“假拱”景觀橋裝飾板有限元分析與應(yīng)用研究

施小明，王娟玲

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

“假拱”景觀橋裝飾板有限元分析與應(yīng)用研究

施小明，王娟玲

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

用有限元軟件ANSYS建立“假拱”景觀橋裝飾板的二維有限元模型，分析了拱式裝飾板和梁式裝飾板的受力特點(diǎn)，從配筋、吊裝、對(duì)其他結(jié)構(gòu)的影響、對(duì)模板的適應(yīng)性等方面對(duì)兩種裝飾板進(jìn)行了比較，得出：在“假拱”結(jié)構(gòu)中，應(yīng)優(yōu)先采用梁式裝飾板。

“假拱”景觀橋；裝飾板；ANSYS有限元；受力仿真分析

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)橋梁的要求不再是單純的跨越功能，而是注重追求形體的完美。橋梁設(shè)計(jì)重點(diǎn)也逐漸由造型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^設(shè)計(jì)［1］，即在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀控制的基礎(chǔ)上，使其與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、色調(diào)保持一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)形體功能、技術(shù)和藝術(shù)的綜合要求［2～3］，以滿足人們精神方面的需求［4～5］。世界各國造型優(yōu)美的景觀橋梁常常被作為城市的標(biāo)志和驕傲［6］。

一直以來，拱橋是設(shè)計(jì)人員青睞的景觀橋形式之一。但拱橋的施工工藝復(fù)雜，施工周期較長，對(duì)地質(zhì)條件要求高［7］，橋梁損壞無征兆，致使很多設(shè)計(jì)、施工人員談“拱”色變。相對(duì)拱橋，梁橋受力簡單，施工方便，但外觀平凡。如何使一座橋梁能具有裝配式簡支梁橋的施工便捷，又具有拱橋的外觀效果？因此，提出了“假拱”景觀橋［8～10］。當(dāng)“假拱”景觀橋跨徑取標(biāo)準(zhǔn)跨徑時(shí)，其上部結(jié)構(gòu)可以直接采用標(biāo)準(zhǔn)圖，施工工藝十分成熟，施工難度大大降低。但是，“假拱”中的裝飾板雖然僅承受本身的重力作用，但截面尺寸的擬定，小截面尺寸的配筋以及小截面構(gòu)件的吊裝卻是一個(gè)新的課題。筆者采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)裝飾板進(jìn)行二維模型創(chuàng)建，并模擬工程實(shí)際情況對(duì)裝飾板添加不同約束，通過分析裝飾板在不同約束條件下的應(yīng)力分布和施工操作，提出裝飾板的合理設(shè)計(jì)方案。

1 裝飾板的受力仿真分析

利用ANSYS有限元分析軟件建立裝飾板的二維有限元模型，通過設(shè)定不同的約束條件，構(gòu)建梁式裝飾板模型和拱式裝飾板模型兩類典型受力結(jié)構(gòu)，應(yīng)用材料力學(xué)平面強(qiáng)度理論，通過分析2種裝飾板的平面應(yīng)力σx、σy、τxy來進(jìn)行裝飾板設(shè)計(jì)方案的擬定。

本文利用ANSYS有限元分析仿真軟件搭建了跨度為13m裝飾板有限元二維模型，荷載僅為自重荷載，對(duì)兩種形式的裝飾板分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析。

1.1 拱式裝飾板的受力仿真

拱式裝飾板的約束設(shè)置在橋墩的下部系梁上，受力簡圖如圖1所示。由圖1可知，主要關(guān)注1、2、3、4、5處的受力情況。

圖1 拱式裝飾板受力簡圖Fig.1 Arch decorative sheet stress sketch

裝飾板的受力仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2可知，當(dāng)裝飾板跨度為13m、厚度為20 cm時(shí)，在自重荷載下，其正應(yīng)力σx為-0.476MPa的區(qū)域沿4-3-5呈現(xiàn)一個(gè)明顯的拱形，1、2處出現(xiàn)最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，拉應(yīng)力為1.07MPa，壓應(yīng)力為-1.713 MPa；4、5處出現(xiàn)最大的壓應(yīng)力為-1.713 MPa。受力上明顯為拱的受力狀態(tài)，在1、2處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 拱式裝飾板σx應(yīng)力分布Fig.2 Arch decorative sheetσxstress distribution

由圖3可知，正應(yīng)力σy集中分布在1、2處，其他部位受力很小。1、2處壓應(yīng)力最大為-1.207MPa，拉應(yīng)力最大為0.46MPa。所以，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖4可知，拱式裝飾板拱腳1、2、4、5處的剪應(yīng)力τxy最大；1、4處剪應(yīng)力最大為-0.57MPa，2、5處剪應(yīng)力最大為0.57MPa。

經(jīng)以上分析可知，在1、2處，拱式裝飾板應(yīng)力σx、σy、τxy組合最為不利，其次為4、5處；拱式裝飾板拱腳1、2、4、5處為受力薄弱點(diǎn)。

圖3 拱式裝飾板σy應(yīng)力分布Fig.3 Arch decorative sheetσystress distribution

根據(jù)材料力學(xué)主應(yīng)力理論，按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，得出：拱腳1、2處主拉應(yīng)力為1.41MPa，主壓應(yīng)力為-2.08MPa；在拱腳4、5處，主拉應(yīng)力為0.173MPa，主壓應(yīng)力為-1.887MPa。因?yàn)檠b飾板尺寸不規(guī)則，施工實(shí)施中，難以用定型鋼模板，一般選用木模板，加上裝飾板的厚度較薄，施工振搗等條件差，因此在拱腳處（尤其是1、2處）的混凝土強(qiáng)度一般較低，很容易出現(xiàn)拉裂等現(xiàn)象。

圖4 拱式裝飾板τxy應(yīng)力分布Fig.4 Arch decorative sheetτxystress distribution

1.2 梁式裝飾板的受力仿真

梁式裝飾板的約束設(shè)置在橋臺(tái)帽石或橋墩蓋梁上，受力簡圖如圖5所示。由受力簡圖可知，主要關(guān)注1、2、3、4處的受力狀態(tài)。梁式裝飾板的受力仿真的結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5 梁式裝飾板受力簡圖Fig.5 Girder decorative sheet stress sketch

由圖6可知，當(dāng)裝飾板跨度為13m、厚度為20 cm時(shí)，在自重荷載下，其正應(yīng)力σx與簡支梁的受力狀態(tài)完全一致，兩端彎矩很小，在跨中彎矩最大，最大壓應(yīng)力位于4處，為-4.45MPa，最大拉應(yīng)力位于3處，為4.58MPa；在支座拐角1、2處，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力為2.571MPa。

由圖7可知，梁式裝飾板在1、2處同時(shí)出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力σy為-2.4MPa，最大拉應(yīng)力為1.7MPa；3、4處的應(yīng)力很小，可以忽略。

由圖8可知，梁式裝飾板在1處和2處最大剪應(yīng)力τxy為-0.84MPa和0.82MPa。3處和4處應(yīng)力很小，可以忽略。

梁式裝飾板應(yīng)力σx、σy、τxy可能在支座處，也有可能在跨中，最不利應(yīng)力沒有集中在一起。根據(jù)式（1）和式（2），可以計(jì)算出1處和2處的主拉應(yīng)力為3.06 MPa，3處和4處的主拉應(yīng)力為4.58 MPa，主壓應(yīng)力為-4.515MPa。由此可知，梁式裝飾板的主拉應(yīng)力較大。而裝飾板的混凝土強(qiáng)度較低。因此，在主拉應(yīng)力較大處，需按照結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行配筋。因梁式裝飾板與簡支梁的受力狀態(tài)極為相近，裝飾板又僅承受自重作用，其配筋直接按照簡支梁進(jìn)行構(gòu)造配筋比較簡單。

圖6 梁式裝飾板σx應(yīng)力分布Fig.6 Girder decorative sheetσxstress distribution

圖7 梁式裝飾板σy應(yīng)力分布Fig.7 Girder decorative sheetσystress distribution

圖8 梁式裝飾板τxy應(yīng)力分布Fig.8 Girder decorative sheetτxystress distribution

2 兩種裝飾板的應(yīng)用分析

2.1 配筋問題對(duì)比分析

拱式裝飾板主要以受壓為主，所受拉應(yīng)力較小，與拱的受力特點(diǎn)相同，有利于發(fā)揮混凝土受壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)。梁式裝飾板具有顯著的簡支梁受力特點(diǎn)，跨中及拐角處混凝土容易開裂。就受力狀態(tài)而言，拱式裝飾板較梁式裝飾板具有優(yōu)勢。但是，梁式裝飾板與簡支梁的配筋要求一致，在設(shè)計(jì)上具有十分成熟的經(jīng)驗(yàn)。尤其是，只承受自重荷載，可取跨中最不利截面，按矩形雙筋截面梁進(jìn)行抗彎配筋，取支座處最不利截面進(jìn)行抗剪配筋，配筋簡單。

2.2 吊裝問題對(duì)比分析

從吊裝的角度看，梁式裝飾板吊裝時(shí)的受力狀態(tài)與其持久受力狀態(tài)一致，所受的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力基本保持不變。所以，在吊裝中，不會(huì)造成構(gòu)件的破壞。而拱式裝飾板吊裝時(shí)的受力狀態(tài)與其持久受力狀態(tài)不一致，在持久受力狀態(tài)時(shí)，主拉應(yīng)力為1.41MPa，主壓應(yīng)力為-2.08MPa；而在吊裝時(shí)，主拉應(yīng)力為4.58MPa，主壓應(yīng)力為-4.515MPa。若拱式裝飾板按受力進(jìn)行配筋，無法滿足吊裝要求，容易造成構(gòu)件的開裂和破壞。

2.3 對(duì)其他結(jié)構(gòu)的影響問題對(duì)比分析

拱式裝飾板在豎向作用下要產(chǎn)生水平推力。文中模型跨徑為13m，水平推力為20 kN，在橋墩底部要產(chǎn)生較大的彎矩，使橋墩的受力狀態(tài)由軸心受壓構(gòu)件變?yōu)槠氖軌簶?gòu)件，對(duì)橋墩受力非常不利。梁式裝飾板僅對(duì)蓋梁懸臂端剪應(yīng)力有較小影響，還可以減少跨中正彎矩，對(duì)“假拱”結(jié)構(gòu)影響很小。

2.4 對(duì)預(yù)制模板適用性對(duì)比分析

由于裝飾板的尺寸較小，且截面相對(duì)復(fù)雜，在施工中多使用木模板。使用木模板時(shí)，混凝土難以做到密實(shí)均勻，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)將受到限制。拱式裝飾板的拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到1.41MPa，且裝飾板拱腳處因?yàn)榻孛骊P(guān)系采用加強(qiáng)筋較為困難，所以在拱腳處很容易發(fā)生開裂破壞。而梁式裝飾板的拉應(yīng)力由受拉筋承受，對(duì)混凝土的強(qiáng)度要求較拱式裝飾板低，可以使用木模板。

3 結(jié)語

“假拱”景觀橋是未來橋梁發(fā)展的一個(gè)重要方向。就裝飾板本身受力而言，拱式裝飾板優(yōu)于梁式裝飾板。但是，梁式裝飾板的吊裝受力狀態(tài)與持久受力狀態(tài)一致，只需帽石或蓋梁承受其重力，對(duì)“假拱”結(jié)構(gòu)影響很小。另外，在施工中，梁式裝飾板對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求較拱式裝飾板低，對(duì)模板類型的適應(yīng)性較好。在“假拱”結(jié)構(gòu)中，應(yīng)優(yōu)先采用梁式裝飾板。

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［5]姜濤，楊紅霞.公路橋梁景觀設(shè)計(jì)探討［J］.工程技術(shù)，2010（24）：69-69.

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[責(zé)任編輯 楊明慶]

Research on Finite Element Analysis and Application of“False Arch”Landscape Bridge Decorative Sheet

SHI Xiao－ming，WANG Juan－ling
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

It builds two-dimensional finite element model of decorative sheet by using the finite element software ANSYS，analyzes the forced features of arch decorative sheet and beam decorative sheet.It compares two kinds of decorative sheets from reinforcement，hoisting，effects on other structure，adaptability of the template and so on.At last，it gets the conclusion that the beam decorative sheet should be used first of“false arch”structure.

“false arch”landscape bridge；decorative sheet；ANSYS finite element；stress simulation analysis

TU238

A

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.009

2016-04-07

黃河水院青年基金項(xiàng)目：假拱在景觀橋梁中的應(yīng)用（2014QNKY022）。

施小明（1983-），男，河南新鄉(xiāng)人，助教，主要從事道路與橋梁工程施工的研究與教學(xué)工作。