拱式组合体系桥梁的结构特性研究
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摘要
拱式组合体系桥梁是目前广泛采用的一种桥梁结构形式，一方面由于拱式组合体系桥梁结构的复杂性和多样性，现有的工程经验已不能满足设计需求；另一方面对于这种结构体系过去的传统做法是将复杂结构简化成平面结构，这种做法显然忽略了构件之间的空间作用，尤其是沿桥横向存在主要承力构件。因此如何正确模拟拱式组合体系桥梁，进行拱式组合体系桥梁的设计和计算，获得符合实际的受力性能，一直是摆在桥梁工作者面前的一项迫切任务。
本文以广州市中山一桥为背景，采用大型通用有限元程序ANSYS，考虑构件间的空间相互作用，建立了三维的有限元模型，重点对以下几个方面进行深入探讨：
首先，在对复杂的桥梁结构进行三维的有限元模型建立时，梁格法是分析桥梁上部结构比较实用而且有效的空间分析方法。在选用梁格法进行整体分析时，遇到桥面系是单箱双室的箱型梁时，按照抗弯刚度不变且各部分绕着同一中性轴的原则，将一个箱型梁在相应的腹板处简化成3根梁，能够保证剪力的有效传递，而且可以由这划分的3根梁的性能得到箱型梁结构的总性能，这种方法简便易行且能保证工程精度；
其次，本文基于弹性理论，采用有限元法对中山一桥进行了第一类稳定分析。着重对失稳类型、横撑在稳定中所起的作用、吊杆非保向力的作用以及施工阶段的应力和成桥阶段应力的比较、规范中稳定安全系数的规定进行探讨。提出了拱式组合体系桥梁的失稳规律，将吊杆非保向力和构件受力结合起来考虑吊杆对拱稳定性的影响。另外，提出在施工阶段中某些构件的应力有可能比成桥状态的应力还大，需防止在施工状态中构件因强度不足而破坏；
再次，采用于空间迭代法，求解了拱式组合体系桥梁的自振周期和振型，得出该种结构体系的动力特性，深入探讨了动力特性和结构刚度之间的内在联系，提出了把结构的动力特性作为判断结构方案是否合理的重要依据。
此外，本文还就系杆预应力值的确定方法、局部刚度区域的模拟、节点局部有限元分析提出了作者的见解和看法，对解决类似问题得出了一些有参考意义的结论。
Arcuated built-up system bridges are one of bridge structural styles, which are used extensively at present. On one hand, because of complexity and diversity of this kind of structure, current engineering experiences have not satisfied design requirements no longer. On the other hand, towards this kind of structural system traditional methods simplify complicated structures into planar structures, these methods neglect apparently spatial action among members, especially those primary bearing load members along lateral direction of bridges. Therefore how to simulate exactly an arcuated built-up system bridge, carry calculation and design of it and obtain behaviors in accord with facts, is a urgent task in front of bridge workers.
The paper is based on an arcuated built-up system bridge-Zhongshan No.one Bridge to be built in Guangzhou, adopts the large universal finite element programme ANSYS, takes spatial action among members into account, establishes a three-dimension finite element model, and discusses the following several aspects:
Firstly, when three-dimensional finite model of a complicated bridge is founded, a beam-lattice method is a kind of applied and effective spatial analysis method, which is used to analyze superstructures of a bridge. When whole analysis is carried through the beam-lattice method and bridge surface is made of box beams with one box and two cells, according to the principle of constant bending rigidity and every part revolving the same neutral axis, a box beam can be simplified into three beams in the places of corresponding webs. Thus effective transfer of shearing force can be ensured, and global property can be reached through that of three beams, this kind of method is simple and is able to ensure engineering precision;
Secondly, the paper is based on elastic theory, adopts finite element method and carries through the first kind stability analysis towards Zhongshan No.one Bridge. Destabilization style of an arcuated built-up system bridge, influence of nonconservative force of hanger rods, comparative between stress value in construction stage and stress value in finished bridge stage,stability coefficients in bridge code, these are discussed deep.
Destabilization laws of an arcuated built-up system bridge are provided, nonconservative force of hanger rods and members' bearing force are integrated in order to consider influence of hanger rods towards arch stability. Besides, stress values of some members are probably higher than those of some members in finished bridge stage. Therefore failure of members should be avoided in construction stage due to insufficiency of strength.
Thirdly, subspace iterative method is adopted in the paper, and natural periods and modes of preceding fifteen steps of Zhongshan No.one Bridge are solved, dynamic characteristics of this kind of structural system are obtained, inherent link between dynamic characteristics and structural rigidity is discussed deep, the viewpoint is provided that dynamic characteristics of a structure are considered as important basis whether structural scheme is rational;
In addition, the author brings out some own views and opinions about calculational methods of prestress value of different sorts of tie rods, simulation of local rigidity region, foundation of a local finite element model of a node. Some helpful suggestions and conclusions are provided for similar complicated structures.
本文以广州市中山一桥为背景，采用大型通用有限元程序ANSYS，考虑构件间的空间相互作用，建立了三维的有限元模型，重点对以下几个方面进行深入探讨：
首先，在对复杂的桥梁结构进行三维的有限元模型建立时，梁格法是分析桥梁上部结构比较实用而且有效的空间分析方法。在选用梁格法进行整体分析时，遇到桥面系是单箱双室的箱型梁时，按照抗弯刚度不变且各部分绕着同一中性轴的原则，将一个箱型梁在相应的腹板处简化成3根梁，能够保证剪力的有效传递，而且可以由这划分的3根梁的性能得到箱型梁结构的总性能，这种方法简便易行且能保证工程精度；
其次，本文基于弹性理论，采用有限元法对中山一桥进行了第一类稳定分析。着重对失稳类型、横撑在稳定中所起的作用、吊杆非保向力的作用以及施工阶段的应力和成桥阶段应力的比较、规范中稳定安全系数的规定进行探讨。提出了拱式组合体系桥梁的失稳规律，将吊杆非保向力和构件受力结合起来考虑吊杆对拱稳定性的影响。另外，提出在施工阶段中某些构件的应力有可能比成桥状态的应力还大，需防止在施工状态中构件因强度不足而破坏；
再次，采用于空间迭代法，求解了拱式组合体系桥梁的自振周期和振型，得出该种结构体系的动力特性，深入探讨了动力特性和结构刚度之间的内在联系，提出了把结构的动力特性作为判断结构方案是否合理的重要依据。
此外，本文还就系杆预应力值的确定方法、局部刚度区域的模拟、节点局部有限元分析提出了作者的见解和看法，对解决类似问题得出了一些有参考意义的结论。
Arcuated built-up system bridges are one of bridge structural styles, which are used extensively at present. On one hand, because of complexity and diversity of this kind of structure, current engineering experiences have not satisfied design requirements no longer. On the other hand, towards this kind of structural system traditional methods simplify complicated structures into planar structures, these methods neglect apparently spatial action among members, especially those primary bearing load members along lateral direction of bridges. Therefore how to simulate exactly an arcuated built-up system bridge, carry calculation and design of it and obtain behaviors in accord with facts, is a urgent task in front of bridge workers.
The paper is based on an arcuated built-up system bridge-Zhongshan No.one Bridge to be built in Guangzhou, adopts the large universal finite element programme ANSYS, takes spatial action among members into account, establishes a three-dimension finite element model, and discusses the following several aspects:
Firstly, when three-dimensional finite model of a complicated bridge is founded, a beam-lattice method is a kind of applied and effective spatial analysis method, which is used to analyze superstructures of a bridge. When whole analysis is carried through the beam-lattice method and bridge surface is made of box beams with one box and two cells, according to the principle of constant bending rigidity and every part revolving the same neutral axis, a box beam can be simplified into three beams in the places of corresponding webs. Thus effective transfer of shearing force can be ensured, and global property can be reached through that of three beams, this kind of method is simple and is able to ensure engineering precision;
Secondly, the paper is based on elastic theory, adopts finite element method and carries through the first kind stability analysis towards Zhongshan No.one Bridge. Destabilization style of an arcuated built-up system bridge, influence of nonconservative force of hanger rods, comparative between stress value in construction stage and stress value in finished bridge stage,stability coefficients in bridge code, these are discussed deep.
Destabilization laws of an arcuated built-up system bridge are provided, nonconservative force of hanger rods and members' bearing force are integrated in order to consider influence of hanger rods towards arch stability. Besides, stress values of some members are probably higher than those of some members in finished bridge stage. Therefore failure of members should be avoided in construction stage due to insufficiency of strength.
Thirdly, subspace iterative method is adopted in the paper, and natural periods and modes of preceding fifteen steps of Zhongshan No.one Bridge are solved, dynamic characteristics of this kind of structural system are obtained, inherent link between dynamic characteristics and structural rigidity is discussed deep, the viewpoint is provided that dynamic characteristics of a structure are considered as important basis whether structural scheme is rational;
In addition, the author brings out some own views and opinions about calculational methods of prestress value of different sorts of tie rods, simulation of local rigidity region, foundation of a local finite element model of a node. Some helpful suggestions and conclusions are provided for similar complicated structures.
引文
【1】 顾安邦．孙国柱．公路桥涵设计手册—拱桥(下册)．第1版．北京：人民交通出版社，2000年5月
【2】 唐寰澄．桥．第1版．北京：中国铁道出版社，1981年
【3】 黄梦平．桥梁建筑．第1版．北京：科学普及出版社，1981年2月
【4】 李乔．李丽．异型拱桥结构内力分析．公路交通科技，2001年2月，l卷1期：31～35
【5】 张国栋．朱暾．张峰．梁—拱共同工作的桥梁有限元分析．三峡大学学报，2001年10月，23卷5期：410～412
【6】 和丕壮．桥梁美学．第1版．北京：人民交通出版社，1999年
【7】 刘钊．吕志涛．竖吊杆与斜吊杆拱结构的桥式研究．土木工程学报，2000年10月，33卷5期：63～67
【8】 小西一郎．钢桥．第1版．戴振藩译．北京：人民铁道出版社，1981年6月
【9】 金成棣．预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践．第1版．北京：人民交通出版社，2001年2月
【10】嘉木工作室．ANSYS5.7有限元实例分析教程．第1版．北京：机械工业出版社，2002年4月
【11】陈精一．蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．第1版．北京：中国铁道出版社，2001年4月
【12】王焕定．吴德伦．有限单元法及计算程序．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1997年
【13】王勖成．邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．第2版．北京：清华大学出版社，1997年3月
【14】戴公连．李德建．桥梁结构空间分析设计方法与应用．第1版．北京：人民交通出版社，2001年10月
【15】Peter Kohnke. ANSYS, Inc. Theory Manual Release 5.7. SAS IP, Inc. 2001
【16】杨咏昕．陈艾荣．项海帆．桥梁结构动力特性分析中节点刚性区问题的处理．土木工程学报，2001年2月，34卷1期：14～18
【17】中山一桥结构计算书．河南：海威工程咨询有限公司，2002年10月
【18】中山一桥设计施工图．河南：海威工程咨询有限公司
【19】童丽萍．郭静．空间组合桥梁体系的受力性能研究．上海交通大学学报(待发)
【20】中华人民共和国交通部部标准．JTJ025-86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》．北京：人民交通出版社，1998年8月
【21】谢肖礼．彭文立．秦荣．圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用．中国公路学报，2001年4月，14卷2期：33～35
【22】李国豪．桥梁结构稳定与振动．第1版．北京：中国铁道出版社，1992年10月
【23】张建民．郑皆连．秦荣．拱桥稳定性研究与发展．广西交通科技，2000年12月，25卷增刊：1～7
【24】吴恒立．拱式体系的稳定计算．第1版．北京：人民交通出版社，1979年
【25】中华人民共和国交通部部标准．JTJ021-89《公路桥涵设计通用规范》．北京：人民交通出版社，1998年8月
【26】童丽萍．郭静．空间组合桥梁体系施工阶段的静力稳定分析．桥梁建设(待发)
【27】中华人民共和国行业标准．JTJ027-96《公路斜拉桥设计规范》(试行)．北京：人民交通出版社，1997年1月
【28】陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工．第1版．北京：人民交通出版社，1999年9月
【29】洪锦如．桥梁结构计算力学．第1版．上海：同济大学出版社，1998年3月
【30】殷家驹．张元冲．计算力学教程．第1版．西安：西安交通大学出版社，1992年6月
【31】R.W克拉夫．J.彭津．结构动力学．第1版．王光远等译．北京：科学出版社，1981年11月
【32】郭静．童丽萍．空间组合桥梁体系的动力特性分析．世界地震工程，2002年12月。18卷4期：163～166
【33】李生智．王玮瑶．邬妙年．异型拱桥．第1版．北京：人民交通出版社，1996年4月
【2】 唐寰澄．桥．第1版．北京：中国铁道出版社，1981年
【3】 黄梦平．桥梁建筑．第1版．北京：科学普及出版社，1981年2月
【4】 李乔．李丽．异型拱桥结构内力分析．公路交通科技，2001年2月，l卷1期：31～35
【5】 张国栋．朱暾．张峰．梁—拱共同工作的桥梁有限元分析．三峡大学学报，2001年10月，23卷5期：410～412
【6】 和丕壮．桥梁美学．第1版．北京：人民交通出版社，1999年
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【8】 小西一郎．钢桥．第1版．戴振藩译．北京：人民铁道出版社，1981年6月
【9】 金成棣．预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践．第1版．北京：人民交通出版社，2001年2月
【10】嘉木工作室．ANSYS5.7有限元实例分析教程．第1版．北京：机械工业出版社，2002年4月
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【12】王焕定．吴德伦．有限单元法及计算程序．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1997年
【13】王勖成．邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．第2版．北京：清华大学出版社，1997年3月
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【15】Peter Kohnke. ANSYS, Inc. Theory Manual Release 5.7. SAS IP, Inc. 2001
【16】杨咏昕．陈艾荣．项海帆．桥梁结构动力特性分析中节点刚性区问题的处理．土木工程学报，2001年2月，34卷1期：14～18
【17】中山一桥结构计算书．河南：海威工程咨询有限公司，2002年10月
【18】中山一桥设计施工图．河南：海威工程咨询有限公司
【19】童丽萍．郭静．空间组合桥梁体系的受力性能研究．上海交通大学学报(待发)
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【21】谢肖礼．彭文立．秦荣．圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用．中国公路学报，2001年4月，14卷2期：33～35
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【23】张建民．郑皆连．秦荣．拱桥稳定性研究与发展．广西交通科技，2000年12月，25卷增刊：1～7
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【25】中华人民共和国交通部部标准．JTJ021-89《公路桥涵设计通用规范》．北京：人民交通出版社，1998年8月
【26】童丽萍．郭静．空间组合桥梁体系施工阶段的静力稳定分析．桥梁建设(待发)
【27】中华人民共和国行业标准．JTJ027-96《公路斜拉桥设计规范》(试行)．北京：人民交通出版社，1997年1月
【28】陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工．第1版．北京：人民交通出版社，1999年9月
【29】洪锦如．桥梁结构计算力学．第1版．上海：同济大学出版社，1998年3月
【30】殷家驹．张元冲．计算力学教程．第1版．西安：西安交通大学出版社，1992年6月
【31】R.W克拉夫．J.彭津．结构动力学．第1版．王光远等译．北京：科学出版社，1981年11月
【32】郭静．童丽萍．空间组合桥梁体系的动力特性分析．世界地震工程，2002年12月。18卷4期：163～166
【33】李生智．王玮瑶．邬妙年．异型拱桥．第1版．北京：人民交通出版社，1996年4月