“假拱”景观桥装饰板有限元分析与应用研究

施小明，王娟玲

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

“假拱”景观桥装饰板有限元分析与应用研究

施小明，王娟玲

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

用有限元软件ANSYS建立“假拱”景观桥装饰板的二维有限元模型，分析了拱式装饰板和梁式装饰板的受力特点，从配筋、吊装、对其他结构的影响、对模板的适应性等方面对两种装饰板进行了比较，得出：在“假拱”结构中，应优先采用梁式装饰板。

“假拱”景观桥；装饰板；ANSYS有限元；受力仿真分析

0 引言

随着经济社会的迅速发展，人们对桥梁的要求不再是单纯的跨越功能，而是注重追求形体的完美。桥梁设计重点也逐渐由造型设计转变为景观设计［1］，即在对桥梁结构进行宏观控制的基础上，使其与当地的环境、色调保持一致，实现对形体功能、技术和艺术的综合要求［2～3］，以满足人们精神方面的需求［4～5］。世界各国造型优美的景观桥梁常常被作为城市的标志和骄傲［6］。

一直以来，拱桥是设计人员青睐的景观桥形式之一。但拱桥的施工工艺复杂，施工周期较长，对地质条件要求高［7］，桥梁损坏无征兆，致使很多设计、施工人员谈“拱”色变。相对拱桥，梁桥受力简单，施工方便，但外观平凡。如何使一座桥梁能具有装配式简支梁桥的施工便捷，又具有拱桥的外观效果？因此，提出了“假拱”景观桥［8～10］。当“假拱”景观桥跨径取标准跨径时，其上部结构可以直接采用标准图，施工工艺十分成熟，施工难度大大降低。但是，“假拱”中的装饰板虽然仅承受本身的重力作用，但截面尺寸的拟定，小截面尺寸的配筋以及小截面构件的吊装却是一个新的课题。笔者采用大型有限元软件ANSYS对装饰板进行二维模型创建，并模拟工程实际情况对装饰板添加不同约束，通过分析装饰板在不同约束条件下的应力分布和施工操作，提出装饰板的合理设计方案。

1 装饰板的受力仿真分析

利用ANSYS有限元分析软件建立装饰板的二维有限元模型，通过设定不同的约束条件，构建梁式装饰板模型和拱式装饰板模型两类典型受力结构，应用材料力学平面强度理论，通过分析2种装饰板的平面应力σx、σy、τxy来进行装饰板设计方案的拟定。

本文利用ANSYS有限元分析仿真软件搭建了跨度为13m装饰板有限元二维模型，荷载仅为自重荷载，对两种形式的装饰板分别进行了结构受力分析。

1.1 拱式装饰板的受力仿真

拱式装饰板的约束设置在桥墩的下部系梁上，受力简图如图1所示。由图1可知，主要关注1、2、3、4、5处的受力情况。

图1 拱式装饰板受力简图Fig.1 Arch decorative sheet stress sketch

装饰板的受力仿真结果如图2～图4所示。

由图2可知，当装饰板跨度为13m、厚度为20 cm时，在自重荷载下，其正应力σx为-0.476MPa的区域沿4-3-5呈现一个明显的拱形，1、2处出现最大的拉应力和压应力，拉应力为1.07MPa，压应力为-1.713 MPa；4、5处出现最大的压应力为-1.713 MPa。受力上明显为拱的受力状态，在1、2处出现应力集中现象。

图2 拱式装饰板σx应力分布Fig.2 Arch decorative sheetσxstress distribution

由图3可知，正应力σy集中分布在1、2处，其他部位受力很小。1、2处压应力最大为-1.207MPa，拉应力最大为0.46MPa。所以，呈现出明显的应力集中现象。

由图4可知，拱式装饰板拱脚1、2、4、5处的剪应力τxy最大；1、4处剪应力最大为-0.57MPa，2、5处剪应力最大为0.57MPa。

经以上分析可知，在1、2处，拱式装饰板应力σx、σy、τxy组合最为不利，其次为4、5处；拱式装饰板拱脚1、2、4、5处为受力薄弱点。

图3 拱式装饰板σy应力分布Fig.3 Arch decorative sheetσystress distribution

根据材料力学主应力理论，按式（1）和式（2）进行计算，得出：拱脚1、2处主拉应力为1.41MPa，主压应力为-2.08MPa；在拱脚4、5处，主拉应力为0.173MPa，主压应力为-1.887MPa。因为装饰板尺寸不规则，施工实施中，难以用定型钢模板，一般选用木模板，加上装饰板的厚度较薄，施工振捣等条件差，因此在拱脚处（尤其是1、2处）的混凝土强度一般较低，很容易出现拉裂等现象。

图4 拱式装饰板τxy应力分布Fig.4 Arch decorative sheetτxystress distribution

1.2 梁式装饰板的受力仿真

梁式装饰板的约束设置在桥台帽石或桥墩盖梁上，受力简图如图5所示。由受力简图可知，主要关注1、2、3、4处的受力状态。梁式装饰板的受力仿真的结果如图6～图8所示。

图5 梁式装饰板受力简图Fig.5 Girder decorative sheet stress sketch

由图6可知，当装饰板跨度为13m、厚度为20 cm时，在自重荷载下，其正应力σx与简支梁的受力状态完全一致，两端弯矩很小，在跨中弯矩最大，最大压应力位于4处，为-4.45MPa，最大拉应力位于3处，为4.58MPa；在支座拐角1、2处，有应力集中现象，拉应力为2.571MPa。

由图7可知，梁式装饰板在1、2处同时出现了较大的压应力和拉应力，最大压应力σy为-2.4MPa，最大拉应力为1.7MPa；3、4处的应力很小，可以忽略。

由图8可知，梁式装饰板在1处和2处最大剪应力τxy为-0.84MPa和0.82MPa。3处和4处应力很小，可以忽略。

梁式装饰板应力σx、σy、τxy可能在支座处，也有可能在跨中，最不利应力没有集中在一起。根据式（1）和式（2），可以计算出1处和2处的主拉应力为3.06 MPa，3处和4处的主拉应力为4.58 MPa，主压应力为-4.515MPa。由此可知，梁式装饰板的主拉应力较大。而装饰板的混凝土强度较低。因此，在主拉应力较大处，需按照结构计算进行配筋。因梁式装饰板与简支梁的受力状态极为相近，装饰板又仅承受自重作用，其配筋直接按照简支梁进行构造配筋比较简单。

图6 梁式装饰板σx应力分布Fig.6 Girder decorative sheetσxstress distribution

图7 梁式装饰板σy应力分布Fig.7 Girder decorative sheetσystress distribution

图8 梁式装饰板τxy应力分布Fig.8 Girder decorative sheetτxystress distribution

2 两种装饰板的应用分析

2.1 配筋问题对比分析

拱式装饰板主要以受压为主，所受拉应力较小，与拱的受力特点相同，有利于发挥混凝土受压能力强的特点。梁式装饰板具有显著的简支梁受力特点，跨中及拐角处混凝土容易开裂。就受力状态而言，拱式装饰板较梁式装饰板具有优势。但是，梁式装饰板与简支梁的配筋要求一致，在设计上具有十分成熟的经验。尤其是，只承受自重荷载，可取跨中最不利截面，按矩形双筋截面梁进行抗弯配筋，取支座处最不利截面进行抗剪配筋，配筋简单。

2.2 吊装问题对比分析

从吊装的角度看，梁式装饰板吊装时的受力状态与其持久受力状态一致，所受的主压应力和主拉应力基本保持不变。所以，在吊装中，不会造成构件的破坏。而拱式装饰板吊装时的受力状态与其持久受力状态不一致，在持久受力状态时，主拉应力为1.41MPa，主压应力为-2.08MPa；而在吊装时，主拉应力为4.58MPa，主压应力为-4.515MPa。若拱式装饰板按受力进行配筋，无法满足吊装要求，容易造成构件的开裂和破坏。

2.3 对其他结构的影响问题对比分析

拱式装饰板在竖向作用下要产生水平推力。文中模型跨径为13m，水平推力为20 kN，在桥墩底部要产生较大的弯矩，使桥墩的受力状态由轴心受压构件变为偏心受压构件，对桥墩受力非常不利。梁式装饰板仅对盖梁悬臂端剪应力有较小影响，还可以减少跨中正弯矩，对“假拱”结构影响很小。

2.4 对预制模板适用性对比分析

由于装饰板的尺寸较小，且截面相对复杂，在施工中多使用木模板。使用木模板时，混凝土难以做到密实均匀，混凝土的强度等级将受到限制。拱式装饰板的拉应力已经达到1.41MPa，且装饰板拱脚处因为截面关系采用加强筋较为困难，所以在拱脚处很容易发生开裂破坏。而梁式装饰板的拉应力由受拉筋承受，对混凝土的强度要求较拱式装饰板低，可以使用木模板。

3 结语

“假拱”景观桥是未来桥梁发展的一个重要方向。就装饰板本身受力而言，拱式装饰板优于梁式装饰板。但是，梁式装饰板的吊装受力状态与持久受力状态一致，只需帽石或盖梁承受其重力，对“假拱”结构影响很小。另外，在施工中，梁式装饰板对混凝土强度的要求较拱式装饰板低，对模板类型的适应性较好。在“假拱”结构中，应优先采用梁式装饰板。

［1]穆祥纯.我国城市桥梁建设的创新与发展［J］.城市道桥与防洪，2007（10）：1-6.

［2]张杰，孙建光.桥梁美学设计方法探讨［J］.公路交通技术，2014（1）：150-153.

［3]刘烈恒.公路桥梁景观设计的新理念与趋势［J］.交通科技与经济，2011（2）：85-87.

［4]侯林平.桥梁景观设计［J］.公路与汽运，2006（5）：85-87.

［5]姜涛，杨红霞.公路桥梁景观设计探讨［J］.工程技术，2010（24）：69-69.

［6]范小虎，刘娜娜.景观桥梁的发展与方案设计理念的探讨［J］.工程技术，2010（16）；93-93.

［7]陈宝春.拱桥技术的回顾与展望［J］.福州大学学报：自然科学版，2009，37（1）：94-104.

［8]魏汾.景观桥梁的设计［J］.山西建筑，2012，38（15）：208-209.

［9]许子平.浅谈装饰板梁桥在景观桥梁上的应用［J］.丹东海工，2010（14）：42-42.

［10］施小明，王娟玲.万邦休闲鱼庄景观桥的“假拱”装饰板应用探析 ［J］.黄河水利职业技术学院学报，2016（1）：39-41.

[责任编辑 杨明庆]

Research on Finite Element Analysis and Application of“False Arch”Landscape Bridge Decorative Sheet

SHI Xiao－ming，WANG Juan－ling
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

It builds two-dimensional finite element model of decorative sheet by using the finite element software ANSYS，analyzes the forced features of arch decorative sheet and beam decorative sheet.It compares two kinds of decorative sheets from reinforcement，hoisting，effects on other structure，adaptability of the template and so on.At last，it gets the conclusion that the beam decorative sheet should be used first of“false arch”structure.

“false arch”landscape bridge；decorative sheet；ANSYS finite element；stress simulation analysis

TU238

A

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.009

2016-04-07

黄河水院青年基金项目：假拱在景观桥梁中的应用（2014QNKY022）。

施小明（1983-），男，河南新乡人，助教，主要从事道路与桥梁工程施工的研究与教学工作。