中承式拱桥静力特性研究

刘 冲

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)



中承式拱桥静力特性研究

刘 冲

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

以某中承式拱桥为例，运用有限单元法，建立了该桥的有限元模型，对桥中运行荷载进行了分析，并通过荷载试验，对桥梁的实际承载能力及安全状况进行了评估，指出该桥梁横向受力整体性较好，能够满足实际工程运行需求。

中承式拱桥，数值模拟，静力分析，荷载

1 概述

有限元法在结构分析中有着非常广泛的运用，它将连续的结构体分成若干个有限个不同的结构单元，每个结构单元依据结构形式特征赋予相应的属性，各个单元之间由结点系统联结并相互作用。在进行整体结构受力分析前，首先要对结构体的各个构件单元进行分析，用结点位移表示单元内力，然后再将单元合成结构体进行整体受力模拟分析，最后建立结构体的整体受力平衡方程，最终求出单元体的受力及位移。在结构模拟分析过程中，需要根据实际结构类型及受力状态选择合理的结构体单元形式，赋予单元体相应的刚度特性，根据前期勘察及设计资料并结合结构运行中的实际荷载工况对结构体施加相应的结点荷载、结点位移及与实际情况相吻合的约束，然后才能通过模拟计算分析得出各个结构单元体的位移、应力及应变。通过模拟分析，可以直观得出整个结构体受力及变形最大的单元位置，结构体最大变形位置及各个单元受力是否科学合理，能否满足工程需要。

2 结构数值模拟分析及求解

某桥梁结构主要由主桥及其两侧的引桥构成。主桥结构体采用普通的中承式钢筋混凝土拱桥结构，拱肋采用箱形截面，用C40混凝土现浇而成。该拱桥矢高为33.6 m，矢跨比为1∶5，拱肋高3.5 m，宽为1.5 m，拱轴线为二次抛物线，如图1所示。桥梁上56根吊杆两侧分布，吊杆采用60@7的外设热挤高密聚乙烯防护的平行钢丝束，吊杆水平间距5 m。桥面结构类型采用T型简支梁。桥面整体宽度29.5 m，设计载荷：汽车—超20级。

中承式拱桥结构单元包括桥拱、桥面、吊杆、桥面上横梁和拱上立柱，桥拱和吊杆是拱桥的主要受力构件。在充分对勘察设计文件进行分析，又考虑了该桥的受力特性的基础上对桥的各个结构进行了单元的选择。采用三维梁单元(Beam188)作为该桥横梁、桥拱和拱上立柱的有限单元模型，该结构单元的每个节点都是有六个自由度(三个平动自由度，三个转动自由度)，能够满足梁的轴向变形和剪切变形；材料类型为钢筋混凝土结构形式。对桥的桥面采用了壳体单元(Shell63)，该单元同样每个节点有六个自由度(分别为在x,y及z方向上的三个平动自由度和绕x,y及z轴的三个转动自由度)。能够表示出桥面各种受力特性及位移特性。结构类型同样选用钢筋混凝土结构形式。截面数据依据设计图纸。桥上吊杆采用杆件结构。主要受轴向拉力作用，材料类型选用单一的钢丝束类型。因此在建模过程中采用三种实常数，两种结构单元，单元网格划分阶段最终划分节点572个，单元759个。根据桥本身的力学特性，在受力分析过程中对拱脚及引桥的两端分别设置固定端约束。依据勘察设计文件，各种材料信息如表1所示。

离散过程中要充分考虑荷载作用情况，使荷载作用处形成节点。拱肋由钢管和混凝土组合单元组成，系杆为钢丝束杆单元。

表1 构件材料信息

2.1 力的加载分析

考虑该桥的受力特点，依据设计资料，利用桥梁的对称特性，模型分析荷载采用20 t东风载重汽车，车辆长4 m,重心位于车中心，间距为2 m。考虑到力的作用下变形最大的情况，计算采用在跨中处加载。横向按4排，间距为5 m加载，车外边界距拱为0.5 m。全桥结构加载受力如图1所示。

2.2 跨中静载实验结果及分析

经划分单元网格并加载计算可得结果如下：

由图2桥的整体结构变形图可以看出，该桥的整体变形不大，能够满足工程要求。各个杆件、梁、板没有出现应力集中现象。整个拱肋处于受压状态且受压均匀在弹性变形范围内。

图3中节点最大位移发生在载荷作用点处，最大位移为0.126 806 m。完全处于工程要求范围之内。

图4中各单元应力云图显示出现最大应力位于桥面板两侧，为施加约束位置产生的结果，整个桥梁在运行过程中，两侧并非固定端约束，不会产生应力集中现象。

拱肋梁的轴力图见图5。

表2 各个拉杆受力计算结果

拉杆编号拉力/kN应变拉杆编号拉力/kN应变1689410.32829E-0315108300.51605E-032689410.32829E-0316106200.50607E-033746640.35554E-0317882170.42008E-034747550.35611E-0318745610.35491E-035747800.35598E-0319745300.35310E-036744690.35609E-0320741550.35727E-037749370.35461E-0321750270.35684E-038750270.35684E-0322749370.35461E-039741550.35727E-0323744690.35609E-0310745300.35310E-0324747800.35598E-0311745610.35491E-0325747550.35611E-0312882170.42008E-0326746640.35554E-03131062800.50607E-0327689410.32829E-03141083700.51603E-0328689410.32829E-03

对拉杆轴向拉力输出如表2所示，表明各杆受力均匀，无应力集中及过大拉力出现，最大拉力出现在加载处为108 370 kN，应变为0.000 516 03，各杆现均处于弹性工作范围内，应变不大，能够满足规范设计要求。

3 结语

本文虽然用大型通用有限元软件对拱桥极限承载力进行力学分析，并得到了可靠的分析结论，但此类分析过程仍存在不足之处：

1)由于时间的原因在进行模型简化时，对桥的横梁和板都进行了简化，并且用混凝土的弹性模量和密度代替了钢筋混凝土的弹性模量和密度。钢筋混凝土的弹性模量和密度还需要进一步确定。

2)用本模型在进行泊松比设置时，把它定为恒量实常数进行了处理，混凝土的泊松比是随着受力的不断变化而变化的，这就需要对ANSYS分析及处理过程进行更加深入的研究。

3)没有考虑混凝土徐变、基础位移及桥梁在使用过程中产生的损坏和应力的改变。

4)在进行静载实验时，对荷载情况也进行了简化，而且没有考虑施工过程中的荷载工况，这要求对现实施工情况有更进一步的了解，并用ANSYS进行更加精密的计算。

5)仿真模型与实际情况的差别也给研究的结论带来一定不可靠性。

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On static force features of half-through arch bridge

Liu Chong

(CCTEGXi’anResearchInstitute,Xi’an710077,China)

Taking some half-through arch bridge as the example, the paper establishes the finite element model of the bridge with the finite element method, analysis bridge operating load, undertakes the evaluation of the bridge’s loading capacity and safety status from the loading test, and points out the horizontal stress of the bridge is generally better, so it meets the demands of the projects.

half-through arch bridge, numeric simulation, static force analysis, loading

1009-6825(2016)20-0174-02

2016-05-03

刘 冲(1985- )，男，硕士

U441

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