外傾式非對稱曲線拱橋力學特性分析

李曉斌,嚴 猛,羅鵬軍,余 取

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

外傾式非對稱曲線拱橋力學特性分析

李曉斌,嚴 猛,羅鵬軍,余 取

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

針對一座外傾式非對稱鋼箱拱橋,通過利用橋梁結構專業軟件Midas/civil建立其空間桿系有限元模型進行整體受力性能分析,探討主要受力結構拱肋、吊桿以及鋼箱主梁的力學特點;并通過外傾角的改變研究分析了吊桿內力隨拱肋外傾角改變的變化規律,對于完善該類異型拱橋的設計理論、工程施工,確保結構安全、設計合理等方面都有一定的參考價值。

外傾式拱橋;外傾角;吊桿內力;動力特性

隨著中國經濟建設的發展和人民生活水平的不斷提高以及橋梁建造技術的日益成熟,橋梁結構已不僅限于滿足實現跨越障礙和溝壑這樣最基本的功能要求,越來越多的城市選擇利用橋梁結構的美學特點來提升城市的景觀效果,并取得了不錯的效果[1,2]。拱結構本身具有優美的曲線造型,同時能給人一種很強的力度感,這使得拱橋成為橋梁結構形式中最富于變化的結構體系。其中拱肋結構的變化形式最為豐富,如拱肋材料、拱肋數量、拱肋橫截面的改變以及拱面傾角的變化。為爭求更大的橋上空間,已由最初的拱面垂直平行逐漸發展為現在的拱面外傾,外傾式拱橋以其新穎、奇特、變異的造型很好地滿足了人們的求變心理。

外傾式非對稱曲線拱橋,風格獨特,富有藝術美感,與周圍環境及景觀協調融合[3-5]。對位于曲線上的橋梁,采用平面曲線主梁和外傾式非對稱鋼箱拱相結合的橋型,既能滿足交通功能,適用于線路曲線的需要,同時增添了橋梁的景觀效果,與自然景觀融為一體,體現了現代城市的時代氣息。但是由于過多追求其外形上的改變,容易造成外傾式非對稱曲線拱橋橋型在力學特性方面的合理性不足,導致難以把握其結構受力特性[6-9]。

本文即針對一座外傾式非對稱曲線剛箱拱橋,利用橋梁結構專業軟件Midas/civil建立其空間桿系有限元模型,計算分析了結構在自重、二期恒載、汽車、人群荷載作用下的整體受力特性,同時還對其兩側拱肋外傾角度的變化對吊桿內力的影響進行了研究。

1 工程概況

橋梁主跨采用150 m跨徑曲線梁外傾非對稱鋼箱拱橋,全橋采用30 m+150 m+56 m的孔跨布置,主橋及引橋均位于R=600 m的平面圓曲線內,主橋上部結構由2條獨自向外側傾斜的拱肋、曲線扁平鋼箱梁、吊桿共同組成一個三維空間結構體系,共同承擔結構的所有恒載和活載。橋梁主拱由混凝土拱肋和鋼箱拱肋組成,其中北側拱肋向外傾斜24°,南側拱肋向外傾斜18°,鋼箱拱肋段拱軸線采用m=1.5的懸鏈線線形,混凝土拱肋段由圓曲線和直線組成。

鋼和混凝土箱拱肋均采用等寬變高的單箱單室截面,鋼箱拱肋高度按2.5次拋物線由拱頂由3.0 m漸變為鋼-混凝土交界面的5.0 m,混凝土箱拱肋高度按2.5次拋物線由上端的5.1 m漸變為承臺頂面的7.0 m,南、北側拱肋各設置19根吊桿。其總體布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位:cm)

主梁采用封閉式扁平鋼箱梁截面型式,平面曲線半徑為600 m,主梁全寬41 m,其橋面布置為:3.5 m人行道+4.0 m非機動車道+2.0 m側分帶+0.5 m路緣帶+3×3.25 m車行道+0.5 m雙黃線+3×3.25 m車行道+0.5 m路緣帶+2.0 m側分帶+4.0 m非機動車道+ 3.5 m人行道。主梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁標準橫斷面(單位:mm)

2 結構整體受力分析

2.1 有限元模型的建立

利用橋梁結構專業有限元軟件Midas/Civil建立全橋結構空間桿系有限元模型。由于只針對橋梁結構的整體受力特性進行計算分析,因此采用梁單元模擬其扁平鋼箱主梁和拱肋,桁架單元模擬其吊桿[10,11]。這樣,橋面系和拱肋的剛度和質量都分別集中在橋面系軸線和拱肋軸線的節點上,節點與吊桿直接利用剛臂進行連接。拱腳處節點進行全自由度約束,以模擬與基礎的固結,主梁一端采用固定鉸支座,一端采用滑動鉸支座。全橋結構空間有限元計算模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

2.2 拱肋內力計算結果

在恒載和活載作用下拱肋結構的內力如圖4～圖6所示。

圖4 拱肋軸向壓力分布

圖5 拱肋平面面內彎矩分布

圖6 拱肋平面面內剪力分布

從圖中可以看出,南(主梁軸線外側)北(主梁軸線內側)側拱肋的所受軸向壓力存在一定差別,在混凝土拱段兩側拱肋內軸向壓力基本相同,且都在混凝土拱段與鋼拱肋交接處達到最大,可能是由于在交接處剛度有較大突變而導致;但是,在鋼拱肋段北側拱肋所受軸向壓力明顯大于南側拱肋,且越靠近拱頂段相差越大。而南、北兩側拱肋的平面內彎矩和剪力的分布情況則基本相同,在混凝土拱段內都存在較大彎矩和剪力,在鋼拱肋段內則基本沒有彎矩和剪力。

2.3 吊桿內力結果

在恒載和活載作用下吊桿的內力如圖7所示。

從圖7中可以看出,吊桿內力以靠近拱腳附近最大,向跨中逐漸減小。南側吊桿最小拉力為1 425.4 kN,最大拉力為1 831.1 kN,最大值為最小值的1.28倍;北側吊桿最小拉力為1 327.2 kN,最大拉力為2 136.3 kN,最大值為最小值的1.61倍。可見,主梁曲線外側(南側)吊桿拉力較曲線內側(北側)吊桿拉力分布均勻。

圖7 吊桿內力

2.4 結構自振特性

成橋狀態下,結構的前6階振型的頻率及振型特點[12]如表1所示。

表1 結構成橋狀態前6階模態

3 外傾角對吊桿內力影響研究

分別就南北側拱肋不同外傾角度計算模型的計算結果提取吊桿在恒載作用下的內力,計算結果如表2所示。

表2 恒載作用下吊桿內力計算結果kN____

由于全橋結構關于鋼箱梁跨中左右對稱,僅提取一半的吊桿計算結果。

以北側24°南側18°為基準,分別計算改變拱肋外傾角后吊桿內力變化情況,計算結果如表3所示。

表3 拱肋外傾角改變后吊桿內力變化情況%____

由表2計算結果可以看出,在恒載作用下,外傾式非對稱鋼箱曲線拱橋吊桿內力以靠近拱腳處最大,向跨中逐漸減小。圓曲線內側(即北側)吊桿內力較外側(即南側)吊桿內力分布均勻,內側吊桿力變化范圍為982～1 400 kN,而外側吊桿力變化范圍為853～1 661 kN。

根據表3計算結果,當拱肋外傾角減小,僅靠近拱腳處的吊桿的內力增大之外,其余吊桿內力均有所減小。南側拱肋外傾角減小,對北側吊桿內力影響較大,拱腳處吊桿內力增大達20%,其余吊桿內力減小幅度為7.5%到12.4%;南側吊桿內力變化則相對較小,拱腳處吊桿內力增大11.6%,其余吊桿內力減小幅度僅為2.4%到4%。而北側拱肋外傾角減小,對南側吊桿內力影響較大,拱腳處吊桿內力最大增幅達26.2%,其余吊桿內力減小幅度為6.9%～22.4%;北側吊桿內力變化幅度則相對較小,拱腳處吊桿內力增大12.4%,其余吊桿內力減小幅度僅為1.8%～6.1%。由此可見,各側拱肋外傾角的變化對其異側的吊桿內力影響很大,對同側的吊桿內力影響則相對較小。同時,除個別吊桿外,吊桿內力隨著拱肋外傾角的增大而增大,且角度越大吊桿內力增速越快。

4 結語

外傾式非對稱鋼箱曲線拱橋為一空間異型結構,主要承重結構拱肋以及傳力構件吊桿等的受力情況都相當復雜,作為主要傳力體系的吊桿的內力對拱肋外傾角的變化相當敏感,在外傾式非對稱曲線拱橋設計時,需要特別注意拱肋的設計,特別是混凝土拱段與鋼拱肋交接處,由于拱肋剛度在此處發生突變,內力分布情況也產生了較大變化。從拱肋軸力和吊桿內力都可以發現,主梁曲線內側的結構構件受力情況較外側結構構件更為不利,可以對結構進行一定優化設計(如調整拱肋外傾角、吊桿初張拉力等),以達到使全橋結構受力更加均勻、設計更加合理的目的。

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Study on Mechanical Characteristics of Asymmetric Curved Arch Bridge with Outward-Inclined Ribs

LI Xiao-bin,YAN Meng,LUO Peng-jun,YU Qu
(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Focusing on an outward-inclined asymmetric steel-box arch bridge,its spatial finite element model was established by employing the bridge engineering software MIDAS CIVIL so as to analyze the working stress state of the whole arch bridge.Meanwhile,the mechanical behaviors of the main loadbearing structures were researched,including the arch ribs,the suspenders and the steel box girder. Moreover,the relationship between the internal forces of the suspenders and the different camber angles of the arch ribs was obtained in this study.The research results can be used as reference for perfecting design theory and construction method of this kind of special-shaped arch bridge,for ensuring structural safety,for boosting reasonability of design,and so on.

arch bridge with outward-inclined ribs;camber angle;internal force of suspenders; dynamic characteristics

U448.22;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.019

1004-2954(2014)08-0081-04

2013-11-15;

2013-12-10

中央高校基本科研業務費百人計劃項目資助(SWJTU09BR004)

李曉斌(1982—),男,講師,E-mail:511324910@qq.com。