郑州市花园路过街天桥结构分析.pdf

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 ， 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 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 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下的 影响 ， 得 出以下 结论 ： ( 1 ) 对天桥进行静态分析， 其在自重和均布载 荷共同作用下的应力分布图可得到其危险截面和危 险点， 其在梁的跨中截面处有最大位移， 在桥梁检测 和加 固过程中应对该位置重点关注 。 ( 2 ) 人行均布荷载的影响在天桥 中占有较 大的 比重 ， 设计时必须考虑人行荷载作用。 ( 3 ) 虽然有 拱有梁 与有拱无 梁 的桥 相 比， 变化 不是很大， 但是相对于桥梁安全 系数的保证是巨大 的 ， 另一方面 ， 相对于拱的造价 ， 梁要低得多 ， 因此在 王智 ： 钢结 构螺栓连接的有限元数值模拟 6 1 钢 结构 螺栓 连接的有 限元数值模拟 王智 ( 天津大 学建筑工程学院 。 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 螺栓连接是钢结构连接的主要方式之一， 具有施工简单、 拆装方便等优点。现行钢结构规范中对 螺栓连接的计算都是在一定的假设条件下进行的。本文以钢结构规范中的计算公式为基础， 运用有限元数值分 析的方法， 采用 A B A Q U S来分析普通螺栓群在受剪和受拉条件下的各个螺栓的受力情况。将有限元软件模拟的 结果与公式计算结果进行比较 ， 证明规范公式的正确性。文中分别模拟分析了普通螺栓群在受剪的情况下承受 轴心力、 扭矩 ， 和普通螺栓群在受拉的情况下承受拉力、 弯矩的受力情况。 【 关键词】 螺栓连接； 有限元数值模拟 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 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 6 1 0 3 F I T E EL EM ENT NUM ERI CAL S 江 UL ATI oN 0lF BoLT CoNNECTI oN W ANG Zhi ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e b o h c o n n e c t i o n a s o n e o f t h e ma i n w a y s o f s t e e l c o n n e c t i o n， h a s a d v a n t a g e s o f s i mp l e c o n s t r u c t i o n，e a s y d e mo l i t i o n a n d S O O i l Th e c a l c u l a t i o n o f b o l t c o n n e c t i o n i s i n a c e r t a i n h y p o the s i s c o n d i t i o n s i n the c u r r e n t c o d e T h i s a r t i c l e i s b a s e d o n c alc u l a t i o n f o r mu l a s i n c l u d e d i n c o d e f o r d e s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e s ， i t i s a d o p t e d t h a t fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s m e th o d a n d the s o f t w a r e A B A Q U S t o a n a l y s e t h e b e h a v i o u r s o f the o r d i n a r y b o l t g r o u p wh i c h a r e i n s h e a r a n d t e n s i l e c o n d i t i o n s T h e n ，the s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d the o u t c o me c a l c u l a t e d b y f o rm u l a s a r e c o mp a r e d i n o r d e r t o p r o v e t h e c o rr e c t n e s s o f t h e for - mu l a s o f t h e c o d e T h e p a p e r a n a l y s e s t h e b e h a v i o u r s o f the b o l t g r o u p i n the c a s e o f b e a r i n g s h e a r f o r c e a n d t o r q u e At the s a me t i me， i t i s a l s o a n a l y s e d t h a t the b e h a v i o u r s o f t h e b o l t g r o u p i n the c a s e o f t e n s i o n a n d mo me n t Ke y wo r d s： b o l t c o n n e c t i o n；fi ni t e e l e me n t n u me ric a l s i mu l a t i o n 钢结构强 度高、 质量轻 、 塑性 和韧性好 、 抗 震性 能 好、 材质均匀可靠、 制造安装简便， 施工周期短 ， 近年 来， 随着我国钢产量的稳步提高及 国民经济的发展， 钢结构应用 日益广泛。螺栓连接是钢结构连接的主 要方式之一， 具有施工简单、 拆装方便等优点。现行 设计中仍然要加上梁的作用， 梁起到的作用更大的是 桥面行 走平稳 。 参考 文献 1 余风翔 城市人行天桥设计上几个问题的探讨 J 城市道桥 与防洪， 2 0 0 4， ( 3 ) ： 2 93 3 2 肖德身 城市人行立交的规划与设计 J 株洲工学院学报。 2 0 0 3 ， 1 7 ( 3 ) ： 9 69 8 3 王志 城市道路行人过街立交设施服务性能综合评价体系研 究 D 西安： 长安大学， 2 0 0 4 钢结构规范中对螺栓连接的计算都是在一定的假设 条件下进行的。本文拟通过有限元软件对螺栓 的某 些连接形式进行数值模拟， 并将结果与已有公式计算 结果进行 比较 ， 以验证公式的正确性 。 1 普通螺 栓抗剪连接 的模拟与分析 4 陈宏彬 关于城市人行天桥设计的一些探讨 J 广东建材， 2 0 0 9， ( 4 ) ：1 9 1 1 9 3 5 林忠雄 单肋钢管拱人行天桥的设计与探讨 J 建设科技， 2 0 0 6， ( 1 8 ) ： 8 28 3 6 邵忠民， 乔宇 钢拱架在人行过街天桥设计中的应用 J 市 政技术 ， 2 0 0 4 ， 2 2 ( 5 )： 2 6 8 2 7 1 收稿 日 期 2 0 1 2 1 l l 4 作者简介 陈熙( 1 9 8 6一 ) ， 男， 辽宁锦州人， 硕士研究生 研究方向： 建筑工程技术与管理。