空間梁拱組合體系橋梁是一種由拱肋、吊桿及橋面系縱、橫梁組合共同受力的新型結(jié)構(gòu),由于它的結(jié)構(gòu)輕盈、線形美觀、橋面系建筑高度小等眾多優(yōu)點(diǎn)而在中、大跨橋梁,特別是在城市橋梁中廣泛應(yīng)用.這類橋型整體上可修建成外部靜定體系,因此它可適用于各種地質(zhì)條件,而其內(nèi)部為超靜定結(jié)構(gòu)的特性使之內(nèi)力計算較為復(fù)雜.對于這種橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析,常以平面桿系有限元程序,結(jié)合具體的荷載橫向分布系數(shù)綜合計算,因而如何計算這類橋梁的荷載橫向分布系數(shù),成為解決問題的關(guān)鍵。
目前橋梁界普遍認(rèn)為這種橋梁結(jié)構(gòu)的橫向分布按彈性支承連續(xù)梁的形式進(jìn)行分布,但文獻(xiàn)〔l〕里只對等跨等剛度連續(xù)梁的各種情況作了闡述,并制定了不同的表格供運(yùn)用.由于空間梁拱組合體系橋梁常將機(jī)動車道、非機(jī)動車道及人行道做成分隔分道行駛的形式,橫向不等跨及橫梁剛度沿長度變化的現(xiàn)象比較突出.文中以嘉興長纖塘橋的空間梁拱組合體系橋?yàn)楸尘?運(yùn)用桿系有限元的基本原理,并借助彈簧剛度矩陣,提出了對于這種橋梁結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布按彈性支承連續(xù)梁的精確解法,并用實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
基本理論
1.1基本原理及計算圖式
根據(jù)空間梁拱體系橋梁的組成特點(diǎn),將空間梁拱組合式橋梁的計算通過荷載橫向分布系數(shù)轉(zhuǎn)化為平面梁拱結(jié)構(gòu),再利用桿系結(jié)構(gòu)有限元理論將拱梁結(jié)構(gòu)離散、并進(jìn)行內(nèi)力計算和分析.計算時,荷載橫向分布計算采用的力學(xué)模式如圖1.在這種力學(xué)模式中:認(rèn)為每一梁拱拱片間的橋面系橫梁為彈性支承在梁拱拱片上并且具有一定剛度的連續(xù)橫梁,橋梁的荷載橫向分布按彈性支承連續(xù)梁的形式進(jìn)行分配。
1、2關(guān)于k值的計算
按彈性支承連續(xù)梁法計算荷載的橫向分布系數(shù)關(guān)鍵在于彈簧剛度k值的確定.目前城市橋梁修建的空間梁拱體系橋梁常以三拱肋或四拱肋的形式出現(xiàn),而且由于機(jī)動車道、非機(jī)動車道分道,邊拱體系與中拱體系的整體剛度略有不同,故其k值應(yīng)分別計算.根據(jù)彈簧剛度的定義k一F/漢式中:k為彈簧剛度;F為力;a為相應(yīng)位移.在平面梁拱結(jié)構(gòu)分析計算模型的跨中作用一單位力F根據(jù)彈簧的力學(xué)特性及桿系單元的模式,將彈簧單元的剛度矩陣寫成與桿系單元相似的形式一1,利用桿系有限元程序分別求出每一梁拱體系中所求截面縱梁的豎向位移民,即可求出彈簧剛度k。
1.3關(guān)于彈簧剛度矩陣
為結(jié)合桿系有限元,這里引人彈簧單元,根據(jù)彈簧的性質(zhì)推導(dǎo)出其單元的剛度矩陣如式(1)、(2),把這種單元的剛度矩陣加人到整體剛度矩陣中,按照桿系有限元的原理編制相應(yīng)的程序,可計算任意條件下的彈性支承連續(xù)梁法計算荷載的橫向分布系數(shù)(限于篇幅程序未列出)。
1）局部坐標(biāo)系的彈簧單元剛度矩陣
2）對應(yīng)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系中的彈簧單元剛度矩陣
2、試驗(yàn)研究
為了解這類橋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際荷載下的工作性能,驗(yàn)證文中提出的荷載橫向分布理論及程序,結(jié)合嘉興市長纖塘橋梁拱組合式橋梁的設(shè)計施工進(jìn)行了試驗(yàn)研究,給出了理論計算值與試驗(yàn)測試值的比較。
2.1橋梁概況
長纖塘橋位于嘉興市東升路,跨越長纖塘主河和支河,其中第一跨和第四跨上部結(jié)構(gòu)采用52.44m及52.43m梁拱組合式橋梁,結(jié)構(gòu)新穎,橋梁的設(shè)計荷載為汽一20級、掛一100,人群荷載3.5kN/mZ,橋面寬為15(機(jī)動車道)+2X2.0(分隔帶)十2X6.5(非機(jī)動車道)十2x1.0(分隔帶)+2x3.25(人行道)一40.50m,拱肋為鋼管混凝土拱,橫斷面設(shè)4根長圓形拱肋,拱肋間設(shè)5道風(fēng)撐,風(fēng)撐采用直徑600mm壁厚70mm鋼管,橋面結(jié)構(gòu)利用隔離帶作為縱向加勁梁,并每隔5.20m設(shè)置一道橫梁和柔性成品索吊桿掛于鋼管混凝土拱肋上,縱向系梁及橫梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),此外還在縱向系梁外的橋面板配置縱向預(yù)應(yīng)力筋,預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計標(biāo)號為C50,預(yù)應(yīng)力材料采用奮15.24mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為Rb=1860MPa,OVM錨具,吊桿采用平行鋼絲、墩頭錨。
2.2荷載試驗(yàn)
2.2.1測試內(nèi)容根據(jù)交通部頒布的試行辦
法圖及結(jié)構(gòu)對稱性,選取了該橋第四跨梁拱組合式橋梁進(jìn)行重點(diǎn)觀測和試驗(yàn)研究,同時第一跨跨中截面亦作為對比測試試驗(yàn).測試內(nèi)容主要為觀察同一截面的不同拱肋、縱梁在各試驗(yàn)加載工況下的豎向位移,借以反應(yīng)該橋梁的荷載橫向分布工作性能。
2.2.2測試參數(shù)控制測試參數(shù)的控制是橋梁
測試的關(guān)鍵,而空間梁拱體系橋梁中拱片體系的受力計算關(guān)鍵在于荷載橫向分布系數(shù)的計算.因此試驗(yàn)前的荷載橫向分布系數(shù)計算采用了兩種計算模式,以資比較。
1)第一種模式認(rèn)為每一梁拱拱片間的橫梁如同簡支梁,橋梁的荷載橫向分布按杠桿原理進(jìn)行分配;
2)第二種模式認(rèn)為每一梁拱拱片間的橫梁具有一定的剛度、梁拱拱片為彈性支撐,橋梁的荷載橫向分布按彈性支承連續(xù)梁的形式進(jìn)行分第4期李新生等:空間梁拱組合體系橋梁的荷載橫向分布計算9配,計算圖式如圖1所示。
圖2跨中、L4/截面加載各工況車輛橫向布置圖根據(jù)橋面系尺寸,機(jī)動車道按標(biāo)準(zhǔn)汽一20橫向2列偏載、3列偏載、4列偏載、對稱3列布置、掛車一100偏載和人群3.5kN/m“的方式,用上述兩種計算模式、并乘以相應(yīng)的車道折減系數(shù),可以得到邊拱肋、中拱肋的梁拱拱片的荷載橫向分布系數(shù)和設(shè)計控制值,列于表1.表1兩種力學(xué)假定模式的荷載橫向分布系數(shù)表系數(shù)比較見圖3所示。
從表1中可以看出:
(1)兩種方法計算的汽車荷載的橫向分布系數(shù)相差不是太大.對于邊拱肋:方法1較大,方法2較小,其差值為0.041(約3.5%);而對于中拱肋差值為0.o49(約3寫)。
(2)兩種方法計算的人群荷載的橫向分布系數(shù)邊拱肋相差較大,差值為。.675(約18%),而中拱肋相差不大,差值只有。.223(約7%)。
(3)兩種方法計算的掛車荷載的橫向分布系數(shù)相差較大,差值為0.137(約20寫).試驗(yàn)主要采用方法2的結(jié)果.試驗(yàn)中人群荷載根據(jù)內(nèi)力等效原則用汽車模擬,加載的荷載橫向分布系數(shù)最大理論控制值中拱肋為2.09,邊拱肋為1.72,梁拱各截面的加載內(nèi)力以此參數(shù)為高限。
2.2.3試驗(yàn)加載車輛橫向布置試驗(yàn)加載車輛的橫向布置見圖.2
2.3橫向分布試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)試驗(yàn)跨跨中截面的實(shí)測撓度值反算出加載各工況下各拱片體系的荷載橫向分布系數(shù)與文中提出的彈性支承連續(xù)梁法計算的荷載橫向分布。
2、3分析討論
1)從圖3中可以看出第一、第四跨跨中截面的橫向分布實(shí)測曲線與文中提出的彈性支承連續(xù)一492.武漢理工大學(xué)學(xué)報〔交通科學(xué)與工程版)2001年第卷梁的計算值的分布曲線基本吻合,說明文中提出的算法的可靠性。
2)由于空間梁拱體系橋梁的橫向連接大都以橫梁作為主要承重結(jié)構(gòu),因此橫梁的內(nèi)力計算,必須按彈性支承連續(xù)梁進(jìn)行計算和配筋,特別是對靠近中間拱肋支承附近的截面,往往由于彈性支承的影響,該處既表現(xiàn)為負(fù)彎矩控制該處截面上緣的設(shè)計,又表現(xiàn)為正彎矩控制該處截面下緣的設(shè)計,這一點(diǎn)值得橋梁設(shè)計者注意。
3)本試驗(yàn)沒有對端橫梁的荷載橫向分布進(jìn)行試驗(yàn).但從定性上分析,對于端橫梁應(yīng)按連續(xù)梁或杠桿原理進(jìn)行分配,從而在設(shè)計過程中應(yīng)考慮荷載橫向分布系數(shù)沿橋跨縱向的變化。
4)根據(jù)按彈性支承連續(xù)梁法和按杠桿原理法計算結(jié)果的對比可知,在實(shí)際工程的設(shè)計中,就從荷載的橫向分布系數(shù)而言,可偏安全地采用杠桿原理法進(jìn)行計算,但橫梁的內(nèi)力計算仍必需按彈性支承連續(xù)梁進(jìn)行計算。
3、結(jié)束語
通過在桿系有限元程序中引人彈簧剛度矩陣,提出了分析空間梁拱組合體系橋梁荷載橫向分布及其彈性支承上的連續(xù)橫梁內(nèi)力分析的彈性支承梁法,它能適用于橋面系橫向不等跨變剛度彈性支承連續(xù)梁的荷載橫向分布系數(shù)的計算,試驗(yàn)研究表明了本方法的可靠性。彈簧剛度k的計算值對于不同的截面、不同拱跨,其相應(yīng)值亦不同.因此這種橋梁的荷載橫向分布系數(shù)不僅表現(xiàn)為各梁拱結(jié)構(gòu)橫向的不同,而且沿跨長也是有變化的。
參考文獻(xiàn)
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（作者 李新生 申永剛 項(xiàng)貽強(qiáng)）
