钢筋混凝土肋型斜拱桥的力学性能分析.pdf

第9 期 2 0 0 8 年9 月 广东土 木与 建筑 GUANGD0 NG ARC HI T E C TUR E C I VI L ENGI NE E RI NG N 0 9 S E P 2 0 0 8 钢筋混凝土肋型斜拱桥的力学性能分析 吴卫星 1 何扬春 2 ( 1 、 驻马店市市政工程勘测设计处 河南驻马店 4 6 3 0 0 0；2 、 广州大学土木工程学院 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘 要 ： 斜拱桥的力学特点与正交拱桥有很大 区别， 文中主要介绍斜拱桥 的计算方法， 通过钢筋混凝土斜肋拱桥 的 空间有限元分析 ， 讨论斜度、 横向联 系刚度及支承 刚度对斜拱桥受力性能的影响， 并据 此提 出相关工程设计 建议 。 关键词 ： 斜拱桥 ；有限元 ；受力性能 1 前 言 由于现代道路快速交通的需要 斜桥大量地 出 现 对其受力性能和设计计算方法的研究相当活跃 对斜板桥 斜梁桥和斜箱桥等结构 应用模型试验和 电算分析手段进行了大量研究 对其受力性能有 了 规律性的了解 并提 了一些简化计算方法 斜桥 的形式除常见的斜板桥 、 斜梁桥和斜箱桥外 在桥梁 建筑高度和地形条件受 限制时 如城市跨线桥 ， 拱桥 由于具有较大的通行空间也具有相 当大的优势 拱 桥是我国公路 中常见 的一种桥梁形式 以拱肋为桥 身主要承重结构 与梁桥相 比 在竖向荷载作用下拱 脚处除有竖 向反力外 还有水平推力的作用 使得拱 内弯矩大大减小 ( 部分拱桥拱肋只承受轴 向压力 ) 。 有效地提高 了拱桥的经济性能 扩大了其使用范围 而且斜拱桥在我 国公路上并不常见 故相应的研究 较少 本文就斜拱桥中的受力状况进行分析。 2工程概 况 克山跨铁路桥旧桥为单跨混凝土肋拱桥 ， 拱肋 截面宽 4 5 0 mm、 高 6 0 0 m m， 净 跨径 为 3 9 m， 桥 面宽 3 0 m 由 1 1片钢筋混凝土拱肋组成 ， 斜交角为 2 5 o ， 矢跨比约为 1 ： 7 5 混凝土强度等级为 C 3 0 。该桥旧 桥在 2 0 0 0年曾进行过加固维修 在桥两侧各加设了 2片钢管混凝土拱肋 ， 外径 4 0 0 ra m、 壁厚 8 ram。该桥 3 4 加 固后 的设计荷载为汽一 2 O 挂一 1 0 0 其立面及平面 如 图 1 所 示 。 3 计算结果及分析 3 1 斜度对斜拱桥静力性能的影响 利用 M I D A S C I V I L 软件分别建立了斜度 ( 指 中 轴 线 垂 线 与 支 承线 的夹 角 ) 为 0 。 、 2 5 o 、 4 5 。 的 3种 空 间梁 格有 限元模 型 主要 分 析斜度 、 横 向 联 系 和 支 承 条 件 对 斜 拱 桥 受 力 性 能 的影 响 它 们 均 考 虑 了 横 隔 板 和 桥 面 板 的作 用 该拱 桥 为 两 铰 拱 结 构 支座采用 弹 ( b )2 5 。 斜拱桥 ( c )0 o 正 拱 桥 图 2拱桥有限元模型 性支承 有限元模型如图 2所示。 为了分析该桥的受力性能 对 3种有限元模型施 加3 种工况的汽车荷载( 每车4 0 0 k N ) ， 即 工况 1 ： 在桥跨中附近加载 2 辆汽车； 工况 2 ： 与工况 1 加 图 1 跨铁路旧桥立面及平面图 载 车 平 行 处 再 加载 l 辆汽车 ： 工况 3 ： 与工 况 2平行 处 再 加 载 1 辆 汽 车 各加 载 工况如 图 3 所 示 此 时 2 1 10 8 年9 月 第9 期 吴 卫星 等： 钢筋混 凝土肋 型斜拱 桥的力学 性能 分析 S E P 2 O o 8 N o 9 表 1 不同斜度 时斜拱桥在工况 l 荷载作 用下 的计算值 斜卅 工 况 1 工 况 2 工 况 3 菱 丽 跨中 拱 脚 轴 力( k N ) 跨中 拱脚 轴 力( k N ) 跨中 拱 脚轴 力( k N ) 弯矩挠 度 1 2 弯矩 挠度 1 2 弯矩 挠度 1 2 ( k N m) ( m m) ( k N m) ( m m) ( k N m) ( mm) 1 1 7 9 6 0 4 - 2 3 6 1 6 7 21 9 - 7 2 4 - 2 61 - 2 0 3 21 9 8 5 9 2 8 3 2 6 3 2 6 3 8 7 9 1 4 1 O 一1 71 7 7 7 1 O 1 9 5 2 8 2 1 7 7 6 6 -1 2 3 4 - 5 9 8 - 2 9l 45 3 2 3 2 5 8 5 3 5 5 1 2 2 9 7 0 9 4 0 5 91 1 71 8 7 4 1 2 3 7 - 7 0 7 - 2 5 5 4 11 1 3_ 3O -2 07 -7 46 34 3 6 1 0 439 1 1 4 35 1 8 95 -5 71 1 8 4 1 21 O 一 5 8 2 - 2 4 6 1 5 7 2 3 2 6 7 4 2 6 0 1 8 8 2 3 5 8 01 -2 7 9 - 2 4 5 2 6 3 5 8 0 7 - 4 6 3 1 71 7 7 7 -1 0 2 3 - 5 8 6 - 2 1 4 7 9 4 -1 2 4 0 6 6 4 - 2 8 3 2 5 3 3 0 7 6 0 3 3 7 6 1 21 9 8 0 9 7 6 - 6 5 0 1 7 0 8 9 8 1 2 9 O - 7 8 9 - 2 5 0 4 1 2 - 3 2 8 5 1 5 5 - 7 2 4 3 9 4 5 6 0 3 8 3 1 1 1 4 2 3 8 3 7 5 2 0 1 7 8 1 3 4 4 7 9 3 3 5 2 1 6 9 4 3 8 9 8 4 4 2 6 2 0 7 48 3 1 2 1 4 4 9 0 2 7 6 2 7 2 9 8 2 0 3 8 9 1 6 1 9 3 5 一l 0 8 3 5 3 6 2 0 3 9 4 7 1 3 5 6 6 2 6 2 7 7 O 3 31 4 6 2 8 -290 1 2 6 1 1 O 一9 85 -50 7 1 7 0 98 5 1 2 92 -61 1 2 47 4 1 5 1 40 5 1 7 3 - 9 2 3 5 0 - 3 6 9 9 - 3 6 0 1 3 2 4 5 8 - 9 6 9 - 4 5 7 2 0 0 图 3工况 l 3加 载 车 载 位 图 各拱肋的跨中弯矩 、 轴力及挠度 以及各拱脚的轴力 见表 1 。 3 2 斜度对斜拱桥动力性能的影响 对于不同的斜度的拱桥 ， 分别建立了斜度为 0 。 、 2 5 o 及 4 5 o 的 3种空 间梁格 有 限元模 型 讨 论 不 同斜 交角 度对 拱桥 自振 特性 的影 响 3种 不 同斜 交 角拱 桥的第 1阶振动形式均为对称竖弯拱桥前 5阶频 率和 自振形式斜交角对该类拱桥的基频影响不大 仅对第 3阶频率影响较大 3 3 横向连系刚度对斜拱桥受力性能的影响 对于斜度为 2 5 o 的模型 分别讨论桥面板是否 参与作用 、 四分点处是否设置横梁 、 横向连系刚度对 斜拱桥受力性能的影响 模型 中支座均采用弹性支 承 在桥跨 中附近加载 4辆 4 0 0 k N汽车 各片拱肋 的跨中弯矩、 挠度以及拱脚处的支反力见表 3 ， 可见 考虑桥面板参与作用或者设置四分点横梁后结构 整体横向刚度增大 而跨 中弯矩和跨中挠度就越小 拱脚附近轴力增大： 从力学角度看 既要求拱肋跨 中 弯矩最小 也要求拱脚处的轴向压力尽可能取得最 小值 横向刚度的设计应 同时满足上述 2个条件 3 - 4 支 承条 件对 斜拱 桥受 力性 能 的影 响 对于斜度为 2 5 的模型 分别采用弹性支承及 刚性支承 来分析支承条件对斜梁桥受力性能的影 响。模型中均设置了横梁 ， 且考虑桥面板的作用 在 桥跨跨 中附近加载 4辆 4 0 0 k N汽车 各片拱肋的跨 中弯矩 、 挠度以及拱脚处的支反力见表 3 。可见 ， 跨 中弯矩 、 挠度 以及支反力对支承刚度都非常敏感 ， 当 采用刚性支承时 跨中弯矩和挠度有增大的趋势 支 承处 的轴 向压力也显著增大支承处反力分布更不 均匀 ， 最大轴力位于锐角的边梁处 。( 转第 3 3页) 表 4不 同横 向连系和支承 刚度 时斜拱桥在加载车作用下的计算结果 考虑桥面板且有横梁 考虑桥面板但无横梁 弹性支承 刚性支承 m 跨中 拱脚轴力( k N) 跨中 拱脚轴力( k N ) 跨中 拱脚轴力( k N ) 跨中 拱脚轴力( k N ) 善 弯 矩 挠 度 1 2 弯 矩 挠 度 弯 矩 挠 度 广 弯 矩 挠 度 ( k N II 1 ) ( m m) ( k N m) ( mm) 1 2 1 号 2号 1 号 2号 ( k N m) ( mm) ( k N m) ( it l m) 1 2 3 5 8 1 2 7 9 2 4 5 2 4 6 7 7 9 2 5 0 2 3 7 2 3 5 8 1 2 7 9 2 4 5 2 7 0 2 7 3 1 3 5 3 0 6 2 7 9 4 1 2 4 6 6 4 2 8 3 7 7 3 1 2 6 6 7 1 3 0 5 7 9 4 1 2 4 6 6 4 2 8 3 8 3 O 一 6 8 7 4 8 5 7 2 2 3 8 9 8 1 2 9 7 8 9 2 5 0 8 6 9 1 3 4 8 1 1 2 7 6 8 9 8 1 2 9 7 8 9 2 5 0 9 3 1 7 8 0 6 0 7 7 5 1 4 4 2 3 8 3 7 5 2 0 1 7 8 4 1 5 8 6 3 5 2 8 1 8 7 4 2 3 8 3 7 5 2 0 1 7 8 4 0 5 4 3 7 3 7 7 3 9 0 3 5 2 0 0 8 年9 月 第9 期 杨国 龙： 广东省 城市桥 梁信息 管理系 统的 研发 S E P 2 O 0 8 N 0 9 上传资料的网络通道 发布和接收公文 内容 ， 模块分 为发文 管理 和收文 管理 两个 功能模 块 。通 过行 政通 报列表 ， 省级用户可查询历史发文信息和收文信息。 5小结 5 1 广东省城市桥梁信息管理系统( G D MB I MS ) 构 建了包含桥梁基本信息 、 桥梁检测单位信息 、 桥梁管 养单位信息 。 设计图纸 、 材料实验数据、 检测资料 、 维 护历史记录以及各种桥梁现场的视频和影象等与桥 梁管理相关 的各类技术资料 建立了全面 、 系统 、 完 整的桥梁管理信息综合数据库。 5 2 根据相关规范的有关规定 针对广东省城市桥 梁的特点 系统对桥梁检测的评价指标进行 了完善 。 提 出适应 各种桥 型 的城市桥 梁 B C I 评 价体 系 根据 城市桥梁结构类型繁多 引桥和匝道错综复杂的特 点 提出了将桥梁分解为路线 、 分联及构件的多层次 单元划分方案 规范了桥梁基本信息和病害信息。 编 制了桥梁数据采集卡 。 与i ( 上接第 3 5页) 4结论 与建议 4 1 通过空 间有限元计算 。 分析斜度 、 横向联 系刚 度以及支承条件等对钢筋混凝土多肋式斜拱桥受力 特性 的影 响 ， 可得 到如下结 论 ： ( 1 )斜拱桥锐角处的轴力应 比钝角处要大 斜度 对于 拱脚 处轴力 的影 响不 太 明显 ： ( 2 )斜拱桥在跨中处的弯矩随斜度而增大 弯矩 减小 且最大弯矩位于靠近钝角的内梁处 ： ( 3 )拱桥的斜交角对该类拱桥的基频影响不大 但对第 3阶频率有一定影响： ( 4 )考虑桥面板参与作用或者设置端横梁后 结 构整体横向刚度增大 跨 中弯矩及跨中挠度就越小 拱脚附近的轴力增大 ： ( 5 )跨中弯矩 、 挠度 以及支反力对支承刚度都非 常敏感 采用刚性支承时支承处反力分布较不均匀 5 - 3 系统研究并提出了适合城市桥梁管理 的评价 指标体系和评价模 型、 桥梁养护对策模型、 桥梁维修 决策模型、 桥梁状况预测模型 、 桥梁维修紧迫性排序 模型、 桥梁维修资金分配及优化模型等 ， 为城市桥梁 信息管理 系统开发提供 了理论上 的依据。 全省统一 的广东省桥梁信息管理系统的建立可 以使各桥梁管理部 门能迅速及时地掌握全省桥梁健 康状况 对保障城市交通通畅 ， 避免人 民生命财产遭 受重大损失有着重要的经济和社会意义 参考文献 1 C J J 9 9 2 0 0 3 城市桥梁养 护技术规范 S 2 城市桥梁检测和养护维修管理办法 ( 中华人民共和国建 设部部令第 l 1 8号 ) 2 0 0 4 3 广东省建设 委员会 广 东省城市桥梁检查 和检验评定方 法 ( 试行粤建建字 1 9 9 9 1 0 5号 ) ， 1 9 9 9 c c 3每 4 2 鉴 于 以上分 析结 论 的一些 建议 ( 1 )斜拱桥 中应尽可能采用厚度较小的支座 ， 以 增大支承刚度 ， 同时钝角处的支承吨位应较大： ( 2 )斜 拱桥 设计 时应 合理设 置 横 向刚度 不应 过 大 否则会造成钝角附近的支反力显著增大 ： ( 3 )梁体的钝角区上部钢筋需适当加密。 参考文献 1 邵旭东桥梁工程 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 6 2 黄平 明 姚代禄广义刚接梁板 法及对斜梁桥荷载 横向 分布的研究 J 1 中国公 路学报 ， 1 9 9 6 ( 4 ) 3 项海 凡高等 桥梁结 构理论 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 1 9 9 6 4 李廉昆 结 构力学 M 北京 ： 高等教育出版社 ， 2 0 0 5 5 王勖成 有 限单元法 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 3 3