受移动荷载作用的高墩桥跨结构模型优化研究

受移动荷载作用的高墩桥跨结构模型优化研究

吴 涵 陈玉骥 林 威 蔡华权 何超凡 刘维彬

（佛山科学技术学院，广东 佛山 528253）

摘要：随着公路、铁路建设的高速发展，我国在路桥的总体设计规划中，对路线指标、路线环境与造价之间的协调度要求日益提高。作为陆上交通的咽喉，高墩桥跨结构是铁路、公路跨越河流、起伏地形的重要架空建筑物，其承载能力和可靠性在工程界得到一致认可。可见，高墩桥跨结构的使用具有重要的价值和意义。但由于车辆的速度和重量日渐提高，桥梁受车辆移动荷载的影响极易发生疲劳损伤甚至是破坏倒塌，因此高墩桥跨结构与工程质量需要得到不断地改善。本文通过建立实体模型和软件分析，研究桥梁车辆移动荷载对桥跨的作用，从而对高墩桥梁进行结构优化，在实际工程中具有重要的理论意义。

关键词：移动荷载；高墩桥跨；结构优化

0 引言

目前，车辆荷载作用下的优化设计已经渐渐成为高墩桥跨结构设计中的核心要素。进行优化设计的前提是要树立科学的设计理念，考虑高墩桥受移动荷载作用的结构优化，并不等同于投入大量的经济建设便能解决问题，而是通过处理墩体与其他部位的宽度、厚度比例等协调问题后，将普通的桥跨结构进行优化设计。

本文通过桥跨结构的模型在动荷载作用下的结构优化来模拟实际工程当中对高墩桥跨结构的改良设计，进而得出相应的优化方案。

1 高墩桥的类型与其结构特性分析

1.1 斜拉桥

斜拉桥属组合体系，斜拉钢索及索塔为承重构件，在竖向荷载作用下，拉索承受拉力，索塔承受竖向反力及不平衡的水平力。根据主梁的材料不同分为预应力混凝土斜拉桥与钢箱梁斜拉桥。斜拉桥主要由加劲主梁、塔架和斜拉钢索3部分组成[1]。斜拉桥有跨越能力大、外型轻巧美观、可无支架施工等优点，现如今其修建数量在不断增加。

1.2 拱桥

拱桥在竖向荷载的作用下，主要承受压力及弯矩，墩台除承受竖向压力和弯矩外，还承受水平推力。拱截面的应力较为均匀地分布，采用抗压性能强的砖石材料等来建造桥梁，能够降低桥梁工程的造价。

1.3 悬索桥

悬索桥以主缆作为承重构件，在竖向荷载作用下，缆索承受拉力，墩台承受竖向反力及水平推力。悬索桥主要由桥塔、主缆、吊索、锚碇、加劲梁及鞍座等主要部分组成。

1.4 桁架桥

桁架桥在承受荷载作用时最大的特点是，杆件都是二力杆，主要承受轴向拉力和压力，产生轴向变形，充分发挥材料的作用，节约材料。在建设桥梁之前，桁架结构可以在陆地上先组装好，然后用吊车悬于河面之上，再将支座安装在桥墩上[2]。这样的组装方式快捷方便，构件运输便利。且从整体受力方面分析，桥体结构对称，移动荷载（车辆等）通过纵梁、横梁传到主桁架的节点上，受力科学，充分发挥桥体的承重性能，从而实现桥的预期作用。

在工分制度中，记工分是学者们诟病最多之处，即缺乏监督，队干舞弊，干多干少一个样，工分没有与收入挂钩，无法区分劳动者间的差异等等。

2 结构模型的的设计和优化分析

2.1 结构的选型构思

该模拟高墩桥跨的模型结构由主柱和主梁组成，采用竹皮和胶水制作。利用502胶水作为粘合剂的竹杆件具有良好的受拉受压性能和较差的抗弯抗剪性能的特点，在设计结构时应该选择杆件受弯较小的结构，使杆件主要承受轴向压力和拉力，从而充分发挥竹皮受拉性能好的优势。于是，在分析不同类型高墩桥对应的结构特性后，采用桁架桥的结构设计（见图1）是相对合理的。

2.2 结构模型的加载

图1 制作图以桁架结构初步设计立体图

在主梁跨中设置一个静载加载点，该静载通过挂钩连接砝码加在主梁底下，目的是加重模型的自重。其中，主梁受移动荷载（通过拖动放置砝码的平板车实现）的作用。对于承受车辆移动荷载较好的路面设计应该采用平面对称、侧向刚度均匀的结构。在自重、竖向荷载和移动荷载的条件下，模型既要满足静载作用下的强度和局部稳定的要求，又要达到移动荷载对结构的整体稳定性要求。

载重比是设计过程中重点考虑的要素之一，在承载相同的荷载情况下，优先选择构件用料使用最少的方案。在此过程中需要做出多个同等载重能力的模型方案，选择预计用料最省的方案进行测试改善。

在个案教师进行课堂教学时，我们做了尽可能多的实时文字记录，并进行了摄像.实时记录主要包括两个方面的内容：一是教师的教学行为，二是学生的学习行为.录像除了供研究者进行课堂分析外，还用于课后访谈时，刺激个案教师对教学进行回忆，同时也作为个案教师教学反思的工具.

2.3 结构的初步设计

2.3.1 荷载加载的设计方案

①加重桥架自重的竖向荷载P（≤200N，作为主梁跨中静载）持续时间为t1=5s；

②模拟桥上车辆移动的移动荷载Q（20≤Q≤100N）移动时间为20s，并进行往返运动。

2.3.2 结构截面设计

除了向身边的同事学习，如果条件允许还应该多向区域内的专家积极学习，笔者有幸在参加工作的第二年参加了“东营市胜利教育管理中心初中数学高级研修班”和“东营市孙庆民名师工作室”的学习，结识了山东省正高级教师孙庆民，一路走来，受益匪浅，收获颇多.

在静载作用下，每根主柱承受的竖向反力P1=

(1) TBM卡机的根本原因是高海拔、大断层、大埋深等复杂地质条件引起高地应力，致使掌子面发生大规模塌方，TBM主机部位的围岩快速发生收敛变形，导致TBM主机整体被周边围岩完全抱死。

在移动荷载的情况下（假定小车匀速运动）竖，水平力 V=f=μ×（Q+G），其中 μ 为摩擦系数，取值为0.5，且满足动量方程Ft=mvt-mv0（v为速度）；

清洗盘用来对法兰盘上的摄像窗及光源照射窗进行清刷.其结构由清洗盘本体、清洗盘传动轴、下磁铁盖板、橡胶清洗条、下轴承及下磁铁等组成.清洗盘本体上设有下轴承安装孔，其两端分别设有下磁铁安装孔和橡胶清洗条安装块，下轴承固定在下轴承安装孔内，清洗盘传动轴通过螺母及垫圈安装在下轴承的轴孔内，两块下磁铁采取挤压的方式分别嵌入下磁铁安装孔内，通过固定粘贴在两块下磁铁上的下磁铁盖板将下磁铁封闭在下磁铁安装孔内，两片橡胶清洗条分别固定粘贴在橡胶清洗条安装块的端面上.具体结构如图4所示.

计算轴压比，其中N为主轴向力设计值，Ac为柱截面面积，fc为杆件抗压强度设计值（经验值为 15N/mm2）。

通过初步计算，选定立柱截面尺寸为6mm×6mm，其他结构尺寸为5mm×5mm。

2.4 结构试验原则

试验加载过程中遵循结构单调性加载力原则，即短时期内对试验对象进行平稳地一次连续施加荷载，荷载从“零”开始一直加到结构构件破坏，或者是在短时期内平稳地施加若干次预定的重复荷载后，再连续施加荷载直至结构构件破坏。

摘 要：为了进一步提高小学数学课堂的教学有效性，使得教师能够更为良好地组织课堂教学，学生能够更好地提高学习效率，对小学数学课堂的有效教学进行了研究。对新课的导入、教学流程的变化以及课堂练习的设计三方面进行了深入地分析，为数学课堂的有效利用提供了参考。

加载程序分别为预加载60%加载至100%，超载＞100%，每次间隔≥30min。

结构单调性加载静力程序，F与t的关系（如图2所示）：

访谈者：当前高校存在一种“重科研，轻教学”的现象，导致许多教师不愿编写教材，认为这不是一种科学研究。您如何看待这一现象？

图2 加载过程中F与t的关系

2.5 结构受力分析

2.5.1 第一个模型受力情况

第一个模型试验结构不理想，在受静载作用时，结构变形很大，其稳定性较差，整个结构发生侧移，且杆件强度明显不足（见图3）。为了增强结构的稳定性，在原结构的两侧增加拉条，提高立柱的拼接精度，与相邻柱的位置偏差控制在1mm范围内。

图3 加载过程

现实工程中，桥墩立柱也会出现刚度不足的现象。原因主要是桥墩立柱的下端与基础相连，从整体受力上分析，立柱的受力类型应该是悬臂受力。由于桥墩立柱刚度不足会直接影响到其抗斜拉和抗变位性能[3]，所以在此类问题上，工程界也有多种相应的解决措施。例如，采取桥墩柱体的支护、或者增大截面尺寸等，从而增强桥墩的刚度，提高桥墩的承载性能。

随着科学技术的发展，近年来，纸质档案的提供和使用率逐年下降。因为纸质档案保存和使用占据的空间大，使用时间短，更新慢，产品单一，查阅不方便，使得其使用率大幅度下降，已经不满足社会发展需求。测绘档案的数字化管理不仅方便保存，而且更新周期短，可以利用计算机来进行更加科学的管理。我国政府加大了对测绘档案的基础投资，为测绘档案的管理提供了保障。例如，近年来福建省漳州市测绘设计研究院的测绘档案管理中，是基于B/S架构(浏览器/客户端)的应用平台实现了测绘地理信息档案信息的全生命周期管理和综合查询分析利用，有效地推动了数字测绘成果的流程化、一体化集中管理和多元化应用。

2.5.2 第二个模型受力情况

（1）在第一个模型的基础上做相应的改进措施；

①增加侧面拉条；

②提高立柱拼接精度，相邻柱距控制在＜1mm范围内；

③使用加劲肋杆件，设置张弦结构（见图4），对上弦杆作出局部加强（见图5）。

（2）对新模型进行结构建模与分析；建立空间计算模型（见图6）；

图4 加劲肋杆件

图5 杆件张弦设置

图6 修正后的空间模型

当结构承受组合荷载时，结构的最不利位置在杆件的跨中位置。作为直接承载移动荷载的上弦杆，本方案作出局部加强的必要措施，如使用加劲肋杆件，设置张弦结构等。在实际工程中，桥墩立柱的顶部直接承受来自上部荷载的水平分力，导致立柱承受的水平压力不断增大，通过应变的检测可知桥体可能会发生倾斜甚至变位的危险情况。出现这种情况的原因往往是桥墩支座的性能不足[3]，当墩顶承受温度应力、上部结构的荷载以及汽车等移动荷载时，支座无法将其水平分力释放出来，导致与支座互动的接触面失效。此时，桥墩立柱的顶部直接承受上部荷载的水平分力，极易会发生倾斜或者变位，渐渐形成桥梁的“毒瘤”。为了预防这类问题的产生，应该对墩顶的位移量进行严格限制。在确保支座得到合理处理的基础上，保证上部荷载所传递的水平分力最小。在桥顶安装限位装置，加强监控的力度，控制其偏位值始终在最佳范围内。

2.6 最终结果

综合前面分析的结果，对模型进一步优化设计，最后成型的实体图见图7。

图7 优化后最终模型的实体图

通过软件的理论计算分析，经过一系列实际制作的修改，此模型方案最终成立。进行结构优化的过程中，在控制结构的强度、刚度和稳定性能下，应该将人为因素的影响程度降到最低。例如，在材料用料上遵循“小材大用”的原则，增大结构的载重比。最后模型的总质量为135g，顺利通过第一级静荷加载150N，第二级动荷加载30N，第三级动荷加载100N。

(3) 设鸟蛋被发现概率为Ra(Ra∈[0,1]),Ra越大表示该鸟蛋存在更大机率被筑巢鸟丢弃,或是直接寻找新的一处构筑新的鸟巢位置。

3 结语

桥梁车辆移动荷载对桥跨结构的作用,尤其是重型运材车辆对于为数众多的中、小跨径钢筋混凝土简支桥梁的力学行为作用问题,日益为工程界所重视。因此,在确定桥梁上移动车辆荷载的大小和种类的基础上，对高墩桥梁进行结构优化,具有重要的理论意义和应用价值。综合前面对桥梁类型和结构特性的探讨，可见在高墩的设计和选择时，设计人员应对已设计的桥体结构不断优化，取其精华去其糟粕，具体情况具体分析，重视与环境的融合，综合比较来确定最终方案。

参考文献

[1]靳进钊.高墩桥与大跨径桥梁的结构形式研究及经济比较[J].交通标准化，2013（16）：35-38.

[2]徐占军.公路桥型力学分类及其特点[J].企业技术开发，2003（10）：13-15.

[3]骆会军.探讨高速公路高墩桥病害成因及措施[J].黑龙江交通科技，2014，37（6）：91.

Research on Optimization of Span Structure Model of High Pier Bridge under Moving Load

WU han，CHEN Yuji，LIN Wei，CAI Huaquan，HE Chaofan，LIU Weibin
（Foshan University，Foshan Guangdong 528253，China）

Abstract：With the rapid development of highway and railway construction，the coordination degree between route index，route environment and cost is increasingly required in the overall design planning of road and bridge in China.As the throat of land transportation，the high-pier bridge span structure is an important overhead structure for railway and highway crossing rivers and undulating terrain.It can be seen that the use of high pier bridge span structure has important value and significance.However，due to the increasing speed and weight of vehicles，the bridge is prone to fatigue damage or even collapse under the influence of moving load of vehicles.Therefore，the span structure and engineering quality of high pier Bridges need to be constantly improved.In this paper，through the establishment of solid model and software analysis，the effect of bridge vehicle moving load on bridge span is studied，so as to optimize the structure of high pier bridge，which has important theoretical significance in practical engineering.

Keywords：moving load；high pier bridge span；structure optimization

中图分类号：U442

文献标识码：A

文章编号：2096-2118（2019）03-0019-04

收稿日期：2019-03-17

基金项目：佛山科学技术学院省级大学生创新创业训练省级项目（XJ2018090）

作者简介：吴 涵（1997～），女，广东省潮州市人，研究方向：土木工程。

编辑：付 强