V型拱橋與普通拱橋的力學性能對比研究

朱國健

(梧州市國冶投資發展有限公司,廣西 梧州 543001)

0 引言

拱橋是一種歷史悠久的橋型[1],因其造型美觀,受力合理,取材方便,在橋梁設計中得到廣泛應用[2]。V型拱橋結構[3]受力原理是利用三角形的穩定性,基于三角形受節點力作用,使其處于軸向變形狀態。橋梁在受移動荷載作用時,三角形結構不僅能夠有效提高橋梁的剛度,也能減小由于移動荷載造成的“蹺蹺板效應”,使橋梁能夠極大地減少由于移動荷載造成的影響[4]。

本文以某跨徑為420 m的柔性吊桿下承式鋼箱拱橋為研究對象,在原有吊索拱橋的基礎上,每條拱肋增加10根斜桿連接拱肋與主梁,斜桿與斜桿組成了多個V型結構,并分別布置在拱橋恒載和活載作用下撓度最大的部位。本文通過Midas Civil軟件進行計算,對比分析了V型拱橋與普通拱橋在剛度、承載力、穩定性、動力性能、用鋼量等方面的差異。研究結果表明,采用增加斜桿的V型拱橋較原拱橋在僅增加約10%用鋼量的情況下,具有顯著的抗變形能力,同時有效增強了主梁的線剛度,使新型拱橋的整體性得到加強,剛度和承載力大幅提高。

1 V型拱橋與普通拱橋力學計算參數及結構用料

1.1 拱橋結構參數

本文采用Midas Civil軟件建立跨徑420 m柔性吊桿下承式鋼箱拱橋模型。拱橋模型矢跨比為1∶5,拱軸系數為1.3,拱肋高為6 m,寬為4 m,鋼箱內設置多道縱向加勁肋以增加拱肋剛度。主梁寬24 m,布置有雙向六車道移動荷載。其中,V型拱橋在原拱橋結構的基礎上,兩側拱肋增加V型桁架結構,桁架高1 m,寬0.5 m。V型拱橋如圖1所示,其主要構件組成為:①-普通拱肋;②-V型拱橋使用的斜桿;③-普通吊索;④-普通主梁。

表1 構件參數表

表2 材料用料表

圖1 V型拱橋立面布置圖

1.2 考慮的主要荷載類型

(1)一期荷載:結構自重。

(2)二期荷載:混凝土面板、道砟、護欄、檢修道等設施自重。

(3)線路類型:高速鐵路,采用雙線布置。

(4)溫度作用:初始溫度15 ℃,整體升溫最終溫度46 ℃,整體降溫最終溫度-3 ℃。

1.3 采用的荷載組合工況

(1)結構剛度分析時,計算下列兩種工況下的主梁豎向撓度。

工況一:1.54×移動荷載+1.15×溫度荷載。

工況二:0.7×移動荷載+0.8×溫度荷載。

(2)結構強度分析時,計算下列四種工況成橋狀態下的拱肋應力。

工況三:1.0×自重+1.0×二期。

工況四:1.0×移動荷載(汽車荷載+人群荷載)。

工況五:1.1×自重+1.1×二期+1.54×移動荷載+1.15×整體升溫。

工況六:1.1×自重+1.1×二期+1.54×移動荷載+1.15×整體降溫。

(3)溫度響應分析時,考慮下列兩種工況下的拱肋應力。

工況七:整體升溫(最終溫度為46 ℃)。

工況八:整體降溫(最終溫度為-3 ℃)。

2 結構剛度對比

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2015)[5]計算橋梁在不同工況下的最大撓度,結果見表3和表4。計算結果表明:

表3 主梁最大豎向撓度計算結果表

表4 主梁最大上下撓度(絕對值)之和計算結果表

(1)在工況一作用下,原橋主梁最大豎向撓度為501.2 mm,V拱橋主梁最大豎向撓度為246.2 mm,減少50.8%。原橋主梁最大上下撓度(絕對值)之和為609.13 mm,V拱橋主梁最大上下撓度(絕對值)之和為246.2 mm,減少59.6%。

(2)在工況二作用下,原橋主梁最大豎向撓度和最大上下撓度(絕對值)之和為294.6 mm,V拱橋主梁最大豎向撓度和最大上下撓度(絕對值)之和為171.3 mm,均減少41.9%。

3 結構強度對比

從圖2分析可知:

圖2 工況三～工況六作用下拱肋最大應力對比柱狀圖

(1)在工況三作用下,原橋拱肋最大應力為-123.37 MPa,V拱橋拱肋最大應力為-154.18 MPa,較原橋略有增加。

(2)在工況四作用下,原橋拱肋最大應力為-44.74 MPa,V拱橋拱肋最大應力為-18.0 MPa,減少近60%。

(3)在工況五作用下,由于V拱橋增加了部分恒載和超靜定次數,使其將活荷載和溫度荷載分散,最大應力出現在拱頂附近,為-178 MPa,最大應力也比原橋拱腳處出現的最大應力小,原橋拱腳最大應力為-184 MPa。

(4)在工況六作用下,由于溫度下降,并且V拱橋增加了部分恒載和超靜定次數,使其應力得到疊加,V拱橋和原橋的最大應力都出現在拱腳,但V拱橋的最大應力為-232 MPa,比原橋-198 MPa略大。

4 溫度響應對比

由于V拱橋增加了原結構的超靜定次數,因此要研究該結構對溫度的響應。計算結果表明,在工況七作用下,原橋拱腳應力為29.3 MPa,V拱橋拱腳應力為59.3 MPa,較原橋略高;在工況八作用下,原橋拱腳應力為17.0 MPa,V拱橋拱腳應力為34.4 MPa,較原橋略高(圖3)。綜上,在溫度作用下V拱橋拱腳處應力增大,但由于合理設置V結構的個數,應力增幅不大,且應力水平不高。

圖3 工況七、工況八作用下拱腳最大應力對比柱狀圖

5 穩定性對比

對結構分別進行一類穩定、二類穩定驗算,結果分別見表5、表6。一類穩定分析結果表明,原橋的面外穩定性系數為11.48,V拱橋一階面外穩定性系數為10.53;前者一階面內穩定系數為6.14,后者一階面內穩定系數為10.53,較原橋大幅提高。二類穩定(考慮幾何非線性)分析結果表明,原橋二類穩定荷載系數為5.54,V拱橋二類穩定荷載系數為12.79,較原橋穩定性也大幅度提高。

表5 一類穩定分析結果表

表6 二類穩定(考慮幾何非線性)分析結果表

6 結構動力特性對比

計算兩者前5階振型及自振頻率,結果見表7。由表7可知,原橋首次發生面外振動的頻率為0.294,V拱橋首次發生面外振動的頻率為0.288;原橋首次發生面內振動的頻率為0.360,V拱橋則在前5階內沒有發生面內振動,表明V拱橋動力特性優越。

表7 振型分析結果表

7 V型結構受力狀態、疲勞驗算及吊桿疲勞

在原橋基礎上增加5對V型結構后,其受力特性與柔性吊桿截然不同,為研究其受力狀態和疲勞問題,計算其在主要荷載作用下最大拉、壓應力及其疲勞應力幅值。計算結果表明:

(1)V型結構的最大拉應力為99.8 MPa,最大壓應力為-40.7 MPa,說明V型結構在恒載、移動荷載和溫度荷載等荷載共同作用下會出現拉、壓兩種受力狀態,但其拉、壓應力水平皆不高,結構強度滿足規范要求。

(2)V型結構的疲勞應力幅為75.8 MPa,依據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JGT D64-2015)[6],應力幅值滿足規范規定的疲勞容許應力幅(109.6 MPa),滿足疲勞驗算要求。

(3)吊桿應力除短吊桿外,其余吊桿應力幅皆較原橋減少20 MPa以上。

8 結語

本文以某跨徑為420 m的柔性吊桿下承式鋼箱拱橋為研究對象,通過Midas Civil軟件進行計算,對比分析了V型拱橋與普通拱橋在結構剛度、結構強度、結構穩定性等方面的影響,得到如下結論:

(1)V型拱橋剛度更大。在移動荷載和溫度荷載作用下,原橋主梁最大撓度為501.2 mm,V拱橋為246.2 mm,較前者減少50.8%;主梁最大上下撓度(絕對值)之和由609.13 mm減少到246.2 mm,減少59.6%。

(2)V型拱橋承載力更高。原橋拱肋在主要荷載組合(恒載+汽車荷載+溫度荷載)作用下最大應力為123.37 MPa,V拱橋為154.180 MPa,均滿足承載力要求,且有一定富余。

(3)V型拱橋穩定性更好。原橋一階穩定系數為6.14,體系轉換后為10.53,較前者大幅提高71.5%。

(4)V型拱橋動力特性更加優越。原橋首次出現面外振動的頻率為0.294,V拱橋為0.288,略小于原橋。原橋首次出現面內振動的頻率為0.360,V拱橋面內振動頻率大幅提高,前5階均未出現面內振動。

(5)V型拱橋最大壓應力為40.7 MPa,最大拉應力為99.8 MPa,疲勞應力幅值為75.8 MPa,均滿足規范要求,且應力水平均較低。吊桿應力幅值均較原橋吊桿(除部分短吊桿外)減少20 MPa以上。