上承式钢筋混凝土箱型肋拱桥空间仿真分析及应用
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种近似做法不甚合 理 ， 偏差较大 。 目前 国内对 于箱 型肋拱 桥 的荷载横 向分布计算一般均采用杠杆原理法 ， 将桥 面板视 为 横 向支撑在纵梁上的简支梁 ， 荷载按杠杆原理 分配 于各 相邻 纵梁 ， 再通过立柱将荷载传递给箱型 主拱肋 。金成棣教 授建 议在拱桥活载横 向分配 系数 的计 算 中采 用折减 系数进行 修 正， 拱顶 采用 ０ ． ９～１ ． ０ ， 四分点 和拱脚 分别采用 ０ ． ９和 ０ ． ８ ，
箱型拱桥 是在 上世 纪 ６ ０年代 由四川省公路勘测设计 院 在总结众 多拱 式桥 梁设计 、 施工 以及使用 的经验和教训 的基 础上创新 出的一种 新桥 型。其 施工过 程 刚度大 ， 稳定性 好 ，
成桥后为箱形截面抗弯 、 抗扭 刚度大 ， 相较其 他截 面有很 大 优势 ， 迅速成为设计 中经常采用 的桥型之一 。但近年来 国内 对钢筋混凝土拱桥 的应 用和研究 投入不大 ， 其发展较我 国交 通事业的发展速度显得 迟缓 。究其 原因在于其一 ， 在高等级 公路主要是高速公路建 设中 ， 人们思维定势认为其结构未 采 用预应力体系则耐久性不 足 因而 受到排斥 ； 另一方 面， 在对 国内以西南地区为主在役钢 筋混凝 土箱形 拱桥进 行调查 分 析发现存在不同程度的病害。因此 ， 对 于此类桥梁受力 特点 和病害机理的研究 和探 索就显得尤为必要 。
２ ０ １ ３年
第 ８期
黑 龙江交通 科技
ＨＥＩ Ｌ ＯＮＧＪ ｌ ＡＮＧ Ｊ Ｉ ＡＯＴＯＮＧ ＫＥ Ｊ Ｉ
Ｎｏ． ８， ２ ０ １ ３
（Leabharlann Baidu总第２ ３ ４ 期）
（ Ｓ ｕ ｍ Ｎ ｏ ． ２ ３ ４ ）
上 承式 钢 筋 混凝 土 箱型 肋拱 桥 空 间仿 真分 析 及 应 用
进一步深入研究提供参 考。 关键词 ： 箱 型肋拱 ； 桥梁工程 ； 空 间有限元分析 ； 荷载横向分布
中图分类号 ： Ｕ ４ ４ ８ 文献标 识码 ： Ｃ 文章编号 ： １ ０ ０ ８— ３ ３ ８ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８— ０ ０ ７ ４— ０ ２ 箱型肋拱桥。桥跨布置 ５ ６＋ ８ ｏ＋ ５ ６ Ｉ １ １ ， 箱肋拱轴系数为 １ ． １ ６ ７ ， 矢跨 比均为 １ ／ ７ ， 箱肋采用三段预制 吊装。主拱肋共 ２片， 每片 拱肋 由２片箱肋组成 ， 箱肋间填充混凝土 ， ２片主拱肋在立柱位 置横向联系 ， 主桥边跨主拱肋高 １ ． ３ ｍ， 中跨主拱肋 高 １ ． ５ ｍ。 主桥箱肋和系梁均采用 ４ ｏ号混凝土 ， 桥面板 、 立柱和盖梁均采
１ 结构 分析
用２ ５ 号混凝土。引桥主梁采用 ３ ｏ号混 凝土。桥面车行道宽 ９ ｍ， 两边钢筋混凝土 防撞栏杆 各宽 ０ ． ３ Ｉ ｎ 。该桥于 １ ９ ９ ９年竣 工， 设计荷载 ： 汽车 一２ ０级、 挂 一１ ０ ３ ； 桥面宽度： ０ ． ３／ ｎ（ 防撞栏） ＋ ９ ． ０ ０ Ｉ Ｔ Ｉ （ 行车道）＋ Ｏ ． ３ ｍ（ 防撞栏） 。
冯 威， 柯 亮亮， 雷 丹 （ 西 安公 路 研 究院 ）
摘
要： 钢筋混凝土肋拱桥是 ２ ０世纪 ９ Ｏ年代 在我 国西南地 区应用最为广泛 的一种桥型 ， 经过 多年使用后诸
多病害厄待处治 ， 但其结构受力复 杂。以佛 山市南海 区五斗大桥为工程实例 ， 建立空 间有 限元模 型进行 了仿 真分析 ， 并做 了荷载试验对 比分析 ， 对其横向分布系数进行 了分析讨论 ， 得出了有益的结论 ， 可为此类桥梁的
３ 有 限 元分 析
由于我国西南 西北 山区地形 、 地貌 以山地 、 丘陵 、 黄 土高 原为主 ， 在公路和铁路建设 中， 大跨 径拱桥在 这些地 区应用 广泛 ， 且跨径有增大化 的趋势 。而箱型肋拱桥 因为其 自身的
显著优点， 在近几年得到迅速发展。其结构体系在横桥向采 用两片或多片拱肋并通 过横 向连接构造形成整体结构 ， 受力 面板之间采用两节点侧 向 和竖 向变形 耦合进 行模拟 。结合 明确简单 。 墩厚度取 ３ Ｉ ｎ ， 桥 面实心板 厚度 取 ２ ８ ｃ ｎ ｌ 。主桥全 桥共划 为 但在其设计中会涉及到各片拱如何共同分担桥上荷载 ９ ６ ０ 个节点 ， ９ ３ ７ 个单 元 。二 期恒载 作为 节点荷 载分布到 桥 的问题 ， 即荷载横 向分 布问题 。在 过去拱 桥设 计 中， 一般将 面各节点上 ， 试验荷 载采用 平面荷 载加载 方式 ， 考 虑车轮 实 全部荷载均摊 给各 拱肋 ， 但是 ， 研究 发现对于大跨径 拱桥 ， 这 际着地面积的影响 。
此方法是否适用于箱型肋拱桥待于深入试验分析。此外 ， 近 年来 随着 电子计算机技术 而发展 起来 的有限单元 法从 研究 有 限大小 的单元力学特性 着手 ， 构造位 移 函数 ， 得 到一组 以 结点位移为未知量的代数方程组后 ， 再通 过材料变形协 调条 件求解可 以得到在结点 处需求 未知量 的近似 值。该法适 用 性很强， 应用范围较广， 可以处理应力分析中的非均质材料、 各向异性材料、 非线性应力一应变关系以及复杂边界条件等 难题 ， 且采用矩 阵表达 ， 便于编程 。 本文采用 Ｍ Ｉ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ 对 一座上 承 式 钢筋 混凝 土双肋 双箱拱桥建立空间有限元模 型进行了仿真分析 ， 并做 了荷载 试验对 比分析 ， 得 出了有益 的结论 。
４ 试 验 加 载
主桥为边跨 ５ ６ ｍ 中跨 ８ ０ ｉ ｎ跨径混凝土连拱结构 ， 采用 Ｍｉ ｄ ａ ｓ ／ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ 有 限元 软件建立 了空 间有限 元计算模 型进行 计 算分析 。将主拱 圈 、 立柱 、 盖梁 、 横 梁 均采 用 空间 梁单元 模 拟， 将 桥面 ６ ｍ现浇实心板和边 中跨结合墩采用空间板单 元 模拟 。模型 中两 侧边 拱拱 脚采 用 固结 ， 结合 墩 墩底 采用 固 结， 两侧端 头处桥 面板采 用活动铰模拟 ， 拱 圈和立柱之 间、 拱 圈和横梁之 间、 立柱 和盖 梁之 间均 采用 刚接模拟 ， 盖梁 和桥
箱型拱桥 是在 上世 纪 ６ ０年代 由四川省公路勘测设计 院 在总结众 多拱 式桥 梁设计 、 施工 以及使用 的经验和教训 的基 础上创新 出的一种 新桥 型。其 施工过 程 刚度大 ， 稳定性 好 ，
成桥后为箱形截面抗弯 、 抗扭 刚度大 ， 相较其 他截 面有很 大 优势 ， 迅速成为设计 中经常采用 的桥型之一 。但近年来 国内 对钢筋混凝土拱桥 的应 用和研究 投入不大 ， 其发展较我 国交 通事业的发展速度显得 迟缓 。究其 原因在于其一 ， 在高等级 公路主要是高速公路建 设中 ， 人们思维定势认为其结构未 采 用预应力体系则耐久性不 足 因而 受到排斥 ； 另一方 面， 在对 国内以西南地区为主在役钢 筋混凝 土箱形 拱桥进 行调查 分 析发现存在不同程度的病害。因此 ， 对 于此类桥梁受力 特点 和病害机理的研究 和探 索就显得尤为必要 。
２ ０ １ ３年
第 ８期
黑 龙江交通 科技
ＨＥＩ Ｌ ＯＮＧＪ ｌ ＡＮＧ Ｊ Ｉ ＡＯＴＯＮＧ ＫＥ Ｊ Ｉ
Ｎｏ． ８， ２ ０ １ ３
（Leabharlann Baidu总第２ ３ ４ 期）
（ Ｓ ｕ ｍ Ｎ ｏ ． ２ ３ ４ ）
上 承式 钢 筋 混凝 土 箱型 肋拱 桥 空 间仿 真分 析 及 应 用
进一步深入研究提供参 考。 关键词 ： 箱 型肋拱 ； 桥梁工程 ； 空 间有限元分析 ； 荷载横向分布
中图分类号 ： Ｕ ４ ４ ８ 文献标 识码 ： Ｃ 文章编号 ： １ ０ ０ ８— ３ ３ ８ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８— ０ ０ ７ ４— ０ ２ 箱型肋拱桥。桥跨布置 ５ ６＋ ８ ｏ＋ ５ ６ Ｉ １ １ ， 箱肋拱轴系数为 １ ． １ ６ ７ ， 矢跨 比均为 １ ／ ７ ， 箱肋采用三段预制 吊装。主拱肋共 ２片， 每片 拱肋 由２片箱肋组成 ， 箱肋间填充混凝土 ， ２片主拱肋在立柱位 置横向联系 ， 主桥边跨主拱肋高 １ ． ３ ｍ， 中跨主拱肋 高 １ ． ５ ｍ。 主桥箱肋和系梁均采用 ４ ｏ号混凝土 ， 桥面板 、 立柱和盖梁均采
１ 结构 分析
用２ ５ 号混凝土。引桥主梁采用 ３ ｏ号混 凝土。桥面车行道宽 ９ ｍ， 两边钢筋混凝土 防撞栏杆 各宽 ０ ． ３ Ｉ ｎ 。该桥于 １ ９ ９ ９年竣 工， 设计荷载 ： 汽车 一２ ０级、 挂 一１ ０ ３ ； 桥面宽度： ０ ． ３／ ｎ（ 防撞栏） ＋ ９ ． ０ ０ Ｉ Ｔ Ｉ （ 行车道）＋ Ｏ ． ３ ｍ（ 防撞栏） 。
冯 威， 柯 亮亮， 雷 丹 （ 西 安公 路 研 究院 ）
摘
要： 钢筋混凝土肋拱桥是 ２ ０世纪 ９ Ｏ年代 在我 国西南地 区应用最为广泛 的一种桥型 ， 经过 多年使用后诸
多病害厄待处治 ， 但其结构受力复 杂。以佛 山市南海 区五斗大桥为工程实例 ， 建立空 间有 限元模 型进行 了仿 真分析 ， 并做 了荷载试验对 比分析 ， 对其横向分布系数进行 了分析讨论 ， 得出了有益的结论 ， 可为此类桥梁的
３ 有 限 元分 析
由于我国西南 西北 山区地形 、 地貌 以山地 、 丘陵 、 黄 土高 原为主 ， 在公路和铁路建设 中， 大跨 径拱桥在 这些地 区应用 广泛 ， 且跨径有增大化 的趋势 。而箱型肋拱桥 因为其 自身的
显著优点， 在近几年得到迅速发展。其结构体系在横桥向采 用两片或多片拱肋并通 过横 向连接构造形成整体结构 ， 受力 面板之间采用两节点侧 向 和竖 向变形 耦合进 行模拟 。结合 明确简单 。 墩厚度取 ３ Ｉ ｎ ， 桥 面实心板 厚度 取 ２ ８ ｃ ｎ ｌ 。主桥全 桥共划 为 但在其设计中会涉及到各片拱如何共同分担桥上荷载 ９ ６ ０ 个节点 ， ９ ３ ７ 个单 元 。二 期恒载 作为 节点荷 载分布到 桥 的问题 ， 即荷载横 向分 布问题 。在 过去拱 桥设 计 中， 一般将 面各节点上 ， 试验荷 载采用 平面荷 载加载 方式 ， 考 虑车轮 实 全部荷载均摊 给各 拱肋 ， 但是 ， 研究 发现对于大跨径 拱桥 ， 这 际着地面积的影响 。
此方法是否适用于箱型肋拱桥待于深入试验分析。此外 ， 近 年来 随着 电子计算机技术 而发展 起来 的有限单元 法从 研究 有 限大小 的单元力学特性 着手 ， 构造位 移 函数 ， 得 到一组 以 结点位移为未知量的代数方程组后 ， 再通 过材料变形协 调条 件求解可 以得到在结点 处需求 未知量 的近似 值。该法适 用 性很强， 应用范围较广， 可以处理应力分析中的非均质材料、 各向异性材料、 非线性应力一应变关系以及复杂边界条件等 难题 ， 且采用矩 阵表达 ， 便于编程 。 本文采用 Ｍ Ｉ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ 对 一座上 承 式 钢筋 混凝 土双肋 双箱拱桥建立空间有限元模 型进行了仿真分析 ， 并做 了荷载 试验对 比分析 ， 得 出了有益 的结论 。
４ 试 验 加 载
主桥为边跨 ５ ６ ｍ 中跨 ８ ０ ｉ ｎ跨径混凝土连拱结构 ， 采用 Ｍｉ ｄ ａ ｓ ／ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ 有 限元 软件建立 了空 间有限 元计算模 型进行 计 算分析 。将主拱 圈 、 立柱 、 盖梁 、 横 梁 均采 用 空间 梁单元 模 拟， 将 桥面 ６ ｍ现浇实心板和边 中跨结合墩采用空间板单 元 模拟 。模型 中两 侧边 拱拱 脚采 用 固结 ， 结合 墩 墩底 采用 固 结， 两侧端 头处桥 面板采 用活动铰模拟 ， 拱 圈和立柱之 间、 拱 圈和横梁之 间、 立柱 和盖 梁之 间均 采用 刚接模拟 ， 盖梁 和桥