双曲拱桥承载能力有限元分析及结构动力特性分析.pdf

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2013．04．037双曲拱桥承载能力有限元分析及结构动力特性分析严兰，魏维，李亮，刘杰(湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳413000)摘要：某钢筋混凝土双曲拱桥评定为四类桥。上部主要承重构件缺损程度严重，对结构使用功能的影响程度很大，为了综合分析判断该桥结构的承载能力和使用状况，运用有限元分析软件Midas模拟实际工程，分析该桥实际承载能力，并测定该桥结构动力特性参数。试验分析结果表明：双曲拱桥承载能力满足公路一Ⅱ级荷栽作用下的最不利荷栽组合要求，主跨(104m)的

2、一阶自振频率实测值为2．475Hz，大于理论计算值1．520Hz，表明该桥主跨结构的整体刚度较好，相关参数可为设计人员和维修加固提供参考。关键词：承栽能力；有限元分析；动力性能；病危拱桥中图分类号：U441+．2文献标志码：B文章编号：1672—4011(2013)04—0085—030前言我国在20世纪60、70年代修建了许多双曲拱桥，由于当时施工技术相对落后，目前超载现象较为严重，同时这类桥梁的自身结构整体性差，经过多年运营后都有不同程度的损伤，该桥型结构的整体性较差，在地震荷载作用下容易破坏，并且在长期活载作用下拱肋与拱

3、波结合处容易开裂，这些缺陷经过多年使用已暴露无疑。为了保证其安全运营，必须对这类桥进行检测、评估，并正确评价其双曲拱桥结构分析方法主要有经典力学方法和有限元方法⋯。本文应用有限元梁格法建立双曲拱桥的空间模型，把全桥离散成若干单元，进行全桥内力分析，最后得到全桥各单元在各种最不利荷载组合下的内力分布状况，为全桥安全性验算提供可靠的分析结果。1工程概况某钢筋混凝土双曲拱桥实测桥长204．7m，桥面宽10．0m=1．5m(人行道)+7．0m(行车道)+1．5m(人行道)，跨径组合为4．5+40．0+104．0+12．0(m)，其中主

4、跨为净跨径104m的钢筋混凝土双曲拱桥，主拱总宽度为8．0m，净矢高为13．0m，主拱圈由3根拱肋组成，单根拱肋宽度为1．1m，高度为1．3m。该桥桥面混凝土破损，人行道板混凝土破损严重，大面积钢筋外露，重要部件中上部主要承重构件缺损程度严重，该缺损对结构使用功能的影响程度较大，桥面排水设施堵塞，腹拱圈开裂较为严重，0’台和4’台侧墙开裂，对该桥重要部件(如墩台与基础、上部承重构件、支座)以其中缺损最严重的构件进行了评分，评定结果为四类，属于差的状况。为了了解结构实际工作状态，综合分析判断该桥结构的承载能力和使用状况，判断该桥

5、是否满足公路一Ⅱ级荷载设计要求，选取主跨跨径为104．0m钢筋混凝土双曲拱进行有限元分析和结构动力承载力，为维修加固提供可靠的依据。特性参数测定。其结构简图见图1所示。I℃以心愿∞翰多)式鹰瞪缪爹二号‘=—唔强强强强㈣∥飞勿3．(’夕气-L驴÷是104．0飞＼、12．0／、，6．04彤／_，4．5，{＼2承载能力评估i有限元分析图1桥粱结构简图／m圆钢筋，实测拱肋钢筋混凝土保护层均偏薄，局部钢筋锈蚀，钢筋材料取值如表2。2．1结构尺寸及材料参数取值通过实测可得单根拱肋宽度为1．1m，高度为1．3m，主拱圈结构尺寸见图2；通过回

6、弹测试，推定拱肋结构混凝土强度为C50，材料参数取值见表1；通过电磁法无损检测，拱肋结构中底筋有4根，通过凿除法测得底筋为∞2衄的光作者简介：严兰(1992一)，女，贵州省习水人，研究方向：桥粱病害检洲评估。图2主跨主拱圈截面图／m襄1拱肋混凝土材料取值参数表结构离散图如图3所示。弹性模量线膨胀容重抗压强度弯曲抗拉强度设计值／MPa系数／(kN／m3)／MPh／MPa3．45×1041×10。62522．41．83裹2拱肋钢筋取值参数表弹性模量／l～lPa直彬mill抗拉强度设计值／MPa2．1X10s32195x1042．2

7、Midas有限元模型本次承载力验算分析利用有限元分析软件Midas／civil软件进行，通过测定的结构尺寸及材料参数取值，导入有限元分析软件，计算跨径104．Om双曲拱桥承载能力，对于主拱圈，首先把主拱圈模拟成纵向以拱肋为主的梁单元，梁截面要根据拱肋及相应的拱板的抗弯刚度和抗扭刚度换算确定。有限元模型将该双曲拱桥主跨划分为842个梁单元。图3有限元模型结构离散图2．3结构内力计算用专业有限元分析软件(Nid∥civil软件)对该桥拱脚、IM4和拱顶截面在永久作用和可变作用下的内力进行了计算，计算结果见表3，其中表中轴力负值为截

8、面受压。由于该双曲拱桥缺乏详细的施工资料，在计算该桥永久作用内力时，未就主拱形成施工过程进行有限元模拟，只考虑成桥状态下的永久作用。表4列出了该桥在承载能力极限状态基本组合下的荷载效应值，组合形式为：1．2×永久作用+1．4×车道荷载+0．98X人群荷载+0．98X体系升降温