宋 力 鋒

(福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院，福州 350002)

隨著橋梁事業(yè)的發(fā)展，空鋼管拱橋的應(yīng)用在橋梁建設(shè)工程中也逐步增多，但是其力學(xué)特征特別是動力穩(wěn)定性方面與目前應(yīng)用較為廣泛的鋼管混凝土拱橋有所不同[1].本文以實際跨河下承式空鋼管拱橋工程項目為背景，采用有限元軟件ANSYS建立空間模型研究其正常使用工況下的失穩(wěn)特性，并通過對寬跨比、橫向聯(lián)系、吊桿損傷這三個參數(shù)分析,研究其對下承式空鋼管系桿拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，得到一些與該類橋梁穩(wěn)定性相關(guān)的建議[2-3].

在充分認(rèn)識到自己的職業(yè)范圍、職業(yè)形式、自我興趣和能力等后，需要制定一份職業(yè)生涯的規(guī)劃，作為自己人生目標(biāo)的規(guī)劃線，研究自己適合的職業(yè)、自己適合從事的職業(yè)崗位、社會迫切需求的職業(yè)、預(yù)測工作范圍的變化情況、不同工作對自己的要求及應(yīng)對措施、預(yù)測可能出現(xiàn)的競爭、如何相處與應(yīng)對人和事等，要想更好的去完成自己設(shè)定的規(guī)劃，職業(yè)的路上再根據(jù)自己的職業(yè)生涯變化不斷調(diào)整自己的職業(yè)生涯規(guī)劃。

1 下承式空鋼管系桿拱橋有限元模型

1.1 工程背景

某下承式空鋼管桁肋系桿拱橋全長為188.63 m，主拱為凈跨徑97.75 m的下承式桁肋系桿拱，橋面寬：[1.35 m(管道支架)+0.8 m(檢修通道)+1.35 m(管道支架)]=3.5 m，矢高19.95 m，矢跨比1∶4.9，而該橋的寬跨比非常小，約為1∶28；兩邊引橋采用兩跨連續(xù)鋼橋，邊跨標(biāo)準(zhǔn)跨徑為：21.13 m+19.92 m(往粉煤灰綜合利用廠區(qū)方向)；19.92 m+22.20 m(往電廠方向).拱肋除拱腳段填充混凝土外，其余均由空鋼管構(gòu)成.設(shè)計荷載包括檢修荷載、管道支架荷載、粉煤灰運(yùn)行荷載、電纜橋架荷載(見圖1、2).

圖1 跨河橋梁立面圖

圖2 主拱橋橋面系橫向布置圖

1.2 拱橋有限元模型

該跨河拱橋穩(wěn)定性分析仿真過程采用Ansys軟件模擬，先建立節(jié)點、單元，全橋組合創(chuàng)建下承式空鋼管系桿拱橋有限元模型[4-5].其中拱橋弦桿、腹桿、平聯(lián)桿，縱、橫梁以及斜撐、系桿、吊桿、墩臺等各部件采用Ansys軟件BEAM44單元和LINK10單元建立，最終形成418個節(jié)點，708個單元組成的三維空鋼管拱橋模型[6].(見圖3)

圖3 主拱橋有限元模型圖

對于拱橋而言，由于在自重作用下會發(fā)生結(jié)構(gòu)的豎向沉降，進(jìn)而使得實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計的拱軸線型以及主梁標(biāo)高產(chǎn)生差異，因此在施工前就應(yīng)該事先考慮如何抵消重力的影響，使得結(jié)構(gòu)在重力作用下最后保持的形狀與期望的形狀一致[7].本文采用在恒載及半活載作用下調(diào)節(jié)系桿和吊桿的預(yù)加力，這樣同時兼顧了不加載和加載后拱橋的受力情況.調(diào)節(jié)吊桿預(yù)應(yīng)力的原理是通過調(diào)節(jié)吊桿中的應(yīng)變來調(diào)節(jié)橋面梁的位移，而對系桿的調(diào)節(jié)，除了要平衡拱橋墩間的推力作用外，還要考慮系桿力對拱橋標(biāo)高的影響，最后通過對吊桿與系桿間的多次迭代調(diào)節(jié)，使得構(gòu)件變形在規(guī)定的范圍之內(nèi)[8-9].從圖4、5中可以看出本例中的小寬跨比下承式空鋼管桁肋系桿拱橋經(jīng)過多次迭代調(diào)整后，從模型的靜力計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)拱橋橋墩墩頂?shù)目v向位移以及吊桿下端的豎向位移基本趨向于零，拱橋的預(yù)加力調(diào)整結(jié)束，有限元模型建立完成.

圖4 縱向位移圖

圖5 豎向位移圖

2 穩(wěn)定性分析

通過施加正常運(yùn)營情況下的荷載，對該下承式空鋼管系桿拱橋結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，提取其前10階穩(wěn)定系數(shù)、失穩(wěn)模態(tài)以及屈曲模態(tài)(如表1).

表1 正常使用工況下拱橋穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)

寬跨比是指橋梁橋面寬度與跨徑之比，本文的橋面寬度采用的是兩相對吊桿之間的間距.建模采用的拱橋?qū)捒绫葹?/28，而《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(JTGD62-2004)》規(guī)定當(dāng)拱橋的寬跨比小于1/20時，需要驗算拱的橫向穩(wěn)定性，可以看出寬跨比這一參數(shù)對本文中拱橋的穩(wěn)定性分析有較大影響[13].本文拱橋結(jié)構(gòu)模型模擬寬跨比參數(shù)影響是不改變拱橋的跨徑L，通過變化拱橋兩相對吊桿間的間距D來調(diào)整拱橋的寬跨比，拱肋間的橫向聯(lián)系方式以及邊界的處理與原模型相同.采用不同寬跨比建模進(jìn)行恒載作用下的穩(wěn)定屈曲分析，計算結(jié)果如表2及圖6所示.

3 影響拱橋穩(wěn)定性參數(shù)分析

工況2：去除拱肋上弦桿間的所有平連桿；

3.1 寬跨比對空鋼管桁肋系桿拱橋穩(wěn)定性的影響

從表1結(jié)果可以看出，拱橋穩(wěn)定系數(shù)值隨著失穩(wěn)階次增加而增大.根據(jù)相關(guān)穩(wěn)定性分析理論，若拱橋第一階穩(wěn)定系數(shù)小于4～5，則結(jié)構(gòu)偏于不安全，反之，則拱橋結(jié)構(gòu)較為安全[10].而表1中的該下承式孔鋼管系桿拱橋第一階穩(wěn)定系數(shù)為6.73， 大于4， 這表明該空鋼管拱橋從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度考慮較為安全.另外，該拱橋模型前10階的失穩(wěn)模態(tài)和屈曲模態(tài)圖均體現(xiàn)出各波面外對稱或面外反對稱失穩(wěn)， 說明此下承式空鋼管桁肋系桿拱橋的面內(nèi)外剛度相比較，拱橋的面外剛度不足[11-12].

優(yōu)化教堂廣場的空間屬性，從目的上講，即使教堂廣場空間成為除具有文化優(yōu)勢外，同時又具有交通優(yōu)勢與視域優(yōu)勢的優(yōu)質(zhì)空間，促進(jìn)更多的人可以到達(dá)或經(jīng)過廣場，提高空間活力.而從理論上講，提高人進(jìn)入廣場的可能性，應(yīng)提高空間的可達(dá)性與可見性.

表2 寬跨比不同工況下拱橋穩(wěn)定系數(shù)

圖6 寬跨比不同工況下下承式空鋼管系桿拱橋穩(wěn)定系數(shù)對比圖

常用的過氧化試劑有過氧甲酸、過氧乙酸、間氯過氧苯甲酸等。過氧酸是一種酸性比母體酸若千倍的弱酸，造成這一現(xiàn)象的原因主要是過氧酸分子內(nèi)極易形成能量穩(wěn)定的五元環(huán)所致。不過這不代表安全，長鏈過氧酸室溫為固體，較為穩(wěn)定。而短鏈液體過氧酸，受熱易分解和爆炸，應(yīng)避光低溫妥善保存。過氧酸常常被用作引發(fā)劑、氧化劑[15]和消毒劑。

環(huán)偶極子以其獨特的電磁特性與太赫茲波相結(jié)合，在太赫茲透明材料、吸波器、濾波器等功能器件上應(yīng)用廣泛。本文所提出的平面型太赫茲環(huán)偶極子超材料為環(huán)偶極子的后續(xù)研究提供了實驗基礎(chǔ)，為柔性環(huán)偶極子超材料的研究提供了一種新的思路。

3.2 橫向聯(lián)系對空鋼管桁肋系桿拱橋穩(wěn)定性的影響

本文原先小寬跨比下承式空鋼管桁肋系桿拱橋模型的橫向聯(lián)系方式為對應(yīng)拱肋的上、下兩根弦桿分別通過兩排空鋼管平連桿相連.下面研究拱橋橫向聯(lián)系布置對其穩(wěn)定性的影響，即改變弦桿間平連桿的布置，通過以下幾種處于恒載作用下的工況進(jìn)行穩(wěn)定屈曲分析[14]：

工況1：去除拱肋上、下弦桿間的所有平連桿；

通過上文對小寬跨比下承式空鋼管桁肋系桿拱橋穩(wěn)定屈曲的計算，知道該橋的面外剛度較弱，容易發(fā)生面外失穩(wěn).目前，對于此類小寬跨比空鋼管拱橋的研究還比較少，尚沒有形成成熟的理論，因此，本文將探討橋梁的寬跨比、橫向聯(lián)系布置形式、吊桿損傷等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其穩(wěn)定性的影響.

工況3：去除拱肋下弦桿間的所有平連桿；

該礦體是槐樹坪金礦區(qū)主要的礦體之一，嚴(yán)格受F29斷裂控制，沿走向控制長度760m，沿傾向控制最大斜長710m，埋深約0～684m。走向330°～350°，傾向北東，傾角75°～87°，礦體最高金品位達(dá)9.06×10-6，平均品位為4.00×10-6，品位變化系數(shù)為68%，屬均勻型，品位隨傾向和埋深呈低-高-低特征；厚度為0.46～9.11m，平均厚度1.54m，厚度變化系數(shù)為110%，屬較穩(wěn)定型，其變化特征為傾角變陡，厚度變厚，傾角變緩，厚度變薄，沿傾向隨著深度變化礦體呈薄-厚-薄特征；礦體形狀總體呈不規(guī)則狀，多處無礦邊界為港灣狀。

工況4：原實際拱橋模型；

在下承式系桿拱橋中，橋面板的恒載以及后期運(yùn)營時的活載作用都是通過吊桿傳遞到拱肋上的，再由拱肋傳遞到橋臺上的，因此吊桿對于此類橋梁來說至關(guān)重要.本橋模型采用豎直吊桿，雙側(cè)對稱布置，單側(cè)為16根吊桿，全橋32根吊桿共同作用.拱橋經(jīng)常會遇到汽車超載以及應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致吊桿受損的情況，下面通過假設(shè)吊桿不同受損情況分成5種工況來模擬其對拱橋穩(wěn)定屈曲的影響[15]：

那年，她和同事去濟(jì)南檢查安全生產(chǎn)。那是一家部里直管的化工企業(yè)。她記得，雷志雄的表舅，在這家廠里當(dāng)副廠長，估計是表舅出面把雷志雄調(diào)回濟(jì)南的。一打聽，雷志雄是一個分廠的副廠長了。這次到濟(jì)南出差是她爭取的，當(dāng)時安排她去蘭州，她找到主管副總，要求到濟(jì)南。她想念雷鋼和雷紅。

工況6：在原拱橋模型拱肋的上弦桿間增加X撐作用；

本文簡單介紹了基于Mesh架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念和原理，并利用ZigBee，ARM，VC++等技術(shù)研發(fā)構(gòu)建了基于MESH架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對育苗溫室群內(nèi)環(huán)境信息的精確采集、實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程調(diào)控等功能。本文詳細(xì)介紹了基于MESH架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、無線傳輸節(jié)點的元器件選型及開發(fā)原理、總控計算機(jī)的選型、系統(tǒng)管理軟件的設(shè)計思路及開發(fā)原理，并對搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實際運(yùn)行測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成工廠化育苗過程中溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測與自動調(diào)控。

工況7：在原拱橋模型拱肋的上、下弦桿間均加上X撐作用；

從表3以及圖7中不同橫向聯(lián)系下的小寬跨比下承式空鋼管桁肋系桿拱橋的穩(wěn)定計算結(jié)果可以看到在工況1時，結(jié)構(gòu)去除所有平連桿作用，拱橋結(jié)構(gòu)的第一階穩(wěn)定系數(shù)低于規(guī)范上對于一階穩(wěn)定系數(shù)要大于4～5的規(guī)定；在工況2和工況3中分別去除模型的上、下平連桿后，其穩(wěn)定系數(shù)均較原模型來的低，但還是滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定系數(shù)的要求，其中去除上平連桿后穩(wěn)定系數(shù)比去除下平連桿后的穩(wěn)定系數(shù)要低，這表示上弦桿之間平連桿對拱橋的橫向穩(wěn)定作用更明顯；工況6和工況5分別在原模型的上、下弦桿上增加X撐，其穩(wěn)定安全系數(shù)與原模型相比大大提高，而在上弦桿上增加X撐比在下弦桿上增加X撐的穩(wěn)定安全系數(shù)增大更多，這也表明了在上弦桿之間的橫向聯(lián)系對提高拱橋的橫向穩(wěn)定性作用更大；對比工況6和工況7發(fā)現(xiàn)，上下弦桿間全部施加X撐與僅在上弦桿上增加X撐其第一階穩(wěn)定安全系數(shù)相差不大，而是從第二階開始其穩(wěn)定系數(shù)開始相差不斷增大.由于拱橋的穩(wěn)定屈曲主要關(guān)注其第一階的穩(wěn)定安全系數(shù)，所以若要增大拱橋的安全儲備，從實用性和經(jīng)濟(jì)性上來說可以只增加拱肋上弦桿之間的橫向聯(lián)系.

表3 不同橫向聯(lián)系工況下拱橋前10階穩(wěn)定系數(shù)

圖7 不同橫向聯(lián)系工況下拱橋前十階穩(wěn)定系數(shù)對比圖

原拱橋模型的第一階失穩(wěn)模態(tài)為面外對稱，從以上對拱橋模型的橫向聯(lián)系布置情況來看，增加拱肋間的橫向聯(lián)系可以增大拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)，加強(qiáng)拱橋的穩(wěn)定性.但是對于本例空鋼管下承式桁肋系桿拱橋而言，其面外剛度依然偏弱，各工況下的第一階失穩(wěn)模態(tài)均為面外對稱失穩(wěn)，這說明僅通過改善橫向聯(lián)系對拱橋面外剛度的幫助還稍顯不足.

從表2以及圖6可以發(fā)現(xiàn)在原拱橋模型的基礎(chǔ)上，將拱橋結(jié)構(gòu)的寬跨比從1∶28逐漸增大到1∶10，空鋼管下承式桁肋系桿拱橋的各階穩(wěn)定安全系數(shù)不斷減小，結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范上大于4～5的要求，拱橋在不同寬跨比下的第一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)均表現(xiàn)為面外對稱失穩(wěn).從分析結(jié)果上可以判斷，對于本例中橫向聯(lián)系較小的空鋼管桁肋系桿拱橋而言，加大拱橋的寬跨比，使得橋梁拱肋間的平連桿長度增加，減弱了橋梁間的橫向剛度，因此拱橋的橫向穩(wěn)定性也隨之降低.

3.3 吊桿損傷對空鋼管桁肋系桿拱橋穩(wěn)定性的影響

工況5：在原拱橋模型拱肋的下弦桿間增加X撐作用；

工況 1：原空鋼管拱橋模型；

工況2：去除原拱橋模型單側(cè)拱肋1/2處吊桿；

工況3：去除原拱橋模型雙側(cè)拱肋1/2處吊桿；

工況4：去除原拱橋模型單側(cè)拱肋1/4、3/4處吊桿；

工況5：去除原拱橋模型雙側(cè)拱肋1/4、3/4處吊桿；

從表4和圖8中可以看到局部吊桿處于不同損傷工況下時，對拱橋穩(wěn)定安全系數(shù)產(chǎn)生的影響非常微小，拱橋第一階的穩(wěn)定安全系數(shù)最大變化率僅為0.23%，而其在前10階范圍內(nèi)的最大穩(wěn)定安全變化系數(shù)變化率也僅達(dá)到0.27%，可見局部吊桿損傷對該下承式空鋼管桁肋系桿拱橋的穩(wěn)定性影響很小.

表4 不同吊桿損傷工況下拱橋前10階穩(wěn)定系數(shù)

圖8 不同吊桿損傷工況下拱橋前10階穩(wěn)定系數(shù)對比圖

4 結(jié) 語

本文通過對建立的下承式空鋼管桁肋系桿拱橋的ANSYS有限元模型進(jìn)行正常運(yùn)營工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，從穩(wěn)定系數(shù)，失穩(wěn)模態(tài)和屈曲模態(tài)的結(jié)果體現(xiàn)了該橋的面內(nèi)剛度大于面外剛度，容易發(fā)生面外失穩(wěn).在進(jìn)一步分析該拱橋模型在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的穩(wěn)定屈曲模態(tài)時表明，對本文中的下承式空鋼管系桿拱橋而言，僅增大拱橋的寬跨比，會相當(dāng)于加大了拱肋間平連桿的長度而使得拱橋的橫向剛度減小，橫向穩(wěn)定性減弱；加強(qiáng)拱肋弦桿間的橫向聯(lián)系可以較大程度的提高拱橋整體穩(wěn)定性，特別是上弦桿間的橫向聯(lián)系的效果顯著；局部吊桿損傷對拱橋的穩(wěn)定性影響較小，而單側(cè)吊桿受損與雙側(cè)對稱吊桿受損相比影響更大.