空腹式拱桥

空腹式拱桥（精选四篇）

空腹式拱桥 篇1

在山区修建桥梁中, 拱桥占有半壁江山, 而中小跨径拱桥在施工过程中经常满堂支架施工, 浇筑完拱圈后拆除支架时偶尔发生桥梁垮塌, 造成人员伤亡现象, 因此有必要对类似结构作较详细分析, 指导施工。进行分析的拱桥为主跨25m空腹式石砌拱桥, 桥跨布置为2×2.5m (石砌引拱) +25m (主跨石砌板拱) +2×2.5m (石砌引拱) , 桥面全宽7.5m, 桥台为重力扩大基础。由于平面杆件软件无法真实反映实体应力分布情况, 本文采用大型通用有限元ANSYS软件进行分析, 了解该拱桥在自重作用下应力情况。

2 有限元法简介

有限元将一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题进行求解。如果将区域划分成很细的网格, 也即单元的尺寸变得越来越小, 或随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高, 解的近似程度将不断被改进。如果单元是满足收敛要求的, 近似解最后可收敛于精确解。有限元分析的实施过程可分为三个阶段:前处理阶段:将整体结构或其一部分简化为理想的数学力学模型, 用离散化的单元代替连续实体结构或求解区域;分析计算阶段:运用有限元法对结构离散模型进行分析计算;后处理阶段:对计算结果进行分析、整理和归纳。

有限元分析的基本步骤归纳成以下几点:a.结构简化与离散化, 并对离散结构进行单元、节点编号;b.整理原始数据, 包括单元、节点、材料、几何特性、荷载信息等;c.形成各单元的单元刚度矩阵;d.形成结构原始刚度矩阵;e.形成结构荷载向量, 它是节点力与非节点力的总效应;f.引入支承条件;g.解方程计算节点位移;求各单元内力和各支承反力。

3 有限元模型建立及分析

采用ANSYS有限元分析软件对拱桥建立实体模型, 采用单元SOLID65, 计算模型包括23256个单元, 27094个节点;计算模型边界条件:桥台底面节点进行竖向约束, 桥台顺桥向正面进行水平约束;分析结果如图1、2。从第一主应力及第三主应力图可知:空腹式拱桥在自重作用下, 拱脚压应力相对较大, 拱顶下缘出现相对较大的拉力, 主拱圈应力分布不均匀;近实腹段侧的腹拱拱圈表现一定拉应力。

4 结论

4.1通过大型有限元软件进行结构分析, 能够比较直观了解结构应力分布情况。4.2空腹式拱桥在施工过程中, 要严格控拱脚及拱顶质量及施工工序。4.3空腹式拱桥在设计过程中, 优化主拱圈截面, 改善应力分布状况。

参考文献

[1]肖汝诚.桥梁结构分析及程序系统[M].北京:人民交通出版社, 2002.

[2]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:水利电力出版社, 1979.

[3]强士中.桥梁工程[M].北京:高等教育出版社, 2004.

旧桁式组合拱桥荷载试验研究 篇2

旧桁式组合拱桥荷载试验研究

某预应力混凝土桁式组合拱桥,由于长期的使用导致桥体积累了较多损伤和病害.通过结构计算、现场检查、荷载试验等工作,评价该桥的工作性能和承载能力,对于同类型桥梁的试验测试方法和结构承载能力评价具有一定的参考价值.

作 者：陈宇 张雪松 CHEN Yu ZHANG Xue-song 作者单位：重庆交通大学土木建筑学院刊 名：黑龙江交通科技英文刊名：COMMUNICATIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY HEILONGJIANG年，卷(期)：200932(2)分类号：U446.1关键词：桁式组合拱桥 荷载试验 承载能力 评价

空腹式无铰拱桥内力分析方法探讨 篇3

空腹式拱桥作为桥梁结构的一种形式,尤其是拱式结构的拱桥,由连拱式的拱上建筑与大跨度主拱圈形成优美的造型,在城市建设已广泛采用。但由于拱式结构与主拱圈的联合作用,所以使结构的受力情况变得较为复杂。

本工程实例为净跨径为30 m的拱桥,矢跨比为1∶5,矢高为6 m。主拱圈采用钢筋混凝土上承式板拱,拱圈厚度为0.8 m,拱轴线采用圆曲线,半径为22.148 m。拱上拱式结构为钢筋混凝土三连拱,净跨为2.5 m,矢高为0.5 m。桥面宽度为17 m,双向4车道,车行道宽度为15 m,两侧各1 m宽绿化带,拱顶填料厚度根据道路纵断面设计需要左低右高。设计荷载为城-A级。拱桥立面见图1。

以有限元分析软件MIDAS为基础,分别建立梁格法模型、单梁法模型及裸拱模型进行分析。梁格法模型采用17片梁组成主拱,单片梁宽为1 m,横向设置无自重的横向联系梁。梁格法模型见图2。单梁法模型采用单片梁组成主拱,梁宽为17 m。单梁法模型见图3。裸拱模型以主拱作为分析对象,拱上建筑作为荷载考虑不建入模型中。

2 拱桥内力分析

选取拱脚A、1/8跨径、1/4跨径、跨中、3/4跨径、7/8跨径、拱脚B处的弯矩计算成果(分别计为MA、M1/8、M1/4、M1/2、M3/4、M7/8、MB)进行分析。单梁法及裸拱计算成果均按单宽弯矩进行了处理。

2.1 恒载作用下内力分析

由主拱圈、拱上建筑及拱上填料等恒载作用下内力计算结果见表1(表中百分值为单梁法、裸拱法与梁格法数值偏差,以下同)。单梁法计算结果与梁格法完全一致,裸拱计算结果与梁格法出现较大偏差,在跨中1/4跨～3/4跨范围内偏差显著。

2.2 温度作用下内力分析

按升温25 k考虑,升温作用下内力计算结果见表2。单梁法计算结果与梁格法完全一致,裸拱计算结果与梁格法出现较大偏差,仅拱脚、拱顶位置偏差较小。

2.3 汽车荷载作用下内力分析

梁格法可方便灵活地加载汽车荷载,在横向联系梁按横向最不利分布进行车道加载,最多加载车道数为4个。单梁法及裸拱模型在主拱单元上直接按4个车道进行加载,并进行车道折减。由汽车荷载作用下内力计算结果最大、最小值分别见表3、表4。

梁格法车道加载时,按照车道实际最不利位置进行分布。表3、表4梁格法内力结果均选自17片梁中最不利计算结果,较准确地反映了车道的偏载效应;单梁法将车道荷载沿全桥横向进行均匀分布,计算结果均偏不安全;裸拱将车道沿主拱圈直接加载,在拱上建筑拱式结构的范围内,拱圈下缘内力偏安全,说明拱式结构对主拱圈的有利作用,但在拱脚及跨中仍偏不安全。

3 结语

本文在梁格法、单梁法及裸拱模型的基础上,对拱桥的恒载、温度荷载及汽车荷载所产生的内力进行对比分析。

梁格法能较准确地反映汽车荷载的偏载效应,能达到较高的计算精度,但由于所需要采用的梁单元数较多,模型建立比较麻烦,所以计算所耗用的机时较长。

单梁法在恒载及温度荷载作用下能达到梁格法的计算精度,汽车荷载内力计算结果建议计入偏载系数,偏载系数取值1.2～1.3可达到设计所需的计算精度,其模型建立简便,计算耗时短,在实际工作中使用更加方便。

裸拱模型计算精度较差,对于拱式结构的拱桥计算不建议采用。

参考文献

[1]顾懋清,石绍甫.拱桥:上[M].北京:人民交通出版社,1994.

[2]戴公连,李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社,2001.

空腹式拱桥 篇4

本文结合贵州省兴义市楼下长征桥(双跨空腹式石拱桥)加固设计,探究石拱桥加固、补强后桥梁结构承载能力的计算方法。

1 工程概况

楼下长征桥位于兴义市马(岭)(普)安公路上,1980-03建成通车。上部结构为2×24 m 2跨空腹式石拱,主拱圈矢高为6.1 m,矢跨比1/4,主拱圈厚0.85 m,桥面宽度8.5 m为25 cm厚混凝土板;普安岸拱脚嵌入基岩,兴义岸拱脚设在石料堆填拱座上,中墩基础为混凝土浇筑。

随着当地经济与交通运输快速发展,原桥设计荷载等级(汽车—13级、挂—60)已不能满足日益增长的车辆荷载需要。需对原结构加固补强,将荷载等级提高到公路汽—20、挂—100(以下简称加固荷载)。主拱圈材料按80#块石、7.5#砂浆砌体考虑。砌体弹性模量取值:E=1.05×107 kN/m2,剪切模量G=4.2×106N/m,升温按13℃、降温按14℃考虑。检测报告中判断中墩有明显下沉,但主拱圈外观线形平顺,未见拱圈开裂等病害。

验算荷载组合为:组合Ⅰ,恒载(结构重力)+汽车;组合Ⅱ,恒载(包括结构重力、基础变位影响力)+温度影响力+汽车;组合Ⅲ,恒载(结构重力)+挂车。

原桥结构图见图1,计算分析见表1和表2[3,4]。

由表1得出,将荷载等级提高到公路汽—20、挂—100。原主拱结构中墩拱脚处正截面受力计算模式为大偏心受压构件,在最不利荷载作用下构件的允许承载力安全度仅为0.2。由表2得出,以允许应力法计算,原主拱结构中墩拱脚处正截面最不利荷载作用下最大拉应力σmax=0.64 MPa,大于石料弯曲抗拉极限强度0.54 MPa。因此,中墩拱脚处控制截面承载力、应力验算均不满足,故需要加固补强。

注:表中M、N取值为在中墩沉降2 cm情况下得出的计算值。允许偏心距e0范围,组合I:e0≤0.6y;组合II~III:e0≤0.7y。e0为正值时,y=y上=0.4;e0为负值时,y=y下=0.4。

MPa

注:表中数值,正值为拉应力,负值为压应力。

2 复合主拱圈加固

钢筋混凝土复合主拱圈加固技术主要是针对石拱桥的主要受力构件——主拱圈因发生拱轴线变形、主拱圈开裂等病害而引起整个结构承载力不足或构件局部功能失效而提出的一种加固方法[1]。该方法通过在原主拱圈拱腹和两侧增设1层钢筋混凝土板来增大主拱圈截面面积和惯性矩,由于钢筋混凝土加固层与原主拱圈形成复合主拱圈协调变形[2],共同承担活载作用,增大了截面抵抗矩,从而达到加固旧桥的目的。

按照极限状态法的设计理论与方法[5]加固后主拱圈强度计算公式如下[1]:

式中:γ0Nd为荷载效应,包括新增设钢筋混凝土加固层恒载在内的最不利荷载组合计算值;A为主拱圈截面面积,A=A0+η1A1,A0为原主拱圈的截面面积,A1为加固层的截面面积,η1=fcd1/fcd0,fcd1为加固层的极限强度,fcd0为原主拱圈的极限强度;￠为构件轴向力的偏心距e和长细比对受压构件承载力的影响系数,按规范的相关条文计算。fcd为拱圈材料的抗压强度设计值,对于复合主拱圈加固技术应采用标准层的强度。

按照允许应力设计方法计算加固后桥梁承载能力。加固前,在自身恒载作用下,拱圈边缘的恒载应力满足σ恒<σL(σ恒为加固前桥梁在恒载作用下主拱圈边缘应力,σL为主拱圈边缘应力极限值)。加固后,由于复合主拱圈的共同作用,原主拱圈边缘应力变为恒载作用下产生的应力(截面特性采用原主拱圈)和活载作用下产生的应力(截面特性采用复合主拱圈)的叠加[1]。主拱圈的压应力计算公式为:

式中:∑N恒、∑M恒为原主拱圈在恒载(包括套箍层自重)作用下的纵向力和弯矩值总和;∑N活、∑M活为复合主拱圈在活载作用下的纵向力和弯矩值总和;A1为复合主拱圈面积;Rba1、Rba0为分别为套箍层和原主拱圈层的极限强度;I1为复合主拱圈在弯曲平面内的截面惯性矩;y1为截面重心至偏心方向原主拱圈边缘的距离;拉应力计算公式为:

式中:y′1为截面重心至非偏心方向原主拱圈边缘的距离。

3 加固有限元模型与计算结果

3.1 加固方法

在原桥拱圈底面种植钢筋,全拱圈截面浇筑10 cm厚的钢筋混凝土加厚层,同时在拱圈底面浇筑4道顺桥向的钢筋混凝土拱肋,每道拱肋厚50 cm,宽100 cm,通过增大主拱圈截面来增加拱桥的承载力及稳定性。如图2~图3所示。

同时在墩身及台身上种植钢筋,浇筑钢筋混凝土加厚层增大台身、墩身截面,从而满足上部新增拱圈对下部结构的要求。

增设拱肋加固方法加固施工工艺流程:搭设支架→主拱圈表面凿毛→植筋→布置纵横向钢筋→现浇混凝土加固层→养护成形→清理拆架。

3.2 极限承载力计算

将加固层混凝土按照面积换算法(即保持混凝土高度不变,利用弹性模量比进行换算)统一换算为石砌体[2],换算截面看做由匀质弹性材料组成的截面来计算。

3.3 容许应力法的计算

采用有限元计算软件Midas建立模型,对于加固后模型的建立通过定义施工阶段,将原桥作为第1施工阶段,加固层作为第2施工阶段,利用施工阶段中的截面联合功能将加固层与原结构进行联合。

加固前后计算结果如表3~表5所示。加固措施将中墩拱脚大偏心受压构件转变为小偏心受压构件,同时减小荷载作用下主拱圈截面拉应力。

注:表中M、N取值为在中墩沉降2 cm情况下得出的计算值。允许偏心距e0范围,组合I:e0≤0.6y;组合II~III:e0≤0.7y。e0为正值时,y=y上=0.596;e0为负值时,y=y下=0.805。

MPa

注:表中数值,正值为拉应力,负值为压应力。

kN

4 结论

由表1、表2和表3、表4的结果对比可以看出:尽管加固后总体荷载增加,但由于加固层与原结构层共同作用,分担了一部分内力,从而使原结构层的应力水平降低,大部分截面的应力由加固前的拉应力变为加固后的压应力,原拱圈的应力状况有所改善;加固层和原结构协调变形、共同作用形成了一个复合主拱圈,提高了该桥的极限承载能力。桥墩拱脚处承载力安全度由0.2增加到3.21,加固后,拱圈各控制截面的承载能力能够满足汽车—20级、挂—100荷载的通行要求。加固后地基承载能力满足要求。

参考文献

[1]周建庭,刘思孟.石拱桥加固改造技术[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]庞国栋,周建庭,李跃军.复合主拱圈加固石拱桥的承载力计算模式研究[J].重庆交通学院院报,2006;25(增):16-18.

[3]公路桥梁承载能力检测评定规程(报批稿)[S].

[4]JTJ022—85公路砖石及混凝土桥涵设计规[S].

[5]JTJ D61—2005公路圬工桥涵设计规范[S].

[6]王国鼎.拱桥连拱计算(第2版)[M].北京:人民交通出版社,2005.