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刚架拱改进设计静动力分析

2017-04-08罗飞

城市道桥与防洪 2017年3期
关键词:刚架拱桥振型

罗飞

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京市 100082)

刚架拱改进设计静动力分析

罗飞

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京市 100082)

在运营的刚架拱桥大多破损严重,针对病害特点和结合实际工程对刚架拱桥进行了改进设计,建立空间有限元模型对其进行了静力和动力力学性能的分析,分析时采用了更能反映结构真实刚度的梁板组合模型。分析结果表明:梁板组合模型可以应用到类似结构的工程设计,提高设计效率;刚架拱的主要断面受力的控制工况为收缩徐变和拱角位移,设计时要引起重视;改进设计后提高了结构的扭转刚度,改善了原定型设计刚架拱整体刚度较弱的缺点,为以后刚架拱的应用前景提供了一个新的思路。

刚架拱桥;有限元;梁板组合模型;平截面假定

0 引言

刚架拱桥是由斜腿刚构和桁架拱桥演变来的一种新型桥型,该桥型具有结构轻巧、施工方便、造型美观、经济效益明显等特点[1]。我国在上世纪七十到八十年代修建了大量的刚架拱桥,经过尽30年的运营,大部分桥梁出现了不同程度的病害,横向联系与主拱肋连接的松动,造成桥梁整体性较差。当车辆荷载偏载作用下时,拱片在微弯板产生的水平拱式推力的作用下发生侧移,此时微弯板在支点处发生位移,致使微弯板内积聚的轴向力释放,最终微弯板受力性质上发生改变,出现了微弯板延纵桥向的开裂现象[2]。这一定型设计已不能满足当今新的公路荷载标准和新桥规耐久性设计的要求,为此结合新规范和原定型设计的不足之处对该桥型进行了改进设计。

1 工程实例

本桥为重庆市渝北区主干管网工程中结合污水管线过桥的市政桥梁。上部结构为一孔钢筋混凝土刚架拱桥,净跨径L=40 m,净矢高f=10.22 m,矢跨比f/L=1/3.91,桥宽为14 m,机动车道8.0 m,两侧各设3.0 m人行步道。汽车荷载公路-I级,人群荷载3.5 kN/m2。主体结结构采用C40混凝土,受力钢筋为HRB335。横向布置4片拱肋,拱肋中心间距3.10 m,拱肋高1.2~4.1 m,宽0.65 m;拱肋间设有横梁联结,现浇桥面板厚22 cm。采用C40混凝土,受力钢筋为HRB335。横向布置4片拱肋,拱肋中心间距3.10 m,拱肋高1.2~4.1 m,宽0.65 m;拱肋间设有横梁联结,现浇桥面板厚22 cm,见图1~图3。

图1 桥型立面布置图(单位:cm)

图2 桥型横断面布置图(单位:cm)

图3 桥梁实景图

2 计算理论

目前该类型桥梁的设计一般采用平面杆系和空间杆系两种计算方法[3]。平面杆系计算时采用的拱桥荷载的横向分布系数存在较大争议,假定的横向联系刚度和实际结构刚度存在较大的出入,设计时很难准确把握这一数值。

考虑到刚架拱桥的构造特点,在主拱腿与上弦杆的节点处受力复杂,如果采用杆系单元这一区域的内力无法求的,在实际计算中常将这一区域视为刚域,而通过空间梁板单元的组合建模,可以较准确得到该部分的应力,且计算刚度与实际结构相符。现浇桥面板对结构的横向刚度贡献较大,为此将桥面板全部采用板单元模拟,桥面板与拱肋的结合采用共节点梁板组合模型,避免了通常采用的全部空间杆系模型建模时横向刚度的丢失,同时可以在桥面板上任意位置布置活载。

在桥梁整体分析前我们先用一个简单的模型对梁板组合单元的应用做一个阐述。计算软件采用ANSYS通用有限元程序,为了描述问题的方便我们采用一个跨径L=20 m的简支梁来分析,断面为“T”型,具体尺寸和跨径见表1。建模采用BEAM188、SHELL63单 元 , 腹 板 部 分 采 用BEAM188单元,该单元是基于Timoshenkol梁理论,有三个节点,每个节点有6个自由度,其中第三个节点是方位点,用于确定梁截面的摆放位置。翼缘部分采用SHELL63单元模拟,有4个节点,每个节点有6个自由度。

梁单元通过腹板中心线在翼缘板平面内投影位置对应的节点形成,梁节点在截面上的位置按照实际位置发生了偏移,这样就保证了梁板组合截面仍符合单梁受力时的平截面假定。将梁板组合模型和单梁模型的计算结果做了对比分析,按规范设计配筋结果基本相同[4,5],详细结果见表1。断面尺寸见图4。

表1 梁板组合模型和单梁模型对比分析

图4 断面尺寸示意图

3 空间计算模型

结构计算时采用空间有限元程序对全桥施工状态和成桥使用阶段进行分析,材料均采用线弹性假定。考虑到桥梁的设计构造特点,模型采用梁单元和板单元构建。对桥面板和拱腿与上弦杆节点处采用板单元模拟,为了能更好得到刚节点处的应力,该处单元进行了细化,主拱腿、主拱肋和上弦杆腹板部分采用梁单元模拟,见图5、图6。梁板结合方法采用计算理论中描述的方法处理,主拱腿上端与板单元的连接采用刚性截面连接,这样就保证了刚度的连续和平截面假定的成立。

图5 有限元模型

图6 空间有限元模型

本桥为满堂支架浇筑,结合实际施工方法和步骤施加对应的边界条件,第一阶段为主拱和桥面板浇筑,此时拱角为铰接,桥台处上弦杆按实际板式橡胶支座的刚度施加约束;第二阶段施加桥面二期恒载,约束条件不变;第三阶段桥面铺装施工完成后封固拱角。

4 计算结果与分析

4.1 静力分析

静力性能分析主要包括结构在外荷载作用下截面的内力、变形两方面。主要控制截面在各工况作用下的内力见表2。

表2 主要截面各工况下内力

从表2中的数值可以看,收缩徐变产生的内力对拱角截面贡献较大,是活载内力的两倍以上,同时强迫位移和体系升降温也是控制截面设计的主要工况,在工程设计时要引起重视。

从表3位移计算结果来看,结构跨中的挠度相当一部分是由于收缩徐变和拱角位移引起的,改进设计后的拱肋断面有效降低了混凝土的弯曲压应力,从而降低了拱肋由于收缩徐变引起的变形,这也避免目前刚架拱出现的普遍病害。

表3 不同工况条件下的位移值

4.2 动力分析

桥梁结构的动力特性主要通过固有频率、振型表示,从而定性的描述桥梁的刚度。通过其数值的大小和振型图可以判断桥梁各构件是否匹配,以及主要尺寸设计是否合理[6]。运用模态分析功能可以求得结构的动力特性,在模态分析中,模态的提取常常采用子空间迭代法。利用MIDAS空间模型进行模态分析,前5阶自振频率与振型特性见表4,振型见图7。

表4 自振频率及振型特征

图7 振型图

从以上计算结果可以看出:

(1)刚架拱前两阶振型表现为对称侧弯和反对称侧弯,这说明改进设计后的刚架拱横向抗弯还是比较弱的,但是扭转振型较原定型设计刚架拱推迟出现,在竖弯振型的后面出现[7],表明改进设计后可以有效提高刚架拱的抗扭刚度。

(2)板梁组合模型能够准确的模拟各构件和节点的质量和刚度,分析结果较准确。避免了由于节点刚化,梁格模型刚度丢失产生的误差。

(3)结构的更高阶振型也未出现局部振动,主要是上弦杆的反对称竖弯和整个结构的二阶反对称竖弯,说明各构件的刚度匹配合理。

5 结 论

通过实例工程,对改进设计后的刚架拱桥静力和动力进行了详细的分析,结果表明:(1)建模时采用合理的单元及单元组合,可以在整体模型中得到主要计算结果和局部详细计算结果,同时也真实描述了结构的刚度,实际工作中可以提高效率。

(2)通过有限元模型验证了板梁组合模型在设计中的应用,为类似构件建模提供了一种新的方法。

(3)静力计算结果表明,改进后的刚架拱设计可以有效避免运营过程中由于收缩徐变引起的病害,同时指出各截面设计时的控制工况。

(4)对刚架拱桥的动力特性分析表明,改进设计后桥梁的抗扭刚度有较大的提高,避免了以前刚架拱设计由于横向连接较弱而引起的破坏。

[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1985.

[2]李宏江,叶见曙,虞建成.伊家河刚架拱桥病害的结构分析[J].桥梁建设,2002(5):19-22.

[3]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4]JTJ D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTJ D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,1992.

[7]张 凯,李宇,周燕.刚架拱桥力学性能分析[J].郑州大学学报(工学版),2008(4):110-111.

U448.22

B

1009-7716(2017)03-0088-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.025

2016-12-06

罗飞(1975-),男,内蒙古乌兰察布人,工程师,从事桥梁与隧道设计工作。

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