大跨度剛架拱橋荷載橫向分布探究

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1、大跨度剛架拱橋荷載橫向分布探究摘要：從建筑學(xué)角度來看，橫向連接的剛度與分布的作用存在著正比的關(guān)系，連接剛度大，橫向分布作用就更加明顯。筆者對(duì)剛架拱橋?qū)嵤╈o載試驗(yàn)，弄清拱橋的荷載橫向分布系數(shù)，將得出的結(jié)果整理好后用ANSYS的三種有限元模型做進(jìn)一步研究，探討大跨度剛架拱橋橫向分布的最佳計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：鋼架拱橋;荷載;橫向分布“超載現(xiàn)象”一直是我過拱橋建筑普遍存在的問題，這帶來的直接影響是導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，如果拱橋斜腿與橋面相交處出現(xiàn)裂縫，其后果更加嚴(yán)重。為了準(zhǔn)確地判定拱橋的靜載荷能力，筆者通過實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行了詳細(xì)地分析。一、拱

2、橋荷載的計(jì)算方法拱橋的荷載能力反映了拱橋的實(shí)際運(yùn)用情況，熟練掌握拱橋荷載的計(jì)算方法可以及時(shí)的了解拱橋的實(shí)際情況，做好日常維修養(yǎng)護(hù)工作。拱橋荷載的計(jì)算方法包括了：彈性支承連續(xù)梁法、偏心壓力法、推力體系比擬板法、模擬計(jì)算。1、彈性支承連續(xù)梁法。運(yùn)用彈性支承連續(xù)梁法的前提是要了解鋼架拱橋的構(gòu)造、性能、自身的特點(diǎn)及受理情況,這樣進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)就可以把拱橋的橫橋向轉(zhuǎn)化成彈性支承連續(xù)梁進(jìn)行思考，如下圖所示：2、偏心壓力法。又稱剛性橫梁法，是在橫隔梁為無限剛性這一假設(shè)的情況下進(jìn)行計(jì)算的，這一方法的計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。3、推

3、力體系比擬板法。即拱橋的拱體結(jié)構(gòu)可以沿著拱橋軸線方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，最終變?yōu)榻孛娴陌弩w。如果使用著中國方法計(jì)算的荷載橫向分布系數(shù)，需要將縱向位移帶來的影響考慮在內(nèi)。4、ANSYS軟件模擬計(jì)算。需要建立有限元模型，并且包含一個(gè)假定過程，其具體內(nèi)容有拱橋結(jié)構(gòu)、截面變形、靜載作用、實(shí)腹段、弦桿、剛度等等。二、各類建模與實(shí)驗(yàn)的比較本次計(jì)算研究筆者采用的是ANSYS有限元軟件三種建模方式，先將相關(guān)建模方式所處詳細(xì)地闡述和比較。1、荷載建模模型一，只考慮由拱腿，不考慮橋面板和橋面鋪裝。計(jì)算過程中整個(gè)拱橋都運(yùn)用BEAM4單元來模擬，包括了

4、拱橋的剛度和結(jié)構(gòu)都考慮在內(nèi)。其步驟是，先將作用在橋面上的汽車荷載換算成等效的荷載施加到拱肋上，然后建立圖平面桿系模型，計(jì)算出相應(yīng)的單位力作用。模型二，由拱腿組成的空間桿系模型。同樣使用BEAM4單元進(jìn)行模擬，此類模擬的重點(diǎn)對(duì)象是橫橋向的剛度，拱橋的橋面板是沿橋面橫向傳遞力的一種拱橋面板和單向板的車輛荷載在橋面上的位置則要根據(jù)其際作用的大小而定，這樣和理的安排才會(huì)起到作用。模型三，用BEAM4單元模擬拱腿組成的空間桿系模型。這種模擬方法的對(duì)象是拱橋的橋面板，借助于殼單元SHELL63進(jìn)行仿真模擬。這一過程不需要顧及到橋面

5、鋪裝，這事因?yàn)樗鼘?duì)荷載橫向分布不會(huì)造成影響。通過以上三種模型進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，三種模型的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果相差不大，都能比較準(zhǔn)確地計(jì)算出剛架拱橋的影響線系數(shù)，將拱橋的荷栽橫向分布系數(shù)誤差控制到很小2、荷載試驗(yàn)(1)試驗(yàn)內(nèi)容。依照建筑行業(yè)的相關(guān)規(guī)定以及我國交通部門的試行規(guī)定，加上拱橋的自身特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的荷載實(shí)驗(yàn)。本次試驗(yàn)筆者的主要對(duì)象是靜載荷試驗(yàn)，測(cè)試的主要對(duì)象包括：跨中截面，即斜腿與跨中之間中點(diǎn)的截面；腳截面，即斜腿支座附近截面等位置的應(yīng)變值。試驗(yàn)中，中跨中截面和拱腳截面的測(cè)點(diǎn)布置如下圖所示：(2)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)被測(cè)試的4輛車

6、最終測(cè)出的應(yīng)變值情況可以得到正應(yīng)變，接著按照應(yīng)變積計(jì)算出該截面的彎矩,再根據(jù)彎矩計(jì)算出線系數(shù)，最終得到的拱橋荷載的橫向分布系數(shù)。表3為各種方法算出的在跨中截面位置的荷載橫向分布系數(shù)與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。根據(jù)上述計(jì)算步驟，筆者首先測(cè)試出應(yīng)變數(shù)據(jù)的詳細(xì)數(shù)值，再求解出彎矩，最后得到了表3中的一組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了詳細(xì)地比較。通過觀察表3中的數(shù)據(jù)不難看出，試驗(yàn)結(jié)果與跨中截面使用有限元模型和用推力體系比擬板法的計(jì)算結(jié)果還是比較接近的。3、試驗(yàn)建議工程技術(shù)人員和檢測(cè)人員在進(jìn)行剛架拱橋荷載橫向分布的相關(guān)計(jì)算時(shí)，一般情況都將出現(xiàn)塑性較這一現(xiàn)象排

7、除在外，這主要是因?yàn)樵谑褂脧椥灾С羞B續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算時(shí)都會(huì)過高地估計(jì)了橋面板的連續(xù)性，排除出現(xiàn)塑性錢就是為了彌補(bǔ)這一不足。另外，在實(shí)際的試驗(yàn)計(jì)算中要想做到偏心壓力法事十分困難的，這事因?yàn)樾枰俣M隔梁無限剛性，這個(gè)是無法實(shí)現(xiàn)的。筆者建議在計(jì)算過程中采取推力體系比擬板法,因?yàn)檫@種方法中限元模型把整體作用考慮在內(nèi)，因而最終的計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際情況比較相似。三、大跨度空間結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)目前在大跨度空間結(jié)構(gòu)中，常用的計(jì)算機(jī)高架拱橋施工技術(shù)有GPS定位技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。1、整體提升法。將網(wǎng)架或桁架在地面拼裝好后利用整體

8、提升法將起重設(shè)備在網(wǎng)架活桁架上面，通過吊桿活鋼絞線與網(wǎng)架活桁架的支座相連逐步升到設(shè)計(jì)標(biāo)志。提升點(diǎn)設(shè)在網(wǎng)架或桁架附近，提升設(shè)備可用千斤頂。2、高空散裝法。將網(wǎng)架的全部桿件和節(jié)點(diǎn)逐一提升到高空后一次性拼裝完成，此種方法只需要搭建大量的支架。還可以將預(yù)先在地面上將網(wǎng)架制作成椎體活平面桁架形式的小拼單元并組成一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，最后將小拼單元按