葵花箱型拱桥剪力滞效应研究

发布时间：2016-05-05 07:41

第一章 绪论

1.1 拱桥的发展史
拱桥的历史悠久，公元前 1300 年，希腊迈锡尼地区即出现有石拱桥雏形；仍在使用的罗马法布里西尤斯（Fabricius）桥，建造于公元前 62 年。中国古代的赵州桥是世界桥梁宝库中的精品。18 世纪之前，由于建筑材料的局限，拱桥的建造大多为石拱桥[1]。18 世纪后期开始，由于冶铁业的兴起，先后采用铸铁、锻 铁 工 业 修 建 了 一 些 拱 桥[2]。 如 1779 年 英 国 建 造 的 柯 尔 布 鲁 德 尔（Coalbrookdale）桥，是世界上首列采用工业技术建造的铸铁拱桥[3]~[5]。19 世纪中期以来，随着科技的发展、社会的进步、人类生活质量的提高以及各种新型材料不断涌现（代表性的如钢材、混凝土材料），人们对于陆地交通和运输的需求也更进一步，拱桥的建造技术也因而得到飞速的提升。20 世纪中期前后，钢拱桥的发展主要在西方国家，如 1917 年美国建造的狱门大桥（Hell Gate）,其主跨为 298m，采用上弦带方向曲线的桁架结构。建于1932 年的澳洲悉尼海港大桥，全长 1149m,为世界上第五长的拱桥，也是世界上最高的钢铁拱桥。在整个 20 世纪期间，由于中国当时的基本国情的限制，中国建成的大型钢结构拱桥数量有限。进入 21 世纪以来，中国的钢拱桥技术飞速发展，短短 10 年时间，即建有重庆朝天门大桥（全长 552m）、上海芦浦大桥（全长 550m）、广州新光大桥（全长 428m）等等代表性建筑。其中朝天门大桥为世界上主跨最大的钢拱桥[6]-[10]。相对于钢拱桥的迅猛发展，钢筋混凝土拱桥与钢管混凝土拱桥的发展趋势则相对平缓。第一座钢筋混凝土拱桥为建于 19 世纪初期的位于法国的苏亚克（Souillac）桥（主跨 22m,1824 年）。经过两个世纪的发展，目前国外跨度超过200m 的钢筋混凝土拱桥共约有 25 座，其中，大部分主拱圈采用箱型截面形式[11]~[15]。箱型梁截面在桥梁结构中得到大量的运用，与其自身优良的结构特性有密切的关系。箱型截面具有以下特点[16-19]：1、箱梁截面挖空率大。对于大跨径的拱式桥梁，箱型截面的使用在很大程度上减轻了结构的自重以及圬工体积。2、刚度大、稳定性好。由于箱型拱的受力特点，箱型截面箱梁单箱肋能成拱，可以采用无支架吊装，有利与减轻施工负担。3、箱型截面中性轴居中，能很好的平衡结构产生的正负弯矩，适应主拱圈附近各截面的弯矩变化。
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1.2 剪力滞效应及其研究方法

箱梁截面较高的截面挖空率一方面减轻了结构的自重，节省了工程材料，另一方面也影响了结构正应力的分布。薄壁箱梁在纵向弯曲时，薄壁箱梁翼缘板的剪切变形使得翼缘板远离肋板处的纵向位移比肋板边缘处要滞后，从而使翼缘板的弯曲应力在横截面呈现曲线分布。这种由于腹板剪力流向翼缘板传递滞后而导致翼缘板正应力沿横向分布不均匀的现象，称为“剪力滞效应”。剪力滞效应可能带来灾难性事件。1969 年 11 月-1971 年 11 月期间，奥地利、英国等地相继发生的多起箱梁破坏事故，就是由于剪力滞效应引起的局部应力过大造成的[33]~[35]。可见，开展剪力滞效应的研究，加深对剪力滞效应的认识，对保证箱梁结构安全具有积极意义。近几十年来，国内外很多专家学者针对剪力滞效应的研究做了许多工作，提出了许多新的理论与计算方法，，并且在许多实际工程中得到应用，尤其是桥梁结构以及建造高层建筑。针对箱梁剪力滞效应的研究方法主要有卡曼理论、弹性理论解法、比拟杆法、能量变分法、数值分析法以及模型试验法几大类[36]~[45]。卡曼运用调谐函数的方法针对无限宽翼缘 T 型连续梁的应力分布及有效宽度进行了明确的定义。资料显示，卡曼为首位针对剪力滞问题进行研究分析的学者。他曾取一跨径为 2L 具有无限等间距支撑、承受余弦形荷载的连续梁为解析对象。再运用逆解法对应力函数进行求解分析，运用最小势能原理求解出各待定系数，进而推导箱型梁截面翼缘板有效宽度的表达式以及应力分布图，称之为“卡曼理论”。卡曼理论的推导过程复杂，且其前提为箱梁截面翼缘板宽度无限大，适用条件局限性大，因而在实际工程中很少运用。

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第二章 凤凰二桥主拱剪力滞效应分析

2.1 有限元法的基本思想
有限元法（Finite Element Method,FEM），是计算力学中的一种重要方法，它是 20 世纪 50 年代末 60 年代初兴起的应用于应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。对于以往用解析方法无法求解的问题、边界条件以及结构形状不规则的复杂问题，有限元方法则是一种有效的分析方法[46]~[50]。所谓有限元法（FEA），其基本思想是把连续的结构离散成有限个单元，每个单元顶角处相互联接，这些联接点称为结点，从而将连续的结构看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至各集合体上的场函数。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。随着现今计算机科学的发展，计算机内存不断增大，计算速度也不断提高，有限元法把连续体离散成有限个单元的核心思想得到了更好的运用。在有足够硬件条件的支撑下，连续体单元划分可以越来越小，网格划分可以越来越密，对应的节点数也越来越多，求解的精确程度不断得到提高，有限元法的求解结果最终将收敛于精确解。在此基础上，使计算结构模型所得结果与实际工程相比，两者之间差距日益缩尺，从而，使得工程实际结构的设计更安全、合理与快捷。
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2.2 有限元法的基本步骤
在实际工程问题中，利用有限元法进行建模分析可分为 5 个步骤[51]~[52]：连续结构体的离散实际工程问题中所遇到的结构无一例外都是连续的，在对结构进行有限元分析时，必须将结构离散化，即将连续的结构划分为不同形状的单元。常见的单元有杆单元、梁单元、壳单元、三角形单元，四边形单元、矩形单元、四面体单元、六面体单元等等。单元划分完成后，将全部所得单元与节点按一定规律进行编号，施加荷载时，将实际荷载等效到结构相同位置单元对应的节点上，并在实际结构对应位置节点处设置等效约束条件。连续的结构体可以划分为若干个单元，其可以是一种类型的单元，也可以是由多种类型的单元共同组成。但是连续结构体无论采用何种单元类型，都无法完全真实的模拟工程中的实际情况，因为有限元法无法精准模拟出实际结构的边界条件、支座大小、荷载作用面积以及实际工程施工过程中产生的工程误差等等。综上所述，有限元分析计算只能对实际结构进行近似的模拟，然而，连续体离散时，模拟单元划分越小，其计算精度毫无疑问越接近实际情况。
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第三章 凤凰二桥腹拱剪力滞效应分析....29
3.1 试验模型设计与施工制作....29
3.1.1 模型试验目的.......29
3.1.2 模型基本参数.......29
3.1.3 模型设计的主要原则.........30
3.1.4 桥梁模型的加工与制作.....31
3.1.5 模型安装调试.......34
3.2 模型桥梁加载测试方案.........36
3.2.1 模型测试内容.......36
3.2.2 模型测点布置.......36
3.2.3 模型的加载....39
3.3 全桥 62#腹拱剪力滞效应......45
3.5 缩尺模型腹拱剪力滞效应.....55
3.6 理论值与实测结果对比.........62
3.7 腹拱截面剪力滞系数规范计算值.......71
3.8 本章小结.....72
第四章 箱型拱剪力滞效应的参数分析....73
4.1 箱型拱矢跨比对剪力滞系数的影响..........74
4.2 跨宽比 L/B 的影响..........76
4.3 荷载形式的影响.......79
4.4 拱梁剪力滞效应的纵向分布........81
4.5 本章小结.....82

第四章 箱型拱剪力滞效应的参数分析

根据第二章与第三章有限元计算结果与模型试验实测数据对比可知，箱型拱截面横向正应力分布存在有应力滞后现象。本章着重对箱型拱的各参数进行分析对比，研究其对箱型拱的剪力滞效应分布规律的影响。前人在对简支梁、连续梁、悬臂梁等箱型截面梁剪力滞效应的研究中发现，能对其产生影响的因素有如下几点（1）箱梁的横截面尺寸、形状。截面形式千变万化，剪力滞系数则各不相同，如工字形断面、单室箱型断面和多室箱型断面的剪力滞系数均不相同。（2）箱梁结构所处的结构体系以及支撑条件。如简支梁、连续梁、悬臂梁；结构等截面分布亦或结构变截面分布，剪力滞的分布规律均不相同。（3）截面在结构中所处的位置。如固接端、支点附近或跨中。一般而言，截面正应力的分布不均匀系数沿梁长是变化的。（4）结构所受的荷载形式、大小以及荷载所处位置。如集中荷载、均布荷载或偏心荷载及其加载位置。（5）特别的，对于混凝土桥梁，纵向预应力的存在增大了截面的法向应力，因而对结构的剪力滞效应将产生较大的影响。因此，在对箱型梁进行参数分析研究其剪力滞效应时，主要针对以上几点进行探讨。如李清富着重分析了荷载形式以及荷载加载位置对直线形有机玻璃箱梁截面的剪力滞效应分布规律的影响。张鹏飞也对不同加载方式对简支箱梁与悬臂箱梁结构的剪力滞效应分布进行了详细的分析。张永杰根据蔡家沟特大桥的工程实例，着重分析荷载的横向变位对结构剪力滞分布的影响。张安林依托凤凰一桥工程实例，根据单索面斜拉桥的特点，分析了其箱型截面的跨宽比、高跨比、以及荷载作用变化对其剪力滞产生的影响。本文在对箱型拱剪力滞效应进行分析时，结合箱型拱的特点以及前人对直线形箱梁剪力滞效应的研究，针对箱型拱矢跨比、跨宽比、荷载形式以及剪力滞效应在拱梁中的纵向分布对其剪力滞效应进行分析。
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结论

本文采用有限元软件ANSYS建立广州南沙凤凰二桥葵花形拱桥全桥与其部分结构缩尺有限元实体模型，按照设计状态下的荷载工况进行加载计算。分析其在恒载、主拱与腹拱各自最不利荷载作用下 2#主拱与 62#腹拱的跨中、四分之一点、八分之三点截面顶板与底板处的剪力滞效应分布规律。并通过制作缩尺模型，测量分析结构的剪力滞效应分布规律。在此基础上，建立不同参数的箱型拱模型，分析各参数对箱型拱剪力滞效应的影响。在对箱型拱研究的过程中，发现如下结论：
1、在不同荷载工况作用下，主拱各截面顶板的剪力滞效应分布规律相同。各截面顶板剪力滞系数呈“M”状分布，剪力滞效应明显。截面底板的剪力滞效应规律性不明显。
2、在不同荷载工况作用下，腹拱各截面顶板的剪力滞效应分布规律相同。各截面顶、底板剪力滞系数均呈“W”状分布，剪力滞效应明显。
3、主、腹拱截面顶板的剪力滞系数均由跨中向拱脚处逐渐增大，腹拱底板剪力滞系数规律则恰好相反。
4、箱型拱内力对截面剪力滞效应存在影响。顶板的正剪力滞系数均与轴弯比 K 成反比，负剪力滞系数均与轴弯比 K 成正比。底板剪力滞系数分布规律与顶板相反。
5、矢跨比、跨宽比、荷载形式等参数对箱型拱梁的剪力滞效应分布有较大的影响。箱型拱横截面的剪力滞效应随矢跨比增大而增大，随跨宽比的增大而减小，与均布荷载相比，集中荷载作用下的剪力滞效应分布更不均匀。正剪力滞系数由跨中向拱脚逐步增大，负剪力滞系数则由跨中向拱脚逐步减小。
6、根据现有规范对箱型拱结构跨中与拱脚截面剪力滞系数的计算与有限元结果对比发现，在拱脚处，现有规范对箱型拱结果的计算在拱脚处偏不安全。
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参考文献(略)

本文编号：42010