基于剛性橋墩單跨橋梁結(jié)構(gòu)模型制作的研究

謝亞旗

(深圳市建設(shè)工程造價(jià)管理站，廣東 深圳518031)

1 引言

從橋的基本功能來(lái)講，需要具有足夠的通行、跨越和承載能力。如何解決在滿足功能需求的同時(shí)，又達(dá)到降低橋本身的造價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益，是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。降低造價(jià)不僅要減少材料的用量，還需盡可能降低施工成本[1]。除了以上需求，橋梁特別是城市橋梁，還要美觀，需要一個(gè)簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單的外觀，從而給人賞心悅目的感覺(jué)。

2 方案與選型

本文通過(guò)制作橋梁結(jié)構(gòu)模型，研究橋梁結(jié)構(gòu)的受力及變形，為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。本次研究采用竹皮模擬制作橋梁模型。制作前期對(duì)幾種橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，主要考慮以下幾方面：

1）斜拉橋?qū)儆谌嵝越Y(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載下會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，但是其可以有很大的跨度，實(shí)際工程中斜拉橋的跨徑一般為300～1000m[2]。用竹皮模擬制作的橋單跨跨徑約為1m，可以看作是小跨徑的公路橋，且對(duì)剛度有較高的要求。初期想充分發(fā)揮竹皮的抗拉性能，使拉索成為主要受力構(gòu)件，從而減輕模型的質(zhì)量，但制作出來(lái)的模型實(shí)際效果不理想，兩橋墩高度太高受彎矩較大。

2）拱橋比較適合小跨度的公路橋，但是拱橋?qū)τ诨A(chǔ)有特殊要求，特別是水平方向的支撐要求比較高。但在實(shí)際竹皮制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)要做出一個(gè)外觀良好且受力合理的拱橋制作難度較大。拱的高度較大穩(wěn)定性較弱。

3）桁架橋具有比較好的剛度，對(duì)于控制橋面板的位移比較有利。在控制位移的同時(shí)，桁架橋?qū)χ谱鞯囊笙鄬?duì)比較低，在基本的制作條件下就可以達(dá)到使用的要求，達(dá)到了施工簡(jiǎn)單的目的，且制作桁架橋具有節(jié)省用材的優(yōu)點(diǎn)。

最終確定制作桁架拱橋體系，其最大的特點(diǎn)就是利用結(jié)構(gòu)桿件的軸向承載力和剛度傳遞側(cè)向荷載和重力荷載，從而提高結(jié)構(gòu)整體的荷重比，因此，有效性很高。而拱橋能通過(guò)拱合理地將壓力傳遞到基礎(chǔ)，而且各桿件所受軸力也較小。經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)整體立面豐富，構(gòu)件受力合理，非常適用于單跨橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 創(chuàng)新改進(jìn)

桁架拱橋主要受壓桿件近似成一個(gè)拱形，豎向荷載通過(guò)拱快捷傳給基礎(chǔ)，在拱的兩側(cè)其他桿件受力較小[3]。竹皮受拉強(qiáng)度高，主要破壞是由于壓桿失穩(wěn)，只要合理設(shè)計(jì)壓桿不破壞就能保證結(jié)構(gòu)有較高的承載力。于是把橋面做成一定的坡度，突出拱的特點(diǎn)，傳力更加快捷，受力更加合理。

由內(nèi)力分析結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)在桿件之間傳遞著拉力和壓力，由于制作的誤差，會(huì)有一定的偏心，產(chǎn)生彎矩和剪力。對(duì)于壓力，只要通過(guò)膠水連接，保證相連的桿件不滑動(dòng)，桿件端部的接觸就能保證壓力的傳遞；對(duì)于拉力，單靠桿件之間的膠水連接是不可靠的，需要連接板傳遞，為了更好地利用竹條的特性，有意識(shí)把竹條的紋理順著拉桿。同時(shí)增加連接板，使得模型制作變得更加方便。

4 模型制作

從結(jié)構(gòu)的外形上看，選擇長(zhǎng)方形主體形狀，受力合理，加載方便。直接使用膠水黏結(jié)，節(jié)點(diǎn)處采用矩形塊的連接板配合膠水粘住，以保證節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)固性。斜桿相交時(shí)，斜桿一端鋸成一定角度，用膠水加固，這大大提高了斜桿與兩側(cè)弦桿的黏結(jié)面積從而增強(qiáng)穩(wěn)定性和強(qiáng)度。由于單片竹材抗壓承載力不足，因此，采用多層竹皮粘結(jié)成實(shí)心截面，從而提高其抗壓能力。根據(jù)SAP2000 軟件建立的模型分析結(jié)果，加強(qiáng)跨中兩側(cè)的豎桿和斜桿的厚度用以增加抗彎剛度。

5 模型計(jì)算與分析

本橋?yàn)樯铣惺借旒芄皹颍珮蚝奢d形式為靜載，包括橋體自重及豎向荷載、水平剎車力和橫向風(fēng)荷載。模型經(jīng)天平稱量的質(zhì)量m=203g，則橋模型自重W=mg=0.203×10=2.03N。

采用SAP2000 軟件對(duì)本橋在自重和50kg 的砝碼作用下進(jìn)行靜力分析。首先建立有限元模型，由于節(jié)點(diǎn)連接處具有一定的剛度，在建立模型時(shí)，上下弦桿、腹桿、支撐等均采用梁?jiǎn)卧x材料屬性和截面特性，施加支座約束。在兩邊上弦桿中間節(jié)點(diǎn)處分別施加集中力F1=250N、F2=200N 以及中間連桿上增加F3=30N 的風(fēng)荷載和F4=80N 的水平剎車力，經(jīng)過(guò)求解得到跨中節(jié)點(diǎn)的最大位移為0.66mm，遠(yuǎn)小于40mm滿足要求。

從應(yīng)力圖可知，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于竹皮的抗拉抗壓強(qiáng)度，材料的強(qiáng)度是足夠的，結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度有保證，而且材料的抗拉能力很強(qiáng)，故模型的破壞主要是由于壓桿屈曲引起。設(shè)計(jì)時(shí)已考慮壓桿失穩(wěn)問(wèn)題，并已加強(qiáng)，所以估計(jì)在前期加載的情況下，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，受力性能良好。但當(dāng)承載繼續(xù)增大至極限荷載時(shí)，桿件可能發(fā)生壓桿屈曲破壞，從而導(dǎo)致模型承載能力失效。

6 結(jié)論

本文以經(jīng)濟(jì)合理、施工簡(jiǎn)單、造型美觀等為出發(fā)點(diǎn)，比選獲得剛性橋墩單跨桁架拱橋梁模型，用竹皮制作了該橋梁模型，并進(jìn)行了加載試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）橋梁結(jié)構(gòu)傳力快捷、有效是節(jié)約材料的重要影響因素。（2）結(jié)構(gòu)分析軟件能對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行定性分析，找出受力規(guī)律；模型加載試驗(yàn)?zāi)芸紤]制作誤差、真實(shí)受載環(huán)境，有利對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。數(shù)值分析和加載試驗(yàn)相結(jié)合能有效地使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。（3）模型制作過(guò)程中，充分利用材料的特性，能較大地提高模型的承載力。