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構,由于它的結構輕盈、線形美觀、橋面系建筑高度小等眾多優(yōu)點而在中、大跨橋梁,特別是在城市橋梁中廣泛應用.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條件,而其內部為超靜定結構的特性使之內力計算較為復雜.對于這種橋梁結構的設計、分析,常以平面桿系有限元程序,結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),成為解決問題的關鍵。
目前橋梁界普遍認為這種橋梁結構的橫向分布按彈性支承連續(xù)梁的形式進行分布,但文獻〔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用.由于空間梁拱組合體系橋梁常將機動車道、非機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為背景,運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構的荷載橫向分布按彈性支承連續(xù)梁的精確解法,并用實橋試驗結果進行了驗證。
基本理論
1.1基本原理及計算圖式
根據空間梁拱體系橋梁的組成特點,將空間梁拱組合式橋梁的計算通過荷載橫向分布系數(shù)轉化為平面梁拱結構,再利用桿系結構有限元理論將拱梁結構離散、并進行內力計算和分析.計算時,荷載橫向分布計算采用的力學模式如圖1.在這種力學模式中:認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)梁的形式進行分配。
1、2關于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),而且由于機動車道、非機動車道分道,邊拱體系與中拱體系的整體剛度略有不同,故其k值應分別計算.根據彈簧剛度的定義k一F/漢式中:k為彈簧剛度;F為力;a為相應位移.在平面梁拱結構分析計算模型的跨中作用一單位力F根據彈簧的力學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關于彈簧剛度矩陣
為結合桿系有限元,這里引人彈簧單元,根據彈簧的性質推導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）局部坐標系的彈簧單元剛度矩陣
2）對應結構坐標系中的彈簧單元剛度矩陣
2、試驗研究
為了解這類橋梁結構在實際荷載下的工作性能,驗證文中提出的荷載橫向分布理論及程序,結合嘉興市長纖塘橋梁拱組合式橋梁的設計施工進行了試驗研究,給出了理論計算值與試驗測試值的比較。
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構采用52.44m及52.43m梁拱組合式橋梁,結構新穎,橋梁的設計荷載為汽一20級、掛一100,人群荷載3.5kN/mZ,橋面寬為15(機動車道)+2X2.0(分隔帶)十2X6.5(非機動車道)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4根長圓形拱肋,拱肋間設5道風撐,風撐采用直徑600mm壁厚70mm鋼管,橋面結構利用隔離帶作為縱向加勁梁,并每隔5.20m設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應力混凝土結構,此外還在縱向系梁外的橋面板配置縱向預應力筋,預應力混凝土設計標號為C50,預應力材料采用奮15.24mm高強低松弛鋼絞線,標準抗拉強度為Rb=1860MPa,OVM錨具,吊桿采用平行鋼絲、墩頭錨。
2.2荷載試驗
2.2.1測試內容根據交通部頒布的試行辦
法圖及結構對稱性,選取了該橋第四跨梁拱組合式橋梁進行重點觀測和試驗研究,同時第一跨跨中截面亦作為對比測試試驗.測試內容主要為觀察同一截面的不同拱肋、縱梁在各試驗加載工況下的豎向位移,借以反應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
測試的關鍵,而空間梁拱體系橋梁中拱片體系的受力計算關鍵在于荷載橫向分布系數(shù)的計算.因此試驗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行分配;
2)第二種模式認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橋面系尺寸,機動車道按標準汽一20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)和設計控制值,列于表1.表1兩種力學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).試驗主要采用方法2的結果.試驗中人群荷載根據內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力以此參數(shù)為高限。
2.2.3試驗加載車輛橫向布置試驗加載車輛的橫向布置見圖.2
2.3橫向分布試驗結果
根據試驗跨跨中截面的實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測曲線與文中提出的彈性支承連續(xù)一492.武漢理工大學學報〔交通科學與工程版)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構,因此橫梁的內力計算,必須按彈性支承連續(xù)梁進行計算和配筋,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)為負彎矩控制該處截面上緣的設計,又表現(xiàn)為正彎矩控制該處截面下緣的設計,這一點值得橋梁設計者注意。
3)本試驗沒有對端橫梁的荷載橫向分布進行試驗.但從定性上分析,對于端橫梁應按連續(xù)梁或杠桿原理進行分配,從而在設計過程中應考慮荷載橫向分布系數(shù)沿橋跨縱向的變化。
4)根據按彈性支承連續(xù)梁法和按杠桿原理法計算結果的對比可知,在實際工程的設計中,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行計算,但橫梁的內力計算仍必需按彈性支承連續(xù)梁進行計算。
3、結束語
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)為各梁拱結構橫向的不同,而且沿跨長也是有變化的。
參考文獻
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（作者 李新生 申永剛 項貽強）
