拱桥中组合桥面系应力不均匀性研究.pdf

104桥梁结构
城市道桥与防洪
2012年7月第7期
拱桥中组合桥面系应力不均匀性研究
杨波,马迪辉',鈕剑伟,吴宏强1,邵长宇2,苏庆田3
(1.杭州城投建设有限公司,浙江杭州,31000,2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海200092;
3.同济大学桥梁工程系,上海2000920)
摘要:拱桥中钢与混凝土组合桥面系结构构造和受力复杂。该文结合一组合桥面系的拱桥,采用有限元方法建立全桥空间
有限元模型,其中对组合梁建立板壳模型,计算了不同荷载工况下的组合梁受力,得到了主梁各个部分构件的应力。研究了组
合梁中混凝土顶板的应力分布的不均匀性,揭示了组合拱桥中钢与混凝土组合梁的应力分布特点,为同类结构的日后设计计
算提供了参考。
关键词:拱桥;钢与混凝土组合梁;应力;不均匀性
中图分类号:U448.22、U448.38文献标识码:A文章编号:1009-7716(2012)07-0104-04
1概述
(见图1),其拱肋为钢箱结构,由外倾式主拱肋和
空间曲线的副拱肋组成,其桥面系为钢与混凝士
钢一混凝土组合结构能充分发挥两种材料的桥面板组合结构(见图2),组合桥面系的钢梁采用
力学特性,近些年开始在土木工程中大量使用,梁格体系,由两側窄幅箱梁与工字形横梁组成。由
如梁式桥中有全部采用组合结构的简支梁或连续此可以清楚看出九堡大桥的主梁采用了钢与混凝
梁,在拱桥、斜拉桥、悬索桥中有部分构件采用了组土组合结构形式。为了较为精确地分析组合拱桥
合结构。组合结构在桥梁中的应用为桥梁结构的计中钢与混凝土组合梁应力分布的不均匀情况,本
算理论提出了新的要求。在常规的拱桥中,主梁一般文结合九堡大桥主桥实际工程,采用通用有限元
采用两根钢主梁或混凝土主梁,两根主梁分别位于软件 ANSYS对该桥建立有限元模型,对该桥的主
两侧的拱肋平面内,主梁通过吊杆与拱肋相连,两梁板件应力分布进行计算分析,研究主梁应力分
根主梁通过横梁相连,混凝土桥面板直接放置在横布的不均匀特性,得到一些可供工程设计参考的
梁上并与之相连,桥面板与主梁不连或稍微相连,结论。
这样在对拱桥进行整体分析时只需按照梁理论方
便地计算拱、梁和吊杆的受力。
3有限元模型
近几年的拱桥开始采用组合结构桥面系,并3.1计算方法
把混凝土桥面板通过连接件与横梁、钢主梁相连
根据九堡大桥主桥结构特点,本文采用混合
形成完全组合构件,这时对拱桥进行整体分析时有限元模型进行分析,主拱肋和副拱肋用梁单元
必须考虑混凝土桥面板参与组合梁的作用。然而,模拟,系杆和吊杆采用杆单元模拟,对关心部位的
拱桥中两根主梁的横向间距较大,在两钢梁上部主梁混凝土板用壳单元模拟,对非关心部位的主
的混凝土不会完全相同地参与主梁的受力,导致梁钢结构部分和钢横梁用梁单元模拟。图3给出
同一截面处的混凝土桥面板纵桥向应力在横桥向了计算分析时的混合有限元模型图。
分布不均匀,按照梁理论计算组合梁的受力带来3.2材料
定困难?,采用考虑有效分布宽度的方法能够有
模型中钢结构采用Q345d,弹性模量E=2.1
效解决上述困难,但是现有的设计规范中没有10°MPa,泊松比=03;桥面混凝土采用CSO混凝
关于拱桥中组合桥面系有效分布宽度的规定。本土,弹性模量E=035x10°MPa,泊松比=0167,
文结合一组合桥面系的拱桥,对组合桥面系的应吊杆和系杆的弹性模量E=1.96×10°MPa,泊松比
力不均匀情况进行研究
0.3
2背景工程
3.3荷载和约束
对运营阶段主桥进行受力分析,计算荷载包
九堡大桥主桥为三跨涟续梁拱组合体系桥梁括结构自重、二期恒载和公路-级汽车荷载和吊
收稿日期:2012-04-01
杆及系杆的预应力。
基金项目:浙江省科技计划项目(2009c11102)
模型对靠近墩顶的端横梁的4个节点进行约
作者简介:杨波(1974-),男,浙江诸暨人,高级工程师,从
事桥粱工程建设与管理工作
束:其中纵桥向一端的2个节点约柬纵桥向位移,
2012年7月第7期
城市道桥与防洪
桥梁结构
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?
主桥正立面
桥立面
图1九堡大桥主桥方案总体布置图(单位:m)
h thu
TIIT
土桥面板
主纵
?梁
主纵梁
1174
有横梁截面
无横梁截面
图2主梁标准横断面图(单位:mm)
匀系数定义为
式中:o一一任意点的应力值;
o平均应力值。
4.1主梁截面的应力分布
图3混合有限元模型
通过混合有限元模型的计算,可以得到拱桥
横桥向一侧的2个节点约束横桥向位移,所有的4所有构件的内力和应力。限于篇幅,这里只给出中
个节点约東竖向位移,主梁的钢梁单元与混凝土孔组合梁中混凝土桥面板的应力。根据混凝土桥
壳单元的约束是根据交界面上节点位移相同原则面板下部是否连结钢横梁,把混凝土桥面板分为
建立约束方程。
两种情况:一种是混凝土桥面板下部有钢横梁,另
一种是混凝土桥面板下部无钢横梁。恒载、恒载加
4主梁断面正应力不均匀分布研究
活载两种工况下两类混凝土桥面板的应力分布见
薄壁钢箱梁在外荷载作用下,由于上、下翼缘图4至图7所示。图中应力负值代表压应力,正值
板存在剪切变形,从而导致其宽度范围内弯曲应代表拉应力,横坐标原点位于中孔跨中横桥向的
力分布不均匀的现象,称之为“剪力滯效应”。翼板中心。
上弯曲应力与根据初等梁弯曲理论所算出的应力
由图4看出主梁顶板的应力沿横截面分布是
比值称为“剪力滞系数”。“剪力滞”的概念一般仅不均匀的,且在不同位置上应力分布规律不同。由
适用于描述薄壁箱梁因受弯而引起的正应力不均于九堡大桥主桥的三孔拱的主梁在22m宽的Y形
匀分布。拱桥的主梁在受弯曲时,同样使得混凝土墩处连续,因此在恒载作用下拱脚附近的主梁产
板正应力不均匀。
生负弯矩,因而拱脚附近的混凝土桥面板上产生
仿照剪力滞系数的定义,本文将正应力不均拉应力,这在主纵梁(横桥向位置士13.8m处)上