 第階 振型； 第階 振型； 第階 振型圖 結(jié)構(gòu)振型 圖 面內(nèi)外階頻率比值隨拱肋傾角變化 因此，從動力角度來看

11、，拱肋傾角變化對結(jié)構(gòu)振型形態(tài)影響相對較小，就本橋而言，在設(shè)計(jì)中拱肋傾由表和表 可以看出，橋梁的第 階振型為側(cè)傾，表明結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剛度大于面外剛度。結(jié)構(gòu)的基頻隨著拱肋外傾角的增大有減小的趨勢，隨拱肋內(nèi)傾角的增大基本有增大的趨勢。當(dāng)拱肋傾角在 變化時，拱肋基頻變化不明顯，拱肋傾角內(nèi)傾使結(jié)構(gòu)從第 階振型形態(tài)開始發(fā)生改變，而拱肋傾角外傾對結(jié)構(gòu)的振型形態(tài)影響較小，只是當(dāng)外傾角為時第 階振型發(fā)生改變。拱肋傾角由 變化時對結(jié)構(gòu)的豎向基頻無影響，當(dāng)傾角大于等于時豎向基頻增大倍之多。 從圖 可以看出，在時面內(nèi)基頻與面外基頻之比基本在 附近，拱肋傾角取時達(dá)到最大值，說明此時面內(nèi)剛度是面外剛度的兩倍，設(shè)計(jì)時應(yīng)對結(jié)構(gòu)的

12、橫向剛度采取加強(qiáng)措施。 角的取值和施工過程中拱肋傾角偏差值應(yīng)該控制在 。 拱肋傾角變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響 為了探討拱肋傾角變化對剛性系桿拱橋穩(wěn)定性能的影響 ，本文考慮了兩種不同的工況作用下結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性，工況：僅有恒載作用；工況：恒 載活載共同作用。其中，活載按最不利情況布置， 考慮到乘車舒適性和安全性，用程序自帶的移動荷 載追蹤器功能分別追蹤到拱肋最大變形時列車的位置，然后按靜力荷載的形式把追蹤到的情況布置到橋面上，同時與恒載進(jìn)行組合。表 和表 給出了結(jié)構(gòu)在兩種荷載工況作用下彈性穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。圖 為恒載 活載作用下結(jié)構(gòu)面外、面內(nèi)的屈曲模態(tài)。 面外穩(wěn)定系數(shù) 恒載 恒載活載 變化率 面內(nèi)穩(wěn)定系

13、數(shù) 恒載 穩(wěn)定系數(shù)工況 表 拱肋外傾對彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響 拱肋傾角 恒載活載變化率 由彈性屈曲穩(wěn)定分析可知，活載因素對屈曲系數(shù)的影響較大，其中對面外屈曲系數(shù)影響較面內(nèi)大，最大達(dá)到了左右。兩種不同工況下屈曲安全系數(shù)變化明顯，屈曲安全系數(shù)均達(dá)到以上，均大于鐵路規(guī)范規(guī)定限值，彈性穩(wěn)定滿足要求。計(jì)算結(jié)果顯示，兩種工況下的面外失穩(wěn)及面內(nèi)失穩(wěn)模態(tài)形式相同，但屈曲系數(shù)不同。這表明移動荷載對橋梁的屈曲模態(tài)形式影響不大，但對穩(wěn)定系數(shù)有明顯影響。 由表可知，拱肋外傾角在變化時，結(jié)構(gòu)面內(nèi)面外屈曲安全系數(shù)變化不大，當(dāng)外傾角小于等于 時，面外屈曲安全系數(shù)急劇減小，減小最大幅度為，而面內(nèi)屈曲安全系數(shù)減小幅度不大，僅為 。

14、由圖可知，拱肋外傾并不改變結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)形式。對于本橋而言，拱肋外傾角不宜超過。由表可知，拱肋內(nèi)傾角在變化時，結(jié)構(gòu)面內(nèi)面外屈曲安全系數(shù)變化不大，內(nèi)傾角為時，結(jié) 構(gòu)面內(nèi)面外屈曲安全系數(shù)最小。當(dāng)內(nèi)傾角大于等于時，面外面內(nèi)屈曲安全系數(shù)急劇增大，面外屈曲安全 系 數(shù) 最 大 增 幅 為 ，面 內(nèi) 最 大 增 幅 度 為 。同時可以看出，拱肋內(nèi)傾角在在變化 時，屈曲模態(tài)形式相同，當(dāng)拱肋內(nèi)傾角大于等于時屈曲模態(tài)形式發(fā)生改變，失穩(wěn)形式有所不同。對于本 橋而言，拱肋內(nèi)傾角在之間更安全穩(wěn)定，但考 慮到施工方面的因素，拱肋內(nèi)傾角不宜超過。 穩(wěn)定系數(shù) 表 拱肋內(nèi)傾對彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響 拱肋傾角 面外穩(wěn)定系數(shù) 恒載

15、屈曲模態(tài) 恒載活載 屈曲模態(tài) 變化率 面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù) 恒載 屈曲模態(tài) 恒載活載 屈曲模態(tài) 變化率 基頻增大倍之多。 階面外屈曲模態(tài)；階面內(nèi)屈曲模態(tài) 圖 恒載活載作用下的拱肋外傾時結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài) ）移動荷載對橋梁的屈曲模態(tài)形式影響不大， 對穩(wěn)定系數(shù)有明顯影響。拱肋外傾并不改變結(jié)構(gòu)的 屈曲模態(tài)形式。內(nèi)傾角為時，結(jié)構(gòu)面內(nèi)面外屈曲 安全系數(shù)最小。當(dāng)內(nèi)傾角大于等于時，面內(nèi)面外屈曲安全系數(shù)急劇增大，拱肋內(nèi)傾角在變化時， 屈曲模態(tài)形式相同，當(dāng)拱肋內(nèi)傾角大于等于時 結(jié)語及建議 ）拱肋傾角的變化對拱頂撓度影響最大，對系梁跨中變形影響不大。在恒載活載作用下橋梁關(guān)鍵截面位置處撓度較僅恒載作用下明顯。拱肋傾角內(nèi)傾對結(jié)構(gòu)撓度變化影響較大，拱肋傾角外傾對結(jié)構(gòu)撓度變化影響很小。 ）拱肋傾角的改變對拱肋受力影響是很大的， 對系梁受力影響很小。拱肋傾角內(nèi)傾較拱肋外傾對結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力變化影響較大，無論拱肋傾角如何變化， 整個拱肋受力都較均勻。 ）結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度大于面外剛度，基頻隨著拱肋外傾角的增大有減小的趨勢，隨拱肋內(nèi)傾角的增大基本有增大的趨勢。拱肋傾角外傾使結(jié)構(gòu)從第階振型形態(tài)開始發(fā)生改變，而拱肋傾角內(nèi)傾對結(jié)構(gòu)的振型形態(tài)影響較小，拱肋傾角由變化時對結(jié)構(gòu)的豎向基頻無影