文档介绍：2004 ANSYS 中国用户论文集
空腹式双曲拱桥有限元分析与试验研究

王敏强张桓韩奇峰
武汉大学土木建筑工程学院 430072
[ 摘要] 选取 107 国道上典型的两跨空腹式双曲拱桥为例,按照结构受力特征,采用空间实体单元模
型,利用 ANSYS 程序对该桥进行全面分析,为该桥梁结构静载试验提供试验测点的布点方
案理论依据,给出部分试验结果,有限元与试验结果吻合的很好,得到一些有益的结论。
[ 关键词] 双曲拱桥,有限元,静载试验
双曲拱桥是在继承我国传统的石拱桥结构特点基础上,施工上汲取了装配式钢筋混凝
土结构的优点,于 1964 年创造出的一种具有我国民族风格的、新颖的圬工拱桥。图 1 所示
的是一例典型的双曲拱桥,纵向一跨一拱,横截面是由一个或数个小拱(拱波)组成,形成
纵、横向双向曲线形,称为双曲拱桥。双曲拱桥不仅造型美观,而且在纵向和横向都利用拱
的受力优点,拱肋和拱波同时构成弯曲构件,因而被认为是完美的构思和设计。与板拱结构
相比,在截面的抵抗弯矩的能力较相同时,具有显著的节省材料的特点;加之在施工等方面
也有较多的优越性,所以双曲拱桥的出现,犹如雨后春笋,很快在全国公路上得到推广,在
铁路、渠道工程结构经常采用,为加速我国的桥梁建设作出了贡献。
然而最早的双曲拱桥是 20 世纪 60-70 年代建设的桥型,限于当时设计水平和荷载标准
低,结构钢材用量少,设计、施工质量普遍低下,大部分双曲拱桥都出现了不同程度的病害
[1-5],许多已成为危桥,急需维修加固或拆除重建。但是调查和研究发现,双曲拱桥的病害
是局部的,具有一定的承载和超载能力,只要找到病害部位及其原因,进行相应的处治,大
多数是可以继续运营的,例如 107 国道上的一些双曲拱桥就是如此。从 1977 年建成以来,
尽管在长期重荷载、大交通量的运营情况下,出现了不同程度的病害,但结构的总体特性仍
然较好。除了边拱肋病害较严重外,中间拱肋、拱波、多数横系梁混凝土表面光整,没有发
现明显裂缝和破损,力学性质较好。主要病害有:边拱肋拱顶混凝土损伤较为严重,腹拱墩
作用处的边拱肋混凝土剥落、露筋,分布较密的裂纹、裂缝;个别拱波在拱顶或 L/3 拱位置
断裂;少数横系梁两端破损,有纵向裂缝;腹拱圈破损严重,形成横向交错式的贯通裂缝。
这类病害的处理只要将边拱肋、横系梁以及腹拱圈进行加固,就能够满足设计标准要求。

图 1 磨河中桥立面图

双曲拱桥结构非常复杂、受力也非常复杂,构件轴线为曲线的多次超静定的空间结构。
以空腹式拱桥为例,当荷载作用在桥面结构时,通过填料将荷载传给拱波和腹拱,拱肋接受
拱波和腹拱墩传来的荷载再传给桥墩或桥台,相邻拱波和横系梁把拱肋联系在一起。拱上构
件与拱肋联合作用,共同承受荷载,无论活荷载是否作用在桥面中心线,桥梁的横断面和纵
断面上都会出现不均匀的应力分布。
双曲拱桥的结构分析仍然基于结构力学和弹性力学的拱结构分析基本理论。由于结构是
复杂的、受力状态是复杂的,分析理论只能进行必要的抽象、简化和近似,即使有限元方法
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发展如此之快,目前还很少用于双曲拱桥结构分析。文献[1]采用三维实体有限元法研究双