第３５卷，第６期 ２ ０ １ ０年１ ２月 公 路 工 程 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２ ０ １ ０ 旧双曲拱桥的应力分析及承载能力评价 朱 莉 （江苏省交通规划设计院有限公司，江苏南京［摘２１０００５） 要］以某旧有双曲拱桥为对象，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ，建立整体模型，对该桥进行应力分析。在此基 础上结合对桥梁通车历史的调查、桥梁的外观质量检查以及车辆通过桥梁时的观察，提出桥梁承载能力的评价意 见和保证施工车辆安全通行的措施。 ［关键词］双曲拱桥；有限单元法；应力分析；承载能力 【中图分类号］Ｕ ４４８．２２ １ ［文献标识码］Ｂ ［文章编号］１６７４—０６１０（２０１０）０６—００８６—０３ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｎ Ｏｌｄ Ｔｗｏ－ｗａｙ Ｃｕｒｖｅｄ Ａｒｃｈ Ｂｒｉｄｇｅ ＺＨＵ Ｌｉ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００５，Ｃｈｉｎａ） ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｔｗｏ．ｗａｙ ｃｕｒｖｅｄ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ 双曲拱桥是在继承我国传统石拱桥结构特点的 应力分析。在此基础上结合对桥梁通车历史的调 查、桥梁的外观质量检查以及车辆通过桥梁时的观 基础上，于上世纪６０年代初期创造出的一种具有我 国民族风格的拱桥形式，曾经在全国各地广泛修建。 察，提出桥梁承载能力的评价意见和保证施工车辆 安全通行的措施。 偏远地区的高速公路施工中，施工车辆经常需要通 过施工便道上的旧有双曲拱桥，有的桥梁运营年代 已久，且其设计承载力不高，施工车辆通行时需对其 承载力进行评价。根据旧有双曲拱桥的实际受力状 态，建立适当的模型，精确计算其应力，在此基础上 结合对桥梁通车历史的调查、桥梁的外观质量检查 １工程概况 某双曲拱桥建于８０年代中后期，为双跨钢筋混 凝土双曲拱桥。桥的立面图如图ｌ所示，跨径４５ ｍ，桥面宽７．２ ｍ，矢高７．５５ ｍ，中间桥墩高１３ ｍ。 图２为Ａ—Ａ断面。主拱由主拱圈和四根拱肋组 以及车辆通过桥梁时的观察，一般可以对旧桥的承 载力作出合理的评价¨ 。 传统的拱桥计算中，主拱圈和拱上结构构件是 成，拱波为预制构件，拱肋为现浇钢筋混凝土构件， 上部为四堵立墙和预制拱肋组成的空心结构，中间 两堵立墙之间有根直径为１ ｍ的倒虹吸管，桥面为 水泥混凝土路面。桥梁的车辆荷载为汽一ｌ５等 级。 分开来计算的。这种计算模式不能很好的考虑桥梁 的整体受力特性，因而难以准确地判断桥梁关键部 位的应力和变形。桥梁试验可以在桥梁关键部位测 试应力和变形，但试验需花费很大的人力物力，同时 不能预先判断加固方案后桥梁的力学特性。而有限 由于某高速公路施工，需借用该桥作为施工便 道。为了保证该桥的安全性，需对桥梁的承载能力 进行评价，并在此基础上制定施工车辆通过该桥的 保障措施。 结构应力分析按全桥每次只允许一辆重３０ ｔ 的车辆通行，考虑到主拱圈为最重要的承重构件，主 要验算拱顶的变形和拱肋的应力。 元方法则可以方便地建立桥梁整体分析模型，可以 很方便地得到桥梁关键部位的应力和变形，这相当 于在计算机上进行模拟试验。 本文以某旧有双曲拱桥为对象，利用有限元软 件ＡＮＳＹＳ，建立适当简化的整体模型，对该桥进行 ［收稿日期］２０１０—０８—１５ ［作者简介］朱莉（１９７７一），女，江苏盐城人，工程师，主要从事公路桥梁设计工作。 第６期 朱莉：旧双曲拱桥的应力分析及承载能力评价 ８７ 图１全桥立面（单位：Ｃｒｌ１） １４０ ７２０ 图２主拱顶Ａ—Ａ截面（单位：ｃｍ） ２有限元模型 一般双曲拱桥内力分析采用裸拱，不考虑拱上 建筑联合作用，从而不能很好地反映桥梁的实际受 力行为。本文考虑了上部结构的共同作用，用结构 分析软件ＡＮＳＹＳ建立三维有限元模型。主拱由拱 肋、拱波和拱波间浇筑的混凝土组成。为了简化，将 拱波和拱波间浇筑的混凝土部分等效为矩形截面的 拱板，等效的原则是实际波形截面的抗弯刚度与等 效矩形截面的相等。等效拱板采用板壳单元模拟， 图３有限元模型 拱肋用梁单元模拟，并考虑拱肋与拱板的几何偏心。 中间桥墩采用厚板单元模拟，拱上立柱采用板单元 模拟，桥面系采用板单元模拟。经过网格划分，共有 情况施加： ①拱肋、等效拱板和等效桥墩与相应的实际构 件的截面积相等，因此在ＡＮＳＹＳ中，这些构件的自 重作为惯性力直接施加； ②上部４堵立墙和倒虹吸管重量作为线载荷 施加； 节点９ ７５８个，单元１０ ０５２个。钢筋混凝土材料的 弹性模量取２５ ＧＰａ， 白松比为０．２，重量密度取 ２５ ｋＮ／ｍ 。图３为有限元模型。 有限元分析中，桥梁的恒载和车辆荷载分几种 ③上部其余部分的重量作为均布荷载施加； ８８ 公路工程 ３５卷 ④３０ ｔ汽车轮载作为集中力，按《公路桥涵设 计通用规范》（ＪＴＪ ０２１—８９）中的轴距和轮距加载于 从变形的角度看，当车辆作用于主拱拱顶时，拱 顶挠度为６．９９５ ｍｍ，拱顶挠度比仅有恒载作用时的 挠度增加了１８．５８％。挠度与跨径的比值为１／ ６ ４３３，属于正常使用范围。 为了简洁明了，这里只给出左、右拱脚截面和拱 桥面上。车辆荷载考虑６种工况，即后轴分别作用 在左拱脚、１／４拱处、３／８拱处、拱顶、３／４拱处、右拱 脚处，再加上恒载工况，考察７种工况下拱肋的变形 及应力。 顶截面的组合应力。表２为在不同工况下拱肋截面 的内力以及上缘或下缘的应力，表中Ⅳ为轴力，正 ３ 计算结果 表１为各种工况下拱顶的位移（下挠）。 表ｌ各种工况下拱顶的位移（下挠） 号表示拉力；肘为弯矩； ，为与轴力对应的轴向均布 应力，正号表示拉应力； ＾为截面上缘或下缘的弯 曲拉应力；组合应力为 ，与 ＾的代数和，正号表示 拉应力，负号表示压应力。强度校核主要考察组合 应力。 从应力的角度看，在最不利工况下（车辆作用 于３／８处时），其拱肋最大拉应力为０．５９６ ７６ ｂｔＰａ， 比恒载时增加了３４．１％；其拱肋最大压应力为 表２不同工况下拱肋的应力 工况 （ 毳位）／移ｍｍ ＿Ｔ柙Ｌ“ （拱顶位移下挠）／ａｒ ｍ 恒载 ５．８９９ 车辆在３／４处 ６．２０３ 车辆在左拱脚 车辆在１／４处 车辆在拱顶 ５．９０１ ６．０８４ ６．９９５ 车辆在３／８处 车辆在右拱脚 ６．３２４ ５．９０２ ２．４１６ ２ ＭＰａ，比恒载时增加了１６．５％。２５０ 混凝土 （按老规范）的允许拉应力为０．８ ＭＰａ，由于建成时 间较长，考虑２０％的降低，即允许拉应力按 ４调查、外观质量检查及通车观察 首先，对该桥的通车历史进行了深入的调查，调 ０．６４ ＭＰａ取值，拉应力满足强度条件；允许压应力 取１１ ＭＰａ，考虑２０％的降低，即允许压应力按 ８．８ ＭＰａ取值，压应力也满足强度条件。这里是按 容许应力法进行强度校核的，对于旧桥，按容许应力 法校核强度更偏于安全。 查表明，该桥时有运送砂、石料的车辆通行，有的车 辆重量可能超过了３０ ｔ。其次，外观质量检查表明， 该桥的混凝土质量良好，没有发现因荷载作用而产 生的裂缝。第三，用一辆重３０ ｔ的车，以每小时 ３０ ｋｍ的速度通过桥梁，在桥面、桥下和主拱上不同 （下转第９８页） ９８ 公路工程 ３５卷 根据平均速度和路段长度，还可以发布行程时 间信息。 ［参考文献］ Ｈａｎ，Ｊ．ａｎｄ Ｍ．Ｋａｍｂｅｒ（２００６）．Ｄａｔａ ｍｉｎｉｎｇ：ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｍｏｒｇａｎ Ｋａｕｆｍａｎｎｌ ３ 结论 基于交通射频采集数据提出了一种实时路段平 均车速的计算方法，相比浮动车技术来讲，ＲＦＩＤ获 得的数据波动性小，因为监测点都是安装在路段的 固定位置上；相比电感线圈技术来讲，ＲＦＩＤ计算出 的速度更能反映路段整体运行状况。经过试验表明 Ｋｅｒｎｅｒ，Ｂ．，Ｃ．Ｄｅｍｉｒ，ｅｔ ａ１．（２００５）．“Ｔｒａｆｉｆｃ ｓｔａｔｅ ｄｅ— ｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｃａｒ ｄａｔａ ｉｎ ｒｏａｄ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．’’２００５ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５．Ｐｒｏｃｅｅｄ— ｉｎｇｓ：４４—４９． 皮晓亮．基于环形线圈检测器采集信息的交通状态分类方法 应用研究［Ｊ］．公路交通科技，２００６，（４）． 郭继孚．北京市交通拥堵宏观评价指标体系开发及其应用 ［Ｚ］．第三届中国智能交通年会，２００７． 本方法能够获得较为准确的路况信息。 ｎ １ ］ ］２ ３ ］ ４ ］ （上接第８８页） 戎泽生，邵永健．现役双曲拱桥上部结构内力分析与试验研 究．［Ｊ］．福建建筑２００９，１３０（４）：１０３—１０５． ［２］ 董钢．基于ＡＮＳＹＳ的力墙等效刚度计算．［Ｊ］．山西建筑． 部位进行了观察，没有看到和听到任何不正常的现 象和声音。这些也是评价桥梁承载能力的必要工 作。 ２００８，３４（６）：ｌ１６—１１７． ［３］ 王敏强，王 乐．空腹式双曲拱桥有限元分析与试验研究． ５ 结论 在应力分析的基础上，结合桥梁历史调查、外观 质量检查及现场通车观察，得出该桥在一辆重３０ ｔ 的车通过时是安全的。为了进一步确保安全，必须 对施工车辆的通行进行严格控制，应保证： ［Ｊ］ 武汉大学学报（工学版）．２００５，３８（５）：８８—９３． ［４］ 葛素娟，陈淮，董建华．双曲拱桥承载能力评估．［Ｊ］．河南科 学．２００４，２２（１）：１０８—１１２． ［５］ 叶梅新，刘东芳．大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥极限承载力 分析［Ｊ］．公路工程，２００７，３２（４）：１００—１０２． ［６］ 刘礼辉，邵旭东．新型空向组合拱桥的稳定性分析［Ｊ］．公路工 程，２００８，３３（４）：６７—６９． ①每次只允许通过一辆车辆，车辆重小于等于 ３０ ｔ。 ［７］ 韦立林，王建军，施 智．某双曲拱桥的加固加宽及静载试验 ［Ｊ］．湖南交通科技，２００８，３４（２）：８９—９２． ［８］ 陈勇鸿．双曲拱旧桥结构承载性能检算分析［Ｊ］．湖南交通科 技，２００９，３５（１）：９５—９７． ②车辆需慢速通行，速度不超过３０ ｋｍ／ｈ。 ③应指派专人定时进行观察，一旦发生异常， 应立即停止施工车辆通行。 实践证明，该桥在上述控制措施下完全处于正 ［９］ 弋晓明，张宏博，管延华，等．既有双曲拱桥病害类型及加固技 术研究［Ｊ］．湖南交通科技，２００９，３５（３）：１２６—１２９． ［１Ｏ］ 张军，刘志文．钢管混凝土拱桥结构静动力及稳定性有限 常的状态，解决了施工车辆绕道或是搭建临时便桥 的问题。 元分析［Ｊ］．湖南交通科技，２００７，３３（１）：８９—９２． 袁卫国．基于静力试验的大跨钢管拱桥承载力的模糊神经网 络评价［Ｊ］．公路工程，２００６，３Ｉ（３）：１２２—１２４． ［参考文献］