基于刚性桥墩单跨桥梁结构模型制作的研究

谢亚旗

(深圳市建设工程造价管理站，广东 深圳518031)

1 引言

从桥的基本功能来讲，需要具有足够的通行、跨越和承载能力。如何解决在满足功能需求的同时，又达到降低桥本身的造价，从而实现良好的经济效益，是人们关注的热点。降低造价不仅要减少材料的用量，还需尽可能降低施工成本[1]。除了以上需求，桥梁特别是城市桥梁，还要美观，需要一个简约而不简单的外观，从而给人赏心悦目的感觉。

2 方案与选型

本文通过制作桥梁结构模型，研究桥梁结构的受力及变形，为桥梁结构设计提供参考。本次研究采用竹皮模拟制作桥梁模型。制作前期对几种桥梁结构进行选择，主要考虑以下几方面：

1）斜拉桥属于柔性结构，在风荷载下会产生明显的变形，但是其可以有很大的跨度，实际工程中斜拉桥的跨径一般为300～1000m[2]。用竹皮模拟制作的桥单跨跨径约为1m，可以看作是小跨径的公路桥，且对刚度有较高的要求。初期想充分发挥竹皮的抗拉性能，使拉索成为主要受力构件，从而减轻模型的质量，但制作出来的模型实际效果不理想，两桥墩高度太高受弯矩较大。

2）拱桥比较适合小跨度的公路桥，但是拱桥对于基础有特殊要求，特别是水平方向的支撑要求比较高。但在实际竹皮制作过程中发现要做出一个外观良好且受力合理的拱桥制作难度较大。拱的高度较大稳定性较弱。

3）桁架桥具有比较好的刚度，对于控制桥面板的位移比较有利。在控制位移的同时，桁架桥对制作的要求相对比较低，在基本的制作条件下就可以达到使用的要求，达到了施工简单的目的，且制作桁架桥具有节省用材的优点。

最终确定制作桁架拱桥体系，其最大的特点就是利用结构杆件的轴向承载力和刚度传递侧向荷载和重力荷载，从而提高结构整体的荷重比，因此，有效性很高。而拱桥能通过拱合理地将压力传递到基础，而且各杆件所受轴力也较小。经过合理设计，其结构整体立面丰富，构件受力合理，非常适用于单跨桥结构设计。

3 创新改进

桁架拱桥主要受压杆件近似成一个拱形，竖向荷载通过拱快捷传给基础，在拱的两侧其他杆件受力较小[3]。竹皮受拉强度高，主要破坏是由于压杆失稳，只要合理设计压杆不破坏就能保证结构有较高的承载力。于是把桥面做成一定的坡度，突出拱的特点，传力更加快捷，受力更加合理。

由内力分析结果可知，节点在杆件之间传递着拉力和压力，由于制作的误差，会有一定的偏心，产生弯矩和剪力。对于压力，只要通过胶水连接，保证相连的杆件不滑动，杆件端部的接触就能保证压力的传递；对于拉力，单靠杆件之间的胶水连接是不可靠的，需要连接板传递，为了更好地利用竹条的特性，有意识把竹条的纹理顺着拉杆。同时增加连接板，使得模型制作变得更加方便。

4 模型制作

从结构的外形上看，选择长方形主体形状，受力合理，加载方便。直接使用胶水黏结，节点处采用矩形块的连接板配合胶水粘住，以保证节点的稳固性。斜杆相交时，斜杆一端锯成一定角度，用胶水加固，这大大提高了斜杆与两侧弦杆的黏结面积从而增强稳定性和强度。由于单片竹材抗压承载力不足，因此，采用多层竹皮粘结成实心截面，从而提高其抗压能力。根据SAP2000 软件建立的模型分析结果，加强跨中两侧的竖杆和斜杆的厚度用以增加抗弯刚度。

5 模型计算与分析

本桥为上承式桁架拱桥，全桥荷载形式为静载，包括桥体自重及竖向荷载、水平刹车力和横向风荷载。模型经天平称量的质量m=203g，则桥模型自重W=mg=0.203×10=2.03N。

采用SAP2000 软件对本桥在自重和50kg 的砝码作用下进行静力分析。首先建立有限元模型，由于节点连接处具有一定的刚度，在建立模型时，上下弦杆、腹杆、支撑等均采用梁单元，定义材料属性和截面特性，施加支座约束。在两边上弦杆中间节点处分别施加集中力F1=250N、F2=200N 以及中间连杆上增加F3=30N 的风荷载和F4=80N 的水平刹车力，经过求解得到跨中节点的最大位移为0.66mm，远小于40mm满足要求。

从应力图可知，最大应力远小于竹皮的抗拉抗压强度，材料的强度是足够的，结点强度有保证，而且材料的抗拉能力很强，故模型的破坏主要是由于压杆屈曲引起。设计时已考虑压杆失稳问题，并已加强，所以估计在前期加载的情况下，结构较为稳定，受力性能良好。但当承载继续增大至极限荷载时，杆件可能发生压杆屈曲破坏，从而导致模型承载能力失效。

6 结论

本文以经济合理、施工简单、造型美观等为出发点，比选获得刚性桥墩单跨桁架拱桥梁模型，用竹皮制作了该桥梁模型，并进行了加载试验，得出以下结论：（1）桥梁结构传力快捷、有效是节约材料的重要影响因素。（2）结构分析软件能对结构模型进行定性分析，找出受力规律；模型加载试验能考虑制作误差、真实受载环境，有利对结构的优化。数值分析和加载试验相结合能有效地使设计达到最优。（3）模型制作过程中，充分利用材料的特性，能较大地提高模型的承载力。