双曲拱桥力学性能分析

34. 2m 双曲拱桥力学性能分析 董建华　　陈　淮　　葛素娟 (郑州大学土木工程学院 　　河南郑州 　450002) 摘　要 　对 34. 2m双曲拱桥加固前、后的力学性能进行了分析。根据双曲拱桥的结构特点 ,采用有限元对其进行离散 ,利用 大型通用有限元结构分析程序 ANSYS对该桥加固前、后分别进行了受力和位移计算 ,并与试验结果进行了对比 ,评价了该桥 梁的加固效果。 关键词 　双曲拱桥 　加固 　力学分析 1 　引言 双曲拱桥是由沿桥跨方向的拱肋、铺设在拱肋 之间的拱波和浇筑在拱波上的拱板组成 ,为了加强 拱桥的整体性 ,在拱肋之间设置横系梁。由于这种 桥梁的施工采用化整为零 ,预制拱肋和拱波 ,再组合 拼装起来与现浇混凝土拱背层形成拱圈 ,使这种桥 梁在结构上比较轻盈 ,适宜于软土地基上建造 ,又因 为这种桥梁施工上装配化、省工省料、施工工艺易被 掌握等而使该桥型得到迅速推广。由于双曲拱桥的 构造和施工特点 ,桥梁在施工中存在稳定性不足 ,断 面抗弯性能较弱等缺点 ,影响了桥梁的寿命。随着 我国交通运输的不断发展 ,车辆特别是加重车辆迅 速增多 ,这些在 70 年代大量修建的双曲拱桥逐渐暴 露出结构和设计上的缺陷 ,出现了不同程度和不同 类型的病害 ,或者承载能力不足等问题 ,有的甚至达 到危害行车安全、影响正常交通运行的程度。考虑 到我国现阶段的国情 ,全部拆除重建不太可能 ,较为 切实可行的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是对现有桥梁进行承载能力评估 , 综合考虑社会、经济效益 ,对具有加固价值的桥梁进 行加固[1～4 ] 。河南公路路网中的某双曲拱桥 ,其设 计承载力偏低 ,为了提高其承载能力 ,需要对其进行 加固处理。为了评价加固效果 ,本文对该桥加固前、 后分别进行了结构受力和位移计算 ,通过计算数据 的对比 ,来评价桥梁的加固效果。 2 　桥梁简介 该双曲拱桥位于河南省南阳市境内 ,于 1971 年 建成通车 ,至今已使用 32 年。桥梁全长 34. 2m ,主 孔为 2 净跨 15 m 空腹式等截面双曲拱桥 ,矢跨比 1/ 6 ,拱轴线为圆弧线 ,桥面净宽 7m ,原设计荷载为汽 - 15 ,拖 - 60。该桥主拱圈由 6 个拱肋 5 个拱波组 成 ,为满堂式拱架施工。除拱肋、拱板、横墙底座为 现浇混凝土外 ,其余拱波、横系梁、横墙、腹孔拱圈均 为预制 ,横墙实体部分为浆砌混凝土块 ,石砌桥台 , 钻孔灌注桩墩。加固方案是采用锚喷混凝土施工工 艺 ,增大拱肋截面厚度 10cm。 3 　计算模型的建立 考虑到桥梁的对称性及墩台承载力较高等实际 情况 ,在建立双曲拱桥有限元模型时只取其中一跨 进行建模。采用大型通用有限元结构分析程序 AN2 SYS 进行计算 ,根据双曲拱桥的主拱圈为主要承重 构件的受力特点 ,本文主要对主拱圈进行力学性能 分析。对双曲拱桥进行有限元离散 ,主拱圈和桥面 系采用平面梁单元 BEAM3 ,为了突出主拱圈的受 力 ,立柱和实腹段采用平面杆单元 LINK1 ,将拱桥上 部结构的自重传递到主拱圈上。桥梁上部的结构等 效为由杆单元支承的连续梁体系 ,汽车荷载直接作 用到模拟桥面系的梁单元上 ,通过模拟立柱和实腹 段的杆单元传递到主拱圈上 ,根据模型要求在上部 连续梁体系的一端施加一个水平向的约束 ,两拱脚 处为固定约束。全桥共划分 49 个单元 ,其中梁单元 34 个 ,杆单元 15 个 ,桥梁有限元模型简图如图 1 所 示。桥梁各构件几何参数根据该桥梁设计图纸确 定 ,力学参数根据该桥梁实测数据确定。桥梁加固 前、后只是主拱圈的截面不同 ,其他计算参数相同。 图 1 　有限元模型简图 计算中考虑桥梁恒载和汽车荷载的共同作用 , 为了和试验结果对比 ,本文共进行了 8 种工况计算。 汽车荷载加固前为汽 - 15 的重车 ,加固后为汽 - 20 的重车。计算没有考虑荷载组合。计算工况如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 所示。 第 24 卷　第 1 期 2004 年 2 月 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 隧道建设 Tunnel Construction 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 24(1) :56～58 Feb. ,2004 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 1 　荷载工况 荷载工况 说明 荷载工况 说明 加 固 前 工况 1 汽车后轮上桥 工况 2 后轮处于L/ 4处 工况 3 后轮处于跨中 工况 4 后轮处于 3L/ 4处 加 固 后 工况 1 汽车中轮上桥 工况 2 中轮处于L/ 4处 工况 3 中轮处于跨中 工况 4 中轮处于 3L/ 4处 4 　计算结果及其分析 　　经过对该双曲拱桥加固前、后进行力学性能分 析 ,可以得到桥梁加固后各工况的变形图如图 2 所 示 ,同时也得到了各工况的内力图 ,限于篇幅 ,文中 只给出了桥梁加固前工况 3 对应的弯矩图和轴力图 如图 3 所示 ,加固后工况 3 对应的弯矩图和轴力图 如图 4 所示 ,加固后各工况对应关键截面弯距和轴 力数值列于表 2。 图 2 　加固前的各工况变形图 图 3 　加固前工况 3 对应的弯矩图、轴力图 图 4 　加固后工况 3 对应的弯矩图、轴力图 75第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　　　董建华　陈　淮　葛素娟　　34. 2m双曲拱桥力学性能分析 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 2 　主拱圈加固后内力计算值 荷载工况 弯距值 (N·m) L/ 4 截面 L/ 2 截面 3L/ 4 截面 荷载工况 轴力值 (N) L/ 4 截面 L/ 2 截面 3L/ 4 截面 工况 1 1. 60E + 05 5. 18E + 04 2. 75E + 04 工况 1 - 1. 95E + 06 - 1. 83E + 06 - 2. 02E + 06 工况 2 3. 78E + 05 1. 06E + 05 - 9. 04E + 04 工况 2 - 2. 27E + 06 - 2. 16E + 06 - 2. 36E + 06 工况 3 - 9. 46E + 04 3. 45E + 05 - 3. 96E + 04 工况 3 - 2. 57E + 06 - 2. 41E + 06 - 2. 66E + 06 工况 4 - 1. 01E + 05 3. 47E + 04 2. 85E + 05 工况 4 - 2. 28E + 06 - 2. 15E + 06 - 2. 45E + 06 　　根据桥梁规范公式[5 ] ,在最不利工况 3 下进行 了主拱圈截面强度验算 ,经过计算可知 :主拱圈关键 截面处基本处于全截面受压状态 ,最大压应力值没 有超过桥梁规范规定值 ,只有个别点出现拉应力 ,最 大拉应力为 0139MPa ,小于桥梁规范规定值 ,满足桥 梁规范要求。 由于位移计算结果数据较多 ,现仅将控制截面 (L/ 4 截面 ,L/ 2 截面 ,3L/ 4 截面) 的位移值以列表的 方式给出。表 3 为加固前后、各控制截面的位移值 , 表 4 给出了桥梁加固前对应位置的试验实测值 ,通 过对比表 3 和表 4 数据可以看出 ,计算结果和试验 值良好接近 , 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了本文所建立计算模型的正确性。 在原模型的基础上 ,按照桥梁加固后的主拱圈截面 重新计算 ,得到了桥梁加固后各控制截面的位移值 , 如表 3 所示。通过表 3 桥梁加固前、后数据对比可 以看出 ,加固后虽然汽车荷载等级提高了 ,但是各控 制截面处的位移值却大体相当 ,这就说明了桥梁加 固后能够实现承载能力提高的目的 ,说明加固的效 果是比较满意的。 表 3 　主拱圈加固前、后位移计算值 mm 荷载工况 L/ 4 截面 L/ 2 截面 3L/ 4 截面 荷载工况 L/ 4 截面 L/ 2 截面 3L/ 4 截面 加 固 前 工况 1 - 0. 61 - 0. 85 - 0. 46 工况 2 - 0. 53 - 0. 93 - 0. 52 工况 3 - 0. 46 - 0. 86 - 0. 61 工况 4 - 0. 42 - 0. 87 - 0. 70 加 固 后 工况 1 - 0. 55 - 0. 81 - 0. 44 工况 2 - 0. 60 - 0. 88 - 0. 44 工况 3 - 0. 53 - 0. 96 - 0. 53 工况 4 - 0. 41 - 0. 83 - 0. 62 表 4 　主拱圈加固前位移试验值 　　mm 荷截工况 L/ 4 截面 L/ 2 截面 3L/ 4 截面 工况 1 - 0. 55 - 0. 90 - 0. 43 工况 2 - 0. 62 - 1. 01 - 0. 53 工况 3 - 0. 60 - 1. 04 - 0. 59 工况 4 - 0. 41 - 0. 80 - 0. 55 　　桥梁规范[5 ]规定拱桥上部结构在一个桥跨范围 内的正负挠度的最大绝对值之和不大于 L/ 1000 ,该 桥主孔跨径为 15m ,规范容许的位移为 15mm ,表 3 中的数据说明该双曲拱桥加固后其位移满足规范规 定要求。 5 　结束语 目前我国公路网中存在大量 70 年代修建的双 曲拱桥 ,由于其在设计和施工上存在缺陷 ,使得这些 桥梁中的大部分处于带病工作状态 ,使公路交通安 全存在着一定的隐患。但是全部拆除该种桥梁重 建 ,需要大量的财力和物力 ,不符合我国国情 ,通过 对 3412m 双曲拱桥加固的力学分析 ,表明了带病工 作的有些桥梁经加固后仍能满足运营安全 ,是可以 继续利用的。本文对河南路网中的 3412m 双曲拱桥 加固前、后进行的力学性能分析方法的介绍 ,为同类 其它桥梁的处理提供了借鉴。 参考文献 1 　王哓阳 ,赵人达 . 危旧双曲拱桥的内力分析 [J ] . 工程设计 CAD 与智能建筑. 2001(9) 59～60 2 　张保兴 ,蔡立培 . 大型双曲拱桥病害分析及加固措施 [J ] , 西藏科技. 2001(2) :47 - 49 3 　周益云 ,赵人达 ,钟明全 ,王晓阳 . 大跨度双曲拱桥的静力 分析及加固措施[J ] .四川建筑科学研究. 2001(3) 13～15 4 　万世林 ,贾成宏 ,韩燕辉. 双曲拱桥加固后的承截力检验 [J ] ,安徽建筑. 2002(6) 99～100 5 　中华人民共和国交通部 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,公路砖石及混凝土桥涵设 计规范 (JTJ 022 - 85) [ S] ,北京 :人民交通出版社 ,1989 作者简介 :董建华 ,男 ,郑州大学硕士研究生 ,主要从事 工程结构计算。 收稿日期 :2003 - 10 - 09 85 隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 24 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.