郑州市花园路过街天桥结构分析.pdf
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1、陈熙等 : 郑州市花园路过街天桥结构分析 5 9 郑州市花园路过街天桥结构分析 陈熙 , 石晓猛 , 王洪龙 , 王海涛 ( 天津大学建筑工程学院 。 天津3 0 0 0 7 2 ) 【 摘要】 为了分析郑州市花园路过街天桥的力学性能, 本文采用 A N S Y S建立了该过街天桥的有限元模 型 , 通过计算获得过街天桥在自重以及行人荷载作用下的结构变形, 分析结构的安全性, 并通过修改有限元模型 计算得到该过街天桥在有拱和无拱状态下的结构内力及变形情况, 分析了桥拱对优化该桥结构所起的作用, 对其 他过街天桥的建设和维护提供了有益的参考。 【 关键词】 过街天桥; A N S Y S ; 荷
2、载 结构优化设计 【 中图分类号】 T U 3 1 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 9一 o 3 过街天桥是重要的城市基础设施, 也是城市景观 的重要组成部分, 对改善城市交通、 美化市容市貌起 到了极大的作用 , 对天桥结构设计的研究也引起了大 家的重视n 。花园路过街天桥位于郑州市金水区花 园路南段 , 该桥是单跨下承式钢拱桥, 桥墩为圆柱形 空心结构 , 该桥跨度总长3 6 m, 桥面距地面5 m, 桥面净 宽 4 m, 于 2 0 0 1 年 1月建成并交付使用。该桥横跨桥 两端的钢拱一种流线型美感
3、, 也给当地城市景观增色 不少, 但同时也增加了天桥的建设成本 , 天桥外观如 图 1 所示。本文通过 A N S Y S建模分析, 分析该桥的主 要力学性能 , 研究其承载能力和桥拱的作用 , 为其他 过街天桥的建设和维护提供有益的参考。 1 建立有 限元模型 随着计算机技术和有限元技术的普及和发展, 对 于一些建筑结构的受力分析可以通过计算机有限元 软件模拟进行分析, 可以收到比较好的效果, 同时也 可以节省大量的人力物力。在建立有限元模型前, 对 过街天桥进行一定合理简化 , 以减少不必要 的计算 量: 天桥斜梯对整个桥的影响比较弱,可以简化为一 一 个板, 两边各有一个箱形框以增强其刚
4、度 ; 除去桥外 体包层, 主梁为箱形框; 桥墩为圆柱形结构, 与桥面通 过一个方形支撑相连; 桥面铺装可以忽略不计 。 利用大型通用有限元分析软件 A N S Y S对建立过 街天桥的有限元模型: 鉴于实桥的材料全部是钢材 , 因此全桥单元类 型选用 S O L I I M5 , 材料 弹性模量 为 2 1 0 G P a , 泊松比为 0 3 , 密度为 7 8 0 0 k g r n 。由于结构 相对 复 杂, 因此 采 用 自由剖 分 方 法 节 点 总数 为 1 0 3 1 4 7 。根据该桥实际的情况 , 有限元模型中的主要 约束是四个步梯底部及两边的桥墩底部全约束, 天桥 剖分后
5、 的有 限元模型如图 2所示 。 图1 天桥外观实景图 图2 剖分后的模型 图3 自 重作用下藤曲 方 向位移 图4 自重作用下瑚 方向位移 2天桥静力分析 静力分析主要考虑过街天桥的自重和运营时行 人荷载对其结构的影响。在有限元模型中对桥面施 加均布荷载5 0 0 0 N m 表示行人荷载。由计算结果图 3 一图 5可知 , 轴方向最大位移发生在桥拱顶处 , 位 移值为 0 3 m m; Y轴方向是重力作用方向, 其最大位移 6 0 低温建筑技术 2 0 1 3年第 2期( 总第 1 7 6期) 发生在跨中部, 位移值为4 0 8 3 m m; z轴方向最大位移 在桥拱中部的斜支撑处 , 位
6、移值为 1 2 4 2 m m。对比可 以发现 、 z轴方向的位移对桥面影响并不大, 因此在 之后的分析中, 我们不再将 、 z轴位移作为重点考虑 对象。现在重点考虑 自重作用与 自重作用和人行荷 载共同作用的对比情况, 从 自重作用和 自重与行人荷 载共同作用这两种情况分析可知最大位移均发生在 跨中部 , 自重与行人荷载共同作用时天桥最大位移值 为8 9 3 3 m m, 可以认为静载作用下过街天桥的危险部 位是其跨 中部 , 而这与实际情况是相符合的, 其中行 人荷载 占了5 4 的影响, 所以在实际模拟中我们不能 忽视行人荷载的作用。 3 天桥桥拱分析 天桥的拱形设计一方面增加 了天桥的
7、美观和安 全 , 同时也增加了天桥建设用料, 增加了建设成本。 假如不考虑桥梁美观度, 能否取消拱部或者减少拱部 的横梁, 同时保证结构的安全性。因此本节重点分析 天桥的拱形结构及拱部横梁对天桥力学性能的影响。 通过修改有限元模型, 分别考虑在无拱无梁、 有拱无 梁和有拱有梁三种情况下天桥的承载能力, 有拱无梁 和无拱无梁的有限元模型如图 6 、 图7所示。 图5 自萤作用下y 聿 由 方向位移 图6 有拱无梁 在上述三种情况下施加重力, 得到以下 自重和行 人荷载共同作用下 轴、 l , 轴和 z轴向变形量 , 如图 8 所示。 对比分析可知, 在有拱有梁的情况下的 轴和 l , 轴位移变形
8、要比无拱无梁的情况小很多, 特别是最重 要的 y轴位移量 , 有梁有拱的位移量仅仅为无梁无拱 的 1 4 , 可见拱形结构对整桥受力有很大影响。 但是同 时可以注意到有梁有拱时z轴的位移量要大于无梁无 拱时的情况。 同时可以看到, 拱部横梁的作用并不是 很明显 , 有梁有拱和无梁有拱两种情况的位移量基本 相同, 因此在其他类似桥型的设计和建设时可以考虑 不再设置拱部横梁, 以节约成本。 4 3 占 鑫z 趟 l 0 _一 l l I I 一煳 霹 I r 一 1 脚 位移Y 轴位移 Z 牟 由 位移 位移方 向 图8 三种情况的位移对照 有拱有粱 -有拱无梁 。 无拱无粱 为更好地说 明天桥
9、拱 形结构 的作用 。选 用跨 中 部节点的计算数据做三种情况的应力对照, 见表 1 。 从表 1中可以清楚的看到, 在有拱有梁的情况下, 天桥的承载能力得到了有效的改善 , 受力更合理地分 图7 无拱无梁 配给了拱形部分。桥面周边的受力也得到改善, 比无 梁无拱的变形量小很多, 路面行走较平稳, 但是相对 于有拱无梁的变形差别不是很大, 说明拱部结构对天 桥的影响相对于拱部横梁来说更大。 表 1 三种情况的应力对照 4结 语 本文运用 大型有限元分析软件 A N S Y S , 建立天桥 模型, 先进行静态分析 ; 分布考虑 自重作用、 人行荷载 作用的影响, 同时考虑不同天桥结构在这些荷载
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