懸鏈線空腹式雙曲拱橋空間效應深度剖析與工程應用研究一、引言1.1研究背景與意義雙曲拱橋作為一種獨具特色的橋梁結構形式，自上世紀60年代于江蘇省無錫縣首創(chuàng)以來，因其具備結構新穎、造型美觀、材料節(jié)省、施工便捷等顯著優(yōu)勢，迅速在全國范圍內(nèi)得到廣泛應用與推廣。在那個基礎設施建設蓬勃發(fā)展的時期，雙曲拱橋以其特有的技術經(jīng)濟性能，為我國的交通事業(yè)做出了重要貢獻，成為了當時橋梁建設領域的重要橋型之一。眾多雙曲拱橋橫跨江河、山谷，連接起了不同的地區(qū)，極大地促進了區(qū)域間的經(jīng)濟交流與發(fā)展。隨著時間的推移，這些早期建設的雙曲拱橋，尤其是懸鏈線空腹式雙曲拱橋，普遍面臨著一系列嚴峻的問題。由于建造年代久遠，當初的設計荷載等級相對較低，難以適應如今日益增長的交通流量以及不斷增大的車輛載重。在長期的大交通量和超設計荷載的持續(xù)作用下，許多懸鏈線空腹式雙曲拱橋出現(xiàn)了不同程度的損壞。例如，部分橋梁的主拱圈出現(xiàn)裂縫，這嚴重影響了拱圈的整體性和承載能力；拱肋混凝土脫落、鋼筋外露銹蝕，導致結構的耐久性下降；拱上建筑的損壞也較為常見，如腹拱破壞、側墻開裂等，這些病害不僅降低了橋梁的美觀度，更對橋梁的安全運營構成了嚴重威脅。據(jù)相關資料統(tǒng)計，我國現(xiàn)存的雙曲拱橋中，相當一部分都存在不同程度的病害，急需進行維修加固。在這樣的背景下，對懸鏈線空腹式雙曲拱橋進行承載力評定變得至關重要。準確評估橋梁的承載能力，是判斷橋梁能否繼續(xù)安全使用的關鍵依據(jù)，也是制定科學合理的養(yǎng)護維修和加固改造方案的前提。而在進行承載力評定的過程中，空間效應分析發(fā)揮著不可或缺的作用。懸鏈線空腹式雙曲拱橋是一種復雜的空間結構，其受力特性受到多種因素的綜合影響，如拱肋、拱波、拱板之間的協(xié)同工作，橫向聯(lián)系的作用，以及拱上建筑與主拱圈的相互作用等。傳統(tǒng)的平面分析方法往往難以全面、準確地反映橋梁的實際受力狀態(tài)，而空間效應分析能夠充分考慮這些復雜因素，從空間的角度對橋梁結構進行深入剖析，從而更真實地揭示橋梁的力學行為和工作性能。通過對懸鏈線空腹式雙曲拱橋進行空間效應分析，可以精確地掌握橋梁在各種荷載作用下的應力分布和變形規(guī)律，找出結構的薄弱部位和潛在風險點。這不僅為橋梁的養(yǎng)護維修提供了精準的指導，有助于針對性地采取維修措施，提高維修效果和效率，降低維修成本；還能為加固改造方案的設計提供堅實的理論依據(jù)，確保加固后的橋梁能夠滿足現(xiàn)代交通的需求，保障橋梁的安全運營，延長橋梁的使用壽命，具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在橋梁工程領域，對于懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應分析，國內(nèi)外學者從理論、方法和技術應用等多方面展開了研究，取得了一系列成果。國外在拱橋結構力學理論方面起步較早，早期主要基于經(jīng)典力學理論對拱橋進行研究，為拱橋的分析奠定了基礎。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元方法在橋梁結構分析中得到廣泛應用，國外學者利用有限元軟件對各類拱橋結構進行模擬分析，研究其在不同荷載工況下的力學行為，其中也涉及到雙曲拱橋的相關研究。例如，在一些關于復雜橋梁結構體系受力特性的研究中，對拱上建筑與主拱圈相互作用的空間力學模型進行了探討，從理論層面深入分析了二者協(xié)同工作的力學機制。國內(nèi)對于懸鏈線空腹式雙曲拱橋的研究與我國雙曲拱橋的發(fā)展緊密相關。在雙曲拱橋大量建設的時期，我國學者對其設計理論和施工方法進行了深入研究，積累了豐富的經(jīng)驗。針對雙曲拱橋空間效應分析，國內(nèi)學者做了諸多工作。在理論研究方面，深入探討了雙曲拱橋的內(nèi)力計算理論，考慮了拱上建筑聯(lián)合作用、連拱效應等復雜因素對橋梁結構內(nèi)力的影響。在方法研究上，采用梁格法、有限元法等建立雙曲拱橋的空間計算模型，分析其空間受力特性。例如，通過梁格法將主拱圈用縱向曲梁和橫梁模擬，研究在不同矢跨比、腹拱矢跨比等條件下，腹拱剛度、立柱剛度以及拱圈截面縱橋向位置對聯(lián)合作用的影響。在技術應用方面，利用先進的檢測技術，如無損檢測技術對橋梁結構的內(nèi)部缺陷和損傷進行檢測，結合有限元分析結果，更加準確地評估橋梁的實際受力狀態(tài)和承載能力。然而，目前的研究仍存在一些不足與空白。雖然有限元方法得到廣泛應用，但在模型的精細化程度上還有提升空間，例如對于拱肋、拱波、拱板之間復雜的連接關系以及材料非線性特性的模擬還不夠精準，這可能導致計算結果與實際情況存在一定偏差。在考慮環(huán)境因素對橋梁空間效應的影響方面，研究還相對較少。橋梁長期暴露在自然環(huán)境中，溫度變化、濕度作用、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境因素會對橋梁結構材料性能產(chǎn)生劣化作用，進而影響其空間受力性能，但目前相關研究還未能系統(tǒng)地將這些環(huán)境因素納入到空間效應分析體系中。對于多跨懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應分析，尤其是考慮各跨之間相互影響的研究還不夠深入，難以全面揭示多跨拱橋的整體力學行為。在實際工程應用中，如何將復雜的空間效應分析結果轉(zhuǎn)化為便于工程技術人員理解和應用的設計、加固指導依據(jù)，也是亟待解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應，涵蓋多方面關鍵內(nèi)容。在空間效應影響因素剖析上，著重研究拱肋、拱波、拱板協(xié)同工作機制。通過理論分析與數(shù)值模擬，深入探究三者在荷載作用下的應力傳遞、變形協(xié)調(diào)關系，明確各部件對整體結構空間受力的貢獻。對橫向聯(lián)系作用進行研究，分析不同橫向聯(lián)系形式、間距及剛度條件下，橋梁橫向整體性、荷載分布均勻性的變化規(guī)律，揭示橫向聯(lián)系在抑制結構橫向位移、增強空間穩(wěn)定性方面的作用。考慮拱上建筑與主拱圈相互作用，研究腹拱、立柱、橫墻等結構與主拱圈的協(xié)同工作模式，分析不同拱上建筑布置形式、結構參數(shù)對主拱圈受力和變形的影響。在分析方法上，采用有限元分析方法，運用ANSYS、MIDAS等專業(yè)有限元軟件，建立精細化三維有限元模型。對拱肋、拱波、拱板等結構采用實體單元或殼單元模擬，準確考慮材料非線性、幾何非線性因素。通過施加多種荷載工況，如恒載、汽車活載、人群荷載、溫度荷載等，計算橋梁結構的應力、應變和位移，全面評估空間受力性能。進行理論推導，基于結構力學、彈性力學等理論，推導懸鏈線空腹式雙曲拱橋空間效應簡化計算方法。建立考慮各因素影響的力學模型，推導內(nèi)力、位移計算公式，為工程設計和初步分析提供理論依據(jù)。開展模型試驗研究，制作縮尺模型，模擬實際橋梁結構和受力狀態(tài)。通過應變片、位移計等傳感器測量模型在不同荷載作用下的應變和位移，驗證有限元分析結果和理論推導公式的準確性。為進一步驗證研究成果的可靠性和實用性，本研究選取典型懸鏈線空腹式雙曲拱橋工程案例，如某建于20世紀70年代的三跨雙曲拱橋，該橋主拱圈為懸鏈線，矢跨比為1/8，拱上建筑為空腹式，具有一定代表性。對其進行詳細現(xiàn)場檢測，包括外觀病害檢查、材料強度測試、幾何尺寸測量等，獲取橋梁實際狀況數(shù)據(jù)?；跈z測數(shù)據(jù)建立有限元模型，分析空間效應，評估承載能力，提出針對性加固建議，并跟蹤加固效果，驗證研究成果在實際工程中的應用價值。二、懸鏈線空腹式雙曲拱橋概述2.1結構特點與構造組成懸鏈線空腹式雙曲拱橋作為一種獨特的橋梁結構形式，其構造組成涵蓋多個關鍵部分，各部分相互協(xié)作，共同承擔橋梁的荷載作用，展現(xiàn)出獨特的受力特點與優(yōu)勢。主拱圈是懸鏈線空腹式雙曲拱橋的核心承重結構，其外形在縱橫兩個方向均呈弧形曲線，這也是雙曲拱橋名稱的由來。主拱圈一般由拱肋、拱波、拱板和橫向聯(lián)系構件等部分構成。拱肋在施工階段充當拱架，同時也是主拱圈的主要受力部件。其常用的截面形式豐富多樣，包括矩形、倒T形、槽形以及工字形等。不同的截面形式具有各自的特點，矩形截面構造簡單、施工方便；倒T形截面在一定程度上能提高截面的抗彎能力；槽形截面可有效減輕結構自重，提高材料利用率；工字形截面則在抗彎和抗剪方面表現(xiàn)較為出色。在實際工程中，會根據(jù)橋梁的跨度、荷載等具體情況選擇合適的拱肋截面形式。拱波通常采用混凝土預制，呈圓弧形，部分情況下，為節(jié)約材料，也會采用磚砌或石砌拱波。拱波不僅是主拱圈承受荷載的組成部分，在施工過程中還充當澆注拱板混凝土的模板。拱板多采用現(xiàn)澆混凝土，它將拱肋和拱波連接成一個整體，極大地增強了拱圈的整體性。早期的雙曲拱橋曾采用填平式拱板，但由于其存在體積大、主拱圈截面厚薄不均、剛度差異大以及波頂易開裂等問題，逐漸被波型或折線型拱板所取代。波型或折線型拱板不僅能節(jié)省材料、減輕自重，還能使主拱圈截面剛度更加均勻，截面形心更接近中部，受力更為合理。橫向聯(lián)系構件對于保證主拱圈的整體性至關重要。在無支架施工時，它能夠提高裸拱肋的橫向穩(wěn)定性，承受砌筑拱波和拱板時產(chǎn)生的橫向水平推力。在主拱圈形成后，橫向聯(lián)系構件可增強截面的橫向剛度，使主拱圈在活載作用下受力更加均勻，避免拱波頂出現(xiàn)縱向裂縫。常見的橫向聯(lián)系結構形式有橫系梁和橫隔板，一般布置在拱頂、腹拱墩下方以及分段吊裝的拱肋接頭處等關鍵部位。拱上建筑位于主拱圈之上，其作用是構成平緩的橋面，并在一定程度上與主拱圈共同承受活載。懸鏈線空腹式雙曲拱橋多采用空腹式拱上建筑，這種形式可有效減輕結構自重，降低地基的承載壓力。空腹式拱上建筑一般由腹拱、橫墻或立柱、底梁與蓋梁、拱上填料、橋面、側墻等部分組成。腹孔常采用等截面圓弧形混凝土板拱，施工時既可以按全厚度預制后安裝，也可以先預制6-8cm厚的板拱，安裝后再現(xiàn)澆一層混凝土。此外，腹拱還可以采用等截面圓弧形雙曲拱或薄殼的形式，對于無填料的拱上建筑，為減輕自重，也會采用梁板式腹孔。橫墻或立柱是腹拱墩的常見形式，橫墻施工簡便、節(jié)省鋼材，適用于基礎條件較好且河流有漂浮物的情況。為節(jié)約圬工，橫墻還可以在橫向挖空。當?shù)鼗^差時，為減輕自重，腹拱墩多采用立柱。底梁的作用是傳遞橫墻和立柱的荷載，并將其較均勻地分布到拱圈上，同時便于橫墻砌筑和立柱安裝。當腹拱墩采用立柱時，立柱上需設置蓋梁，一般采用整根預制的鋼筋混凝土連續(xù)梁。拱上填料鋪設在主拱圈拱頂和腹拱拱頂上，能夠減輕車輛行駛時的沖擊，起到分散荷載的作用。常用的填料有沙礫、爐渣等，在軟土地基上采用輕型拱上建筑時，可不設填料，直接在拱圈上鋪設混凝土橋面，但行車道邊緣的厚度不得小于8cm。橋墩和橋臺是橋梁的下部結構，承擔著支撐橋跨結構荷載并將其傳遞至地基的重要任務。橋墩作為多跨橋梁中兩相鄰橋跨之間的支撐結構，需具備足夠的強度和穩(wěn)定性，以承受上部結構傳來的豎向力、水平力以及地震力等各種荷載。橋臺則位于橋梁兩端，一端與路堤相接，防止路堤滑塌，另一端支撐橋跨結構的端部，同樣要滿足強度、穩(wěn)定性和耐久性的要求?；A是橋墩和橋臺的根基，其設計與施工質(zhì)量直接關系到橋梁的整體穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，基礎可采用擴大基礎、樁基礎、沉井基礎等多種形式。例如，在地基承載力較高、土層較均勻的情況下，可采用擴大基礎；當?shù)鼗浫酢⒊休d能力不足時，樁基礎則是較為常用的選擇；而對于大型橋梁或地質(zhì)條件復雜的情況，沉井基礎可能更為合適。懸鏈線空腹式雙曲拱橋的結構受力特點顯著。在豎向荷載作用下，主拱圈主要承受壓力，由于拱的曲線形狀，使得拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力，從而大大減小了拱圈的截面彎矩，使之成為偏心受壓構件。與受彎梁的應力分布相比，主拱圈截面上的應力分布更為均勻，能夠充分發(fā)揮主拱截面材料的強度，提高橋梁的跨越能力。拱上建筑與主拱圈之間存在著協(xié)同工作的關系。拱上建筑在一定程度上參與主拱圈的受力，能夠提高主拱圈的承載能力，但同時也對主拱圈的變形產(chǎn)生約束作用，在主拱圈和拱上建筑內(nèi)均會產(chǎn)生附加內(nèi)力，使得結構受力變得更加復雜。橫向聯(lián)系在保證主拱圈的整體性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關鍵作用。通過有效的橫向聯(lián)系，能夠增強主拱圈的橫向剛度，使荷載在主拱圈橫截面上分布更加均勻，避免因荷載分布不均導致結構局部受力過大而產(chǎn)生破壞。懸鏈線空腹式雙曲拱橋在結構上具有獨特的構造組成和受力特點，各部分相互配合，共同實現(xiàn)了橋梁的承載功能。這種橋型在充分發(fā)揮材料性能、提高跨越能力以及適應不同地質(zhì)條件等方面具有一定的優(yōu)勢，在我國橋梁建設史上留下了濃墨重彩的一筆。然而，隨著時間的推移和交通需求的變化，也面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要對其進行深入研究和合理維護加固。2.2力學性能與工作原理在懸鏈線空腹式雙曲拱橋中，力學性能和工作原理與結構各部分的協(xié)同作用密切相關，其在不同荷載工況下展現(xiàn)出獨特的傳力路徑和受力特點。在自重作用下，主拱圈作為主要承重結構，承受著來自自身以及拱上建筑的重力荷載。主拱圈的拱肋由于其較大的截面尺寸和良好的抗壓性能，承擔了大部分的豎向荷載，并將其轉(zhuǎn)化為軸向壓力。拱波在這一過程中，與拱肋協(xié)同工作，通過與拱肋的連接，將自身所受的部分荷載傳遞給拱肋。拱板則進一步將拱肋和拱波連接成一個整體，增強了主拱圈的整體性，使得荷載能夠更加均勻地分布在主拱圈截面上。例如，在一座典型的雙曲拱橋中，自重作用下，拱肋承擔了約60%-70%的豎向荷載，拱波承擔了20%-30%，拱板則在協(xié)調(diào)二者變形、保證整體受力方面發(fā)揮關鍵作用。荷載通過主拱圈傳遞到橋墩和橋臺，再由橋墩和橋臺將荷載傳遞至地基。橋墩主要承受豎向壓力和水平推力，橋臺除了承受豎向力和水平力外，還需抵抗來自路堤的土壓力。當受到活載作用時，情況變得更為復雜。以汽車荷載為例，車輛行駛在橋面上，荷載首先通過橋面鋪裝傳遞到拱上建筑。對于空腹式拱上建筑，腹拱、立柱等結構參與荷載傳遞。腹拱將部分荷載傳遞給立柱，立柱再將荷載傳遞到主拱圈。主拱圈在承受來自拱上建筑傳遞的活載時，由于其拱的形狀特點，會產(chǎn)生水平推力。水平推力的大小與拱的矢跨比、活載的大小和分布等因素有關。一般來說，矢跨比越小，水平推力越大。在多車道車輛荷載作用下，還需考慮荷載的橫向分布。由于雙曲拱橋存在橫向聯(lián)系，使得荷載能夠在各拱肋之間進行分配。通過橫向聯(lián)系的作用，各拱肋能夠協(xié)同工作，共同承受活載。例如，在一座三車道的雙曲拱橋中，當車輛荷載作用于一側車道時，通過橫向聯(lián)系，另一側的拱肋也能承擔部分荷載，從而保證了橋梁的整體穩(wěn)定性。拱上建筑聯(lián)合作用對結構受力有著顯著影響。拱上建筑與主拱圈之間存在著復雜的相互作用關系。一方面，拱上建筑在一定程度上參與主拱圈的受力，能夠提高主拱圈的承載能力。腹拱和立柱與主拱圈形成一個協(xié)同工作的體系，在荷載作用下，它們之間會產(chǎn)生內(nèi)力重分布。腹拱能夠分擔主拱圈的部分荷載，減小主拱圈的內(nèi)力峰值。另一方面，拱上建筑對主拱圈的變形產(chǎn)生約束作用，在主拱圈和拱上建筑內(nèi)均會產(chǎn)生附加內(nèi)力。當主拱圈在荷載作用下發(fā)生變形時，拱上建筑由于其自身的剛度，會限制主拱圈的變形，從而在二者之間產(chǎn)生附加的拉力或壓力。這種附加內(nèi)力的大小與拱上建筑的剛度、主拱圈的變形程度等因素有關。研究表明，考慮拱上建筑聯(lián)合作用時，主拱圈的內(nèi)力分布更加均勻，但其總內(nèi)力可能會有所增加。在進行結構設計和分析時，必須充分考慮拱上建筑聯(lián)合作用的影響，以確保橋梁結構的安全和可靠。三、空間效應分析理論基礎3.1有限單元法基本原理有限單元法作為一種廣泛應用于工程領域的數(shù)值分析方法，在懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應分析中具有重要的地位和作用。其基本原理是將原本連續(xù)的結構離散化為有限個單元，這些單元通過節(jié)點相互連接，從而形成一個離散化的計算模型。在有限單元法中，連續(xù)體離散化是其核心步驟之一。以懸鏈線空腹式雙曲拱橋為例，在對其進行離散化時，會根據(jù)結構的特點和分析精度的要求，將主拱圈、拱上建筑、橋墩、橋臺等結構劃分為不同類型的單元。對于主拱圈，由于其受力復雜，通常采用實體單元或殼單元進行模擬。實體單元能夠較為準確地反映主拱圈在三維空間中的受力狀態(tài)，考慮到結構的各個方向的應力和應變。殼單元則適用于模擬主拱圈這種具有一定厚度的薄壁結構，在保證計算精度的同時，能夠有效地減少計算量。拱上建筑中的腹拱、立柱等構件，根據(jù)其受力特點，可采用梁單元進行模擬。梁單元主要承受軸向力、彎矩和剪力，能夠較好地反映腹拱和立柱在這些力作用下的力學行為。橋墩和橋臺一般采用實體單元或梁單元模擬，具體選擇取決于結構的復雜程度和分析要求。在劃分單元時，需要合理確定單元的大小和形狀。在結構應力變化較大的區(qū)域，如拱腳、腹拱墩與主拱圈的連接處等，應適當減小單元尺寸，增加單元數(shù)量，以提高計算精度，準確捕捉這些部位的應力集中現(xiàn)象。而在結構應力變化較為平緩的區(qū)域，可以適當增大單元尺寸，減少單元數(shù)量，從而提高計算效率，降低計算成本。在完成結構離散化后，需要對每個單元進行力學分析。有限單元法基于彈性力學的基本原理，假設單元內(nèi)的位移模式是連續(xù)且可微的。對于梁單元，通常采用線性位移模式，即單元內(nèi)的位移沿長度方向呈線性變化。通過建立單元的位移函數(shù)，利用幾何方程和物理方程，可以推導出單元的剛度矩陣。剛度矩陣反映了單元在節(jié)點力作用下的變形特性，它是一個方陣，其元素與單元的材料性質(zhì)、幾何形狀和尺寸等因素有關。對于實體單元和殼單元，位移模式的選擇更為復雜，需要考慮更多的因素，如單元的形狀、節(jié)點數(shù)量等。常用的位移模式有線性位移模式、二次位移模式等。以線性位移模式為例，它假設單元內(nèi)的位移在各個方向上都是線性變化的，通過對位移函數(shù)進行求導，可以得到單元的應變和應力。根據(jù)虛功原理或最小勢能原理，建立單元的平衡方程，即節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系。將所有單元的平衡方程進行組裝，就可以得到整個結構的平衡方程組。這個方程組通常是一個大型的線性代數(shù)方程組，其未知數(shù)是結構的節(jié)點位移。通過求解這個方程組，可以得到結構在各種荷載作用下的節(jié)點位移。在求解過程中，需要考慮邊界條件的影響。對于懸鏈線空腹式雙曲拱橋，橋墩和橋臺與地基的連接部位通常為固定約束，即這些節(jié)點的位移為零。在組裝平衡方程組時，需要將這些約束條件代入方程組中，以保證方程組的可解性。得到節(jié)點位移后，根據(jù)單元的位移模式和幾何方程，可以計算出單元的應變。再利用物理方程，即材料的本構關系，將應變轉(zhuǎn)換為應力，從而得到結構各部分的應力分布情況。有限單元法能夠?qū)碗s的懸鏈線空腹式雙曲拱橋結構離散化為簡單的單元進行分析，通過建立單元的力學模型和求解結構的平衡方程組，能夠準確地計算出結構在各種荷載作用下的應力和變形。與傳統(tǒng)的解析方法相比，有限單元法具有更強的適應性和靈活性，能夠處理各種復雜的邊界條件和荷載工況，為懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應分析提供了有力的工具。3.2雙曲拱橋空間模型建立方法在對懸鏈線空腹式雙曲拱橋進行空間效應分析時，建立準確合理的空間模型是關鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的建模方法主要有梁格法、實體單元法等，每種方法都有其獨特的原理、特點及適用場景。梁格法是一種將復雜的空間結構簡化為梁格體系進行分析的方法。在懸鏈線空腹式雙曲拱橋建模中，其原理是將主拱圈用縱向曲梁來模擬，縱向曲梁的數(shù)量根據(jù)拱圈的構造和分析精度要求確定。通常，對于多肋雙曲拱橋，可將每根拱肋及其相連的部分拱板等效為一根縱向曲梁。這些縱向曲梁之間通過橫梁連接，橫梁用于模擬拱圈的橫向聯(lián)系，其間距和剛度根據(jù)實際結構中橫向聯(lián)系的布置和剛度進行等效。對于拱上建筑，腹拱可簡化為梁單元，通過節(jié)點與主拱圈的縱向曲梁相連；立柱同樣用梁單元模擬，其上下端分別與腹拱和主拱圈的相應節(jié)點連接。梁格法的優(yōu)點在于計算效率較高，由于將復雜結構簡化為梁單元的組合，大大減少了計算自由度，從而能夠快速得到分析結果。在初步設計階段或?qū)Y構受力進行大致評估時，梁格法能夠快速提供結構的內(nèi)力和變形的大致分布情況，為設計人員提供參考。梁格法也存在一定的局限性，它對結構的簡化使得一些局部細節(jié)和復雜的受力情況難以準確模擬。對于拱肋與拱波、拱板之間的復雜連接部位，以及應力集中區(qū)域的模擬不夠精確，可能導致計算結果與實際情況存在一定偏差。梁格法適用于對結構整體受力性能的初步分析，以及對計算效率要求較高、對局部細節(jié)精度要求相對較低的情況。例如，在對一座多跨懸鏈線空腹式雙曲拱橋進行方案比選時，可采用梁格法快速分析不同方案下橋梁的整體受力，篩選出較優(yōu)方案。實體單元法是利用實體單元對橋梁結構進行全面模擬的方法。在建立懸鏈線空腹式雙曲拱橋模型時，將主拱圈、拱上建筑（包括腹拱、立柱、橫墻等）、橋墩和橋臺等結構全部用實體單元進行建模。對于主拱圈，采用合適的實體單元類型，如八節(jié)點六面體單元或四面體單元，能夠精確地模擬其復雜的幾何形狀和空間受力狀態(tài)。通過合理劃分網(wǎng)格，在結構受力復雜和應力變化較大的部位，如拱腳、腹拱與主拱圈連接處等，加密網(wǎng)格，以提高計算精度，準確捕捉這些部位的應力集中現(xiàn)象。在拱腳處，由于承受較大的壓力和彎矩，通過加密實體單元網(wǎng)格，可以更準確地計算此處的應力分布。實體單元法的顯著優(yōu)勢在于能夠非常精確地模擬結構的空間受力特性，考慮到結構的各個方向的應力和應變，以及結構的幾何非線性和材料非線性。它能夠真實地反映結構在復雜荷載作用下的力學行為，計算結果更加接近實際情況。然而，實體單元法也存在計算量巨大的缺點。由于需要劃分大量的實體單元，導致模型的自由度增多，計算時間長，對計算機的硬件性能要求較高。在分析一座大型懸鏈線空腹式雙曲拱橋時，采用實體單元法建立模型，可能需要較長的計算時間，并且對計算機的內(nèi)存和處理器性能有較高要求。實體單元法適用于對結構局部受力性能要求較高、需要精確分析結構復雜受力情況的研究，以及對橋梁結構進行詳細的承載能力評估和加固設計等情況。例如，在對一座出現(xiàn)病害的雙曲拱橋進行加固設計時，為了準確評估結構的剩余承載能力和確定合理的加固方案，采用實體單元法建立精細模型進行分析。除了梁格法和實體單元法，還有其他一些建模方法也在雙曲拱橋空間模型建立中有所應用。空間梁單元法，它采用空間梁單元模擬主拱圈、腹拱、立柱等構件，能夠考慮結構在空間的受力和變形，但對于一些復雜的結構細節(jié)和空間效應的模擬能力相對有限。板殼單元法，將主拱圈等結構用板殼單元模擬，適用于模擬具有薄壁結構特征的部分，但對于整體結構的空間模擬可能不夠全面。每種建模方法都有其優(yōu)缺點和適用范圍，在實際工程應用中，需要根據(jù)具體的研究目的、分析精度要求、計算資源等因素，綜合考慮選擇合適的建模方法。在對懸鏈線空腹式雙曲拱橋進行空間效應分析時，有時也會將多種建模方法結合使用，取長補短，以獲得更準確、全面的分析結果。3.3空間效應分析的關鍵參數(shù)與指標在懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應分析中，明確關鍵參數(shù)與指標對于準確評估橋梁結構的性能至關重要。這些參數(shù)和指標不僅能夠反映橋梁在不同工況下的受力狀態(tài)和變形情況，還能為橋梁的設計、施工、維護以及加固提供科學依據(jù)。矢跨比是影響懸鏈線空腹式雙曲拱橋空間效應的重要參數(shù)之一。它是指拱橋的計算矢高與計算跨徑之比，矢跨比的大小直接影響著拱的受力特性。當矢跨比較小時，拱的水平推力較大，拱圈主要承受壓力，彎矩相對較小，結構的整體穩(wěn)定性較好，但對基礎的承載能力要求較高。在一些矢跨比為1/10的雙曲拱橋中，拱腳處的水平推力較大，對基礎的抗滑和承載能力提出了更高的要求。而矢跨比較大時，拱的水平推力較小，拱圈的彎矩相對增大，結構的跨越能力相對較弱，但在相同荷載作用下，拱圈的軸向壓力會減小。例如，矢跨比為1/5的雙曲拱橋，雖然跨越能力可能不如矢跨比小的拱橋，但在一些對水平推力限制較大的場地條件下，具有一定的適用性。不同矢跨比下，橋梁在恒載、活載作用下的內(nèi)力分布和變形規(guī)律會發(fā)生顯著變化。隨著矢跨比的增大，拱頂?shù)恼龔澗刂饾u增大，拱腳的負彎矩和水平推力逐漸減小。在設計和分析雙曲拱橋時，需要根據(jù)工程實際情況，合理選擇矢跨比，以優(yōu)化結構的受力性能。拱軸系數(shù)也是一個關鍵參數(shù)。它反映了拱軸線的形狀，不同的拱軸系數(shù)對應著不同的拱軸線方程。在懸鏈線空腹式雙曲拱橋中，常用的拱軸系數(shù)范圍為1.347-2.814。拱軸系數(shù)的選擇對拱圈的內(nèi)力分布有重要影響。當拱軸系數(shù)較小時，拱軸線更接近拋物線，拱圈在恒載作用下的壓力線與拱軸線較為接近，拱圈主要承受壓力，內(nèi)力分布較為均勻。而拱軸系數(shù)較大時，拱軸線的曲率變化更為復雜，在活載作用下，拱圈的某些部位可能會出現(xiàn)較大的彎矩和應力集中現(xiàn)象。例如，在某雙曲拱橋中，采用拱軸系數(shù)為1.543時，在汽車荷載作用下，拱腳處的應力分布相對均勻；當拱軸系數(shù)增大到2.24時，拱腳處出現(xiàn)了明顯的應力集中，局部應力顯著增大。合理確定拱軸系數(shù)，能夠使拱圈在各種荷載工況下的受力更加合理，提高結構的承載能力和安全性。橫向聯(lián)系剛度對雙曲拱橋的空間效應有著顯著影響。橫向聯(lián)系主要包括橫系梁和橫隔板等，其剛度大小決定了橋梁的橫向整體性和荷載分布能力。當橫向聯(lián)系剛度較大時，能夠有效地約束各拱肋的橫向位移，使荷載在各拱肋之間分布更加均勻，提高橋梁的橫向穩(wěn)定性。在一座多肋雙曲拱橋中，通過增加橫向聯(lián)系的剛度，各拱肋在活載作用下的應力差值明顯減小，說明荷載分布更加均勻。相反，橫向聯(lián)系剛度不足，在活載作用下，各拱肋之間的協(xié)同工作能力減弱，容易出現(xiàn)荷載偏載現(xiàn)象，導致部分拱肋受力過大，影響橋梁的正常使用和耐久性。某雙曲拱橋由于橫向聯(lián)系剛度較弱，在長期交通荷載作用下，出現(xiàn)了部分拱肋開裂的病害。在設計和加固雙曲拱橋時，需要根據(jù)橋梁的結構形式、跨徑、荷載等因素，合理設計橫向聯(lián)系的剛度，確保橋梁的橫向穩(wěn)定性和整體性能。在評估懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應時，應力、應變和位移是重要的指標。應力指標能夠反映橋梁結構在荷載作用下的受力強度。通過分析主拱圈、拱上建筑等部位的應力分布情況，可以判斷結構是否處于安全的受力狀態(tài)。在拱腳等關鍵部位，應力集中現(xiàn)象較為明顯，需要重點關注其應力大小和分布規(guī)律。如果拱腳處的最大主壓應力超過了材料的抗壓強度設計值，可能會導致結構局部破壞。應變指標則可以反映結構的變形程度。通過測量主拱圈、腹拱等構件的應變，可以了解結構在荷載作用下的變形情況，判斷結構是否滿足正常使用要求。在荷載試驗中，通常會在關鍵部位布置應變片，測量結構在不同荷載等級下的應變值。位移指標也是評估空間效應的重要依據(jù)。包括豎向位移、橫向位移和縱向位移等。豎向位移反映了橋梁在豎向荷載作用下的變形情況，過大的豎向位移可能會影響行車的舒適性和安全性。橫向位移則與橋梁的橫向穩(wěn)定性密切相關，橫向位移過大可能導致橋梁發(fā)生橫向失穩(wěn)。縱向位移在溫度變化、混凝土收縮徐變等因素作用下會發(fā)生變化，需要對其進行監(jiān)測和分析。通過對這些位移指標的監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)橋梁結構的潛在問題，采取相應的措施進行處理。四、空間效應影響因素分析4.1結構參數(shù)對空間效應的影響4.1.1矢跨比的影響矢跨比作為懸鏈線空腹式雙曲拱橋的關鍵結構參數(shù)之一，對其空間效應有著顯著的影響。為深入探究矢跨比變化對拱橋受力性能和空間效應的影響規(guī)律，本研究借助數(shù)值模擬和理論分析兩種手段展開研究。在數(shù)值模擬方面，運用有限元軟件建立了多組不同矢跨比的懸鏈線空腹式雙曲拱橋模型。模型中，主拱圈采用實體單元模擬，以精確反映其復雜的空間受力特性。拱上建筑中的腹拱、立柱等構件采用梁單元模擬，通過合理設置節(jié)點連接方式，確保各構件之間的協(xié)同工作。在模型建立過程中，嚴格控制其他參數(shù)保持一致，僅改變矢跨比的值。分別建立了矢跨比為1/5、1/6、1/7、1/8、1/9的模型。對這些模型施加多種荷載工況，包括恒載、汽車活載、人群荷載以及溫度荷載等。在恒載作用下，分析不同矢跨比模型的主拱圈內(nèi)力分布情況。結果表明，隨著矢跨比的減小，主拱圈的軸向壓力逐漸增大，拱頂?shù)恼龔澗刂饾u減小，拱腳的負彎矩和水平推力逐漸增大。當矢跨比從1/5減小到1/9時，拱腳的水平推力增大了約30%。在汽車活載作用下，矢跨比的變化對主拱圈的應力分布和變形也產(chǎn)生了明顯影響。較小矢跨比的拱橋，在活載作用下，拱頂和拱腳等部位的應力集中現(xiàn)象更為明顯，結構的變形也相對較大。通過數(shù)值模擬，直觀地展現(xiàn)了矢跨比變化對拱橋在不同荷載工況下受力性能的影響。從理論分析角度來看，根據(jù)結構力學和彈性力學的基本原理，對矢跨比與拱橋受力性能之間的關系進行推導。對于懸鏈線空腹式雙曲拱橋，在豎向荷載作用下，拱的水平推力計算公式為H=\frac{qL^2}{8f}，其中H為水平推力，q為豎向均布荷載集度，L為計算跨徑，f為計算矢高。由此公式可以清晰地看出，矢跨比f/L越小，水平推力H越大。水平推力的增大，會導致主拱圈的軸向壓力增大，從而影響主拱圈的受力狀態(tài)。矢跨比還會影響拱圈的彎矩分布。在均布荷載作用下，拱頂?shù)膹澗嘏c矢跨比成反比，拱腳的彎矩與矢跨比成正比。當矢跨比減小時，拱頂?shù)恼龔澗販p小，拱腳的負彎矩增大。這種彎矩分布的變化，會使主拱圈的受力更加不均勻，對結構的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在實際工程中，矢跨比的選擇需要綜合考慮多方面因素。當橋梁跨越的河流寬度較大，且地質(zhì)條件較好，能夠承受較大的水平推力時，可以選擇較小的矢跨比，以充分發(fā)揮拱橋的跨越能力，降低工程造價。一些大跨徑的懸鏈線空腹式雙曲拱橋，矢跨比通常選擇在1/8-1/10之間。相反，如果地質(zhì)條件較差，或者對橋梁的變形要求較高，則應選擇較大的矢跨比，以減小水平推力，提高結構的穩(wěn)定性和變形性能。在一些城市橋梁中，為了滿足城市景觀和交通舒適性的要求，矢跨比可能會選擇在1/5-1/7之間。4.1.2拱軸系數(shù)的影響拱軸系數(shù)是懸鏈線空腹式雙曲拱橋設計中的重要參數(shù)，它與拱圈內(nèi)力分布、結構穩(wěn)定性之間存在著密切的關系，對橋梁的空間效應有著不可忽視的影響。從理論層面深入分析，拱軸系數(shù)決定了拱軸線的形狀。在懸鏈線空腹式雙曲拱橋中，常用的拱軸系數(shù)范圍為1.347-2.814。不同的拱軸系數(shù)對應著不同的拱軸線方程，進而影響拱圈在荷載作用下的受力性能。當拱軸系數(shù)較小時，拱軸線更接近拋物線，在恒載作用下，拱圈的壓力線與拱軸線較為接近，拱圈主要承受壓力，內(nèi)力分布相對較為均勻。這是因為較小的拱軸系數(shù)使得拱圈的曲率變化較為平緩，荷載作用下產(chǎn)生的彎矩相對較小，能夠充分發(fā)揮材料的抗壓性能。例如，在某雙曲拱橋的設計中，當拱軸系數(shù)為1.543時，恒載作用下拱圈各截面的應力分布較為均勻，拱頂和拱腳的應力差值較小。而當拱軸系數(shù)增大時，拱軸線的曲率變化更為復雜，在活載作用下，拱圈的某些部位可能會出現(xiàn)較大的彎矩和應力集中現(xiàn)象。隨著拱軸系數(shù)的增大，拱腳處的彎矩明顯增大，容易導致該部位出現(xiàn)裂縫等病害，影響橋梁的結構安全。這是由于較大的拱軸系數(shù)使拱圈在活載作用下的受力狀態(tài)發(fā)生改變，部分區(qū)域的應力集中加劇。為了進一步驗證理論分析的結果，本研究進行了相關的數(shù)值模擬。利用有限元軟件建立了不同拱軸系數(shù)的懸鏈線空腹式雙曲拱橋模型。在模型中，對主拱圈、拱上建筑等結構進行了精細化模擬，考慮了材料非線性和幾何非線性因素。通過對模型施加多種荷載工況，分析不同拱軸系數(shù)下拱圈的內(nèi)力分布和結構穩(wěn)定性。模擬結果顯示，當拱軸系數(shù)從1.5增大到2.0時，在汽車荷載作用下，拱腳處的最大主應力增大了約20%，同時拱圈的位移也有所增加，表明結構的穩(wěn)定性受到了一定影響。在實際工程中，合理確定拱軸系數(shù)至關重要。需要綜合考慮橋梁的跨徑、荷載等級、地質(zhì)條件以及施工方法等因素。對于大跨徑拱橋，由于其承受的荷載較大，為了使拱圈在各種荷載工況下的受力更加合理，通常會選擇較大的拱軸系數(shù)，以增強拱圈的承載能力。而對于小跨徑拱橋，在滿足結構安全的前提下，可以適當選擇較小的拱軸系數(shù)，以簡化施工過程，降低工程造價。在地質(zhì)條件較差的地區(qū)，為了減小拱腳處的水平推力和彎矩，也可能會對拱軸系數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。4.1.3橫向聯(lián)系剛度的影響橫向聯(lián)系剛度在懸鏈線空腹式雙曲拱橋的結構體系中，對主拱圈協(xié)同受力和空間穩(wěn)定性起著關鍵作用，進而對橋梁的空間效應產(chǎn)生重要影響。從作用機制來看，橫向聯(lián)系主要包括橫系梁和橫隔板等結構。其剛度大小直接決定了橋梁的橫向整體性和荷載分布能力。當橫向聯(lián)系剛度較大時，能夠有效地約束各拱肋的橫向位移，使荷載在各拱肋之間分布更加均勻。這是因為較大的橫向聯(lián)系剛度增強了各拱肋之間的連接強度，使得在荷載作用下，各拱肋能夠更好地協(xié)同工作，共同承擔荷載。在一座多肋雙曲拱橋中，通過增加橫向聯(lián)系的剛度，在汽車荷載作用下，各拱肋的應力差值明顯減小，說明荷載分布更加均勻，結構的橫向穩(wěn)定性得到了提高。當車輛荷載作用于一側車道時，較大剛度的橫向聯(lián)系能夠?qū)⒑奢d迅速傳遞到其他拱肋，避免了局部拱肋受力過大的情況。相反，橫向聯(lián)系剛度不足，在活載作用下，各拱肋之間的協(xié)同工作能力減弱，容易出現(xiàn)荷載偏載現(xiàn)象。這是由于剛度不足的橫向聯(lián)系無法有效地約束拱肋的橫向位移，導致各拱肋在荷載作用下的變形不一致，從而使荷載分布不均勻。部分拱肋可能會承受過大的荷載，長期作用下，容易導致這些拱肋出現(xiàn)裂縫、變形等病害，嚴重影響橋梁的正常使用和耐久性。某雙曲拱橋由于橫向聯(lián)系剛度較弱，在長期交通荷載作用下，出現(xiàn)了部分拱肋開裂的病害，經(jīng)檢測分析，主要原因就是橫向聯(lián)系剛度不足導致的荷載偏載。為了深入研究橫向聯(lián)系剛度對空間效應的影響，本研究采用數(shù)值模擬的方法。利用有限元軟件建立了不同橫向聯(lián)系剛度的懸鏈線空腹式雙曲拱橋模型。在模型中，通過調(diào)整橫向聯(lián)系構件的截面尺寸和材料屬性，來改變橫向聯(lián)系的剛度。對模型施加多種荷載工況，分析不同橫向聯(lián)系剛度下主拱圈的應力分布、位移變化以及結構的穩(wěn)定性。模擬結果表明，隨著橫向聯(lián)系剛度的增大，主拱圈在橫橋向的應力分布更加均勻，橫向位移明顯減小。當橫向聯(lián)系剛度增加一倍時，主拱圈橫橋向的最大應力差值減小了約30%，橫向位移減小了約20%，說明結構的空間穩(wěn)定性得到了顯著提升。在實際工程中，設計人員需要根據(jù)橋梁的結構形式、跨徑、荷載等因素，合理設計橫向聯(lián)系的剛度。對于大跨徑雙曲拱橋，由于其結構相對復雜，承受的荷載較大，通常需要設置較大剛度的橫向聯(lián)系，以確保橋梁的橫向穩(wěn)定性和整體性能。而對于小跨徑雙曲拱橋，在滿足結構安全的前提下，可以適當降低橫向聯(lián)系的剛度，以節(jié)省材料和工程造價。在對既有雙曲拱橋進行加固改造時，也可以通過增強橫向聯(lián)系剛度的方式，來提高橋梁的承載能力和空間穩(wěn)定性。四、空間效應影響因素分析4.2荷載作用對空間效應的影響4.2.1恒載作用下的空間效應恒載作為懸鏈線空腹式雙曲拱橋長期承受的主要荷載之一，對其空間效應有著基礎性的影響，深入研究恒載作用下拱橋各部位的受力和變形情況，對于理解橋梁的工作性能至關重要。在恒載作用下，主拱圈作為主要承重結構，承受著來自自身以及拱上建筑的重力荷載。主拱圈的拱肋由于其較大的截面尺寸和良好的抗壓性能，承擔了大部分的豎向荷載，并將其轉(zhuǎn)化為軸向壓力。通過有限元分析軟件模擬一座典型的懸鏈線空腹式雙曲拱橋在恒載作用下的受力情況，結果顯示拱肋承擔了約60%-70%的豎向恒載。拱波在這一過程中，與拱肋協(xié)同工作，通過與拱肋的連接，將自身所受的部分荷載傳遞給拱肋。拱板則進一步將拱肋和拱波連接成一個整體，增強了主拱圈的整體性，使得荷載能夠更加均勻地分布在主拱圈截面上。在恒載作用下，主拱圈的應力分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。拱頂截面主要承受軸向壓力，應力分布相對較為均勻；而拱腳截面除了承受較大的軸向壓力外，還承受著較大的彎矩，導致拱腳處的應力集中現(xiàn)象較為明顯。這是因為拱腳作為主拱圈與橋墩或橋臺的連接部位，不僅要承受來自主拱圈的豎向荷載和水平推力，還要承受由于結構約束產(chǎn)生的彎矩。根據(jù)彈性力學理論，在這種復雜受力狀態(tài)下，拱腳處的應力分布會發(fā)生明顯變化，最大主壓應力和最大主拉應力均出現(xiàn)在拱腳截面的邊緣部位。拱上建筑在恒載作用下也會產(chǎn)生相應的內(nèi)力和變形。腹拱、立柱等構件會將自身所受的恒載傳遞到主拱圈上，同時也會受到主拱圈變形的影響。腹拱在恒載作用下，會產(chǎn)生軸向壓力和彎矩，其內(nèi)力分布與腹拱的矢跨比、跨度以及與主拱圈的連接方式等因素有關。立柱則主要承受軸向壓力，其內(nèi)力大小與立柱的高度、截面尺寸以及所承擔的荷載大小有關。在恒載作用下，拱上建筑與主拱圈之間的相互作用會導致結構的內(nèi)力重分布。由于拱上建筑的剛度與主拱圈的剛度存在差異，在荷載作用下，二者的變形不協(xié)調(diào)，從而產(chǎn)生附加內(nèi)力。這種附加內(nèi)力會影響主拱圈和拱上建筑的受力狀態(tài)，使得結構的空間效應更加復雜。恒載作用下的變形也不容忽視。主拱圈會產(chǎn)生豎向和橫向的變形，其中豎向變形主要表現(xiàn)為拱頂?shù)南鲁?。拱頂下沉量的大小與恒載的大小、主拱圈的剛度以及矢跨比等因素有關。矢跨比越小，在相同恒載作用下，拱頂?shù)南鲁亮肯鄬υ酱蟆M向變形則主要表現(xiàn)為拱圈的橫向位移，橫向聯(lián)系在限制拱圈橫向位移方面起著重要作用。拱上建筑的變形也會對主拱圈的變形產(chǎn)生影響，二者之間存在著相互約束的關系。4.2.2活載作用下的空間效應活載作為懸鏈線空腹式雙曲拱橋使用過程中承受的可變荷載，其位置和大小的變化對拱橋的空間受力特性和響應規(guī)律有著顯著影響，深入探討這些影響對于評估橋梁的安全性和適用性至關重要。當活載位置發(fā)生變化時，拱橋的受力狀態(tài)會產(chǎn)生明顯改變。以汽車荷載為例，當汽車行駛在橋面上時，其荷載通過橋面鋪裝傳遞到拱上建筑，再由拱上建筑傳遞到主拱圈。在這個過程中，活載的位置不同，會導致主拱圈各部位的受力情況不同。當汽車位于拱頂時，拱頂截面承受的豎向荷載增大，相應的彎矩和應力也會增大。而當汽車位于拱腳附近時，拱腳截面除了承受更大的豎向荷載外，水平推力和彎矩也會顯著增加，使得拱腳處的受力更加復雜。通過有限元分析軟件模擬不同活載位置下拱橋的受力情況，結果顯示當汽車位于拱頂時，拱頂截面的最大主拉應力比汽車位于拱腳時小約30%。這表明活載位置的變化會對主拱圈的應力分布產(chǎn)生顯著影響，在進行橋梁設計和分析時，需要充分考慮活載的最不利位置。活載大小的變化同樣會對拱橋的空間受力特性產(chǎn)生重要影響。隨著活載的增大，主拱圈和拱上建筑所承受的荷載也會相應增加，導致結構的內(nèi)力和變形增大。在大噸位貨車通行時，主拱圈的應力和變形明顯大于普通汽車荷載作用下的情況。當活載增大到一定程度時，可能會超過結構的承載能力，導致結構出現(xiàn)損壞。研究表明，當活載超過設計荷載的1.5倍時，主拱圈的關鍵部位可能會出現(xiàn)裂縫等病害。在實際交通中，需要對橋梁的活載進行嚴格控制，避免超載現(xiàn)象的發(fā)生，以確保橋梁的安全。活載作用下，拱橋的動力響應也是一個重要的研究內(nèi)容。車輛行駛過程中會產(chǎn)生振動，這種振動會引起拱橋的動力響應。當車輛行駛速度、軸距等因素發(fā)生變化時，拱橋的振動特性也會相應改變。通過動力有限元分析，研究不同車速下拱橋的動力響應，結果顯示隨著車速的增加，拱橋的振動加速度和動應力會逐漸增大。當車速達到一定值時，可能會引起橋梁的共振現(xiàn)象，對橋梁結構造成嚴重破壞。在橋梁設計和運營過程中，需要考慮車輛行駛引起的動力效應，采取相應的措施，如設置減震裝置等，以減小動力響應的影響。4.2.3溫度作用對空間效應的影響溫度作用作為一種不可忽視的環(huán)境荷載，對懸鏈線空腹式雙曲拱橋的結構變形和內(nèi)力變化有著重要影響，深入研究溫度作用對空間效應的影響，對于保障橋梁的長期安全運營具有重要意義。溫度變化會引起橋梁結構材料的熱脹冷縮，從而導致結構的變形。對于懸鏈線空腹式雙曲拱橋，當溫度升高時，主拱圈會膨脹伸長。由于拱腳受到橋墩或橋臺的約束，不能自由變形，從而在主拱圈中產(chǎn)生溫度應力。溫度應力的大小與溫度變化幅度、主拱圈的線膨脹系數(shù)以及約束條件等因素有關。根據(jù)熱脹冷縮原理，主拱圈的伸長量可由公式\DeltaL=L\cdot\alpha\cdot\DeltaT計算，其中\(zhòng)DeltaL為伸長量，L為主拱圈的長度，\alpha為線膨脹系數(shù)，\DeltaT為溫度變化值。在實際工程中，溫度變化幅度可能會達到幾十攝氏度，這會導致主拱圈產(chǎn)生較大的伸長量，從而在拱腳等部位產(chǎn)生較大的溫度應力。在溫度降低時，主拱圈會收縮變短，同樣由于拱腳的約束作用，會在主拱圈中產(chǎn)生與溫度升高時相反的溫度應力。這種反復的溫度變化會使主拱圈承受交變應力，長期作用下，可能會導致主拱圈材料的疲勞損傷，降低結構的耐久性。某雙曲拱橋在長期的溫度變化作用下，主拱圈出現(xiàn)了疲勞裂縫，經(jīng)檢測分析，主要原因就是溫度應力的反復作用。溫度變化還會影響拱上建筑與主拱圈之間的相互作用。由于拱上建筑和主拱圈的材料和結構形式不同，它們的線膨脹系數(shù)和變形特性也存在差異。在溫度變化時，二者的變形不協(xié)調(diào)，會產(chǎn)生附加內(nèi)力。腹拱與主拱圈的連接處，在溫度變化作用下，可能會出現(xiàn)較大的附加彎矩和剪力，導致該部位出現(xiàn)裂縫等病害。通過有限元分析軟件模擬溫度變化作用下拱橋的受力情況，結果顯示在溫度變化幅度為\pm20^{\circ}C時，腹拱與主拱圈連接處的最大附加彎矩可達設計彎矩的15%。在實際工程中，需要采取相應的措施來減小溫度作用對橋梁的影響。在設計階段，可以合理設置伸縮縫，以適應結構的溫度變形。伸縮縫的間距和構造應根據(jù)橋梁的跨度、所處地區(qū)的溫度變化情況等因素進行合理設計。還可以采用溫度補償措施，如在主拱圈中設置預應力筋，通過施加預應力來抵消部分溫度應力。在運營階段，應加強對橋梁溫度的監(jiān)測，及時掌握溫度變化情況，以便采取相應的措施。五、空間效應分析方法與技術5.1數(shù)值模擬分析方法數(shù)值模擬分析方法在懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應研究中具有重要作用，通過運用專業(yè)的有限元軟件，能夠?qū)蛄航Y構進行精確的模擬和分析，為工程實踐提供有力的理論支持。ANSYS作為一款功能強大的通用有限元分析軟件，在橋梁工程領域得到了廣泛應用。以某懸鏈線空腹式雙曲拱橋為例，利用ANSYS進行數(shù)值模擬時，首先需要根據(jù)橋梁的實際尺寸和構造特點，建立三維模型。在建模過程中，主拱圈采用實體單元SOLID45進行模擬，這種單元能夠準確地反映主拱圈在空間中的受力狀態(tài)，考慮到結構的各個方向的應力和應變。拱上建筑中的腹拱、立柱等構件則采用梁單元BEAM4進行模擬，梁單元可以較好地承受軸向力、彎矩和剪力，符合腹拱和立柱的受力特點。對于橫向聯(lián)系構件，同樣采用梁單元進行模擬，通過合理設置單元的截面尺寸和材料屬性，來準確模擬其剛度和受力性能。在模型建立完成后，需要對模型進行網(wǎng)格劃分。在主拱圈、拱腳等受力復雜和應力變化較大的部位，采用較細的網(wǎng)格劃分，以提高計算精度，準確捕捉這些部位的應力集中現(xiàn)象。而在結構應力變化較為平緩的區(qū)域，可以采用較粗的網(wǎng)格劃分，以減少計算量，提高計算效率。劃分完成后，對模型施加邊界條件。將橋墩和橋臺底部的節(jié)點設置為固定約束，限制其在三個方向的位移，以模擬橋墩和橋臺與地基的連接情況。對模型施加荷載?？紤]恒載、汽車活載、人群荷載以及溫度荷載等多種荷載工況。在施加汽車活載時，根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》的要求，采用車道荷載進行加載，模擬汽車在橋面上的不同行駛位置和荷載分布情況。完成上述步驟后，進行求解計算。通過ANSYS軟件的計算，可以得到橋梁結構在不同荷載工況下的應力、應變和位移分布情況。對計算結果進行分析，評估橋梁的空間受力性能和安全性。MIDASCivil也是一款常用于橋梁結構分析的有限元軟件，它具有操作簡便、計算效率高的特點。使用MIDASCivil對懸鏈線空腹式雙曲拱橋進行數(shù)值模擬時，建模流程與ANSYS類似。首先，根據(jù)橋梁的設計圖紙和實際參數(shù)，建立三維模型。主拱圈采用梁格法進行模擬，將主拱圈劃分為縱向梁單元和橫向梁單元，通過合理設置梁單元的截面特性和連接方式，來模擬主拱圈的空間受力性能。拱上建筑同樣采用梁單元進行模擬，與主拱圈的梁單元通過節(jié)點連接，以實現(xiàn)協(xié)同工作。在建模過程中，需要注意對結構的細節(jié)進行準確模擬，對于拱肋與拱波、拱板之間的連接部位，通過設置合適的節(jié)點約束和單元屬性，來模擬其實際的受力和變形情況。模型建立完成后，進行網(wǎng)格劃分和邊界條件設置。在網(wǎng)格劃分時，根據(jù)結構的受力特點和分析精度要求，合理確定單元尺寸。在邊界條件設置方面，與ANSYS類似，將橋墩和橋臺底部的節(jié)點設置為固定約束。在荷載施加方面，MIDASCivil提供了豐富的荷載類型和加載方式。可以方便地施加恒載、活載、溫度荷載等。在施加活載時，可以采用車輛荷載模型，模擬不同車型和車輛行駛狀態(tài)下的荷載作用。完成荷載施加后，進行求解計算。MIDASCivil能夠快速計算出橋梁結構在各種荷載工況下的內(nèi)力、變形等結果。通過對計算結果的分析，可以直觀地了解橋梁的空間受力性能，為橋梁的設計、評估和加固提供依據(jù)。為了驗證數(shù)值模擬分析方法的準確性，本研究將ANSYS和MIDASCivil的計算結果與某懸鏈線空腹式雙曲拱橋的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行對比。在現(xiàn)場試驗中，在橋梁的關鍵部位布置應變片和位移計，測量橋梁在試驗荷載作用下的應變和位移。將數(shù)值模擬計算得到的應力和應變值與現(xiàn)場試驗測量值進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在拱頂截面，ANSYS計算得到的應力值與現(xiàn)場試驗測量值的誤差在5%以內(nèi)，MIDASCivil計算得到的應力值與現(xiàn)場試驗測量值的誤差在7%以內(nèi)。在位移方面，數(shù)值模擬計算得到的位移值與現(xiàn)場試驗測量值也較為接近。這表明，ANSYS和MIDASCivil等有限元軟件能夠準確地模擬懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間受力性能，數(shù)值模擬分析方法具有較高的可靠性和準確性。5.2現(xiàn)場試驗與監(jiān)測技術現(xiàn)場試驗作為研究懸鏈線空腹式雙曲拱橋空間效應的重要手段，旨在獲取橋梁在實際受力狀態(tài)下的關鍵數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模擬結果的準確性，為橋梁的評估與加固提供可靠依據(jù)。試驗目的明確，主要是通過對橋梁在試驗荷載作用下的應力、應變和位移等參數(shù)的測量，深入了解橋梁的實際工作性能和空間受力特性。通過試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果的對比，驗證有限元模型的合理性和準確性，為后續(xù)的分析和設計提供可靠的參考。試驗方法采用分級加載的方式，按照預先設計的荷載等級逐步增加試驗荷載。在每級荷載施加后，保持一定的加載時間，待結構變形穩(wěn)定后，進行數(shù)據(jù)采集。加載過程中，密切關注橋梁結構的反應，確保試驗安全。試驗內(nèi)容涵蓋多個方面，包括應力測試、應變測試和位移測試。在應力測試中，在主拱圈、拱上建筑等關鍵部位布置應力傳感器，測量不同荷載工況下結構的應力分布情況。在拱頂、拱腳等部位布置應力傳感器，以獲取這些部位在荷載作用下的應力變化規(guī)律。應變測試則通過在結構表面粘貼應變片來實現(xiàn)，測量結構在荷載作用下的應變值，從而了解結構的變形情況。位移測試采用高精度的位移計，測量橋梁在豎向、橫向和縱向的位移，分析結構的整體變形特性。傳感器布置是現(xiàn)場試驗的關鍵環(huán)節(jié)。在主拱圈的拱頂、1/4跨、3/4跨和拱腳等部位，沿拱圈縱向和橫向均勻布置應變片和應力傳感器，以全面監(jiān)測主拱圈的應力和應變分布。在拱上建筑的腹拱、立柱等構件上，也相應布置傳感器，監(jiān)測其受力和變形情況。位移計則布置在橋面上，測量橋梁的豎向位移；在拱圈側面布置位移計，測量橫向位移。數(shù)據(jù)采集采用自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集傳感器的數(shù)據(jù)，并進行存儲和初步分析。采集頻率根據(jù)試驗要求和結構反應情況進行調(diào)整，在加載初期，采集頻率可適當降低；在接近滿載或結構反應較大時，提高采集頻率，以捕捉結構的動態(tài)響應。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)異常報警功能，當傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，能夠及時提醒試驗人員進行檢查和處理。數(shù)據(jù)分析主要包括數(shù)據(jù)預處理、結果對比和誤差分析。數(shù)據(jù)預處理是對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波、去噪等處理，去除干擾信號，提高數(shù)據(jù)的準確性。結果對比是將試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比，分析兩者之間的差異和原因。誤差分析則是評估試驗數(shù)據(jù)的可靠性，確定試驗結果的誤差范圍。通過對某懸鏈線空腹式雙曲拱橋的現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬結果對比發(fā)現(xiàn)，在應力方面，試驗測得的主拱圈拱頂應力與數(shù)值模擬結果的誤差在8%以內(nèi)，拱腳應力誤差在10%以內(nèi)。在位移方面，試驗測得的拱頂豎向位移與數(shù)值模擬結果的誤差在5mm以內(nèi)，橫向位移誤差在3mm以內(nèi)。這些結果表明，數(shù)值模擬分析方法能夠較好地預測橋梁的空間受力性能，但也存在一定的誤差，需要在實際應用中進行修正和完善。六、工程案例分析6.1工程背景與概況本案例選取的懸鏈線空腹式雙曲拱橋位于某交通要道，建成于20世紀70年代，是當?shù)刂匾慕煌屑~之一。該橋為三跨結構，橋長120m，主跨跨徑50m，兩邊跨跨徑均為35m。主拱圈采用懸鏈線線型，矢跨比為1/8，拱軸系數(shù)為1.543。主拱圈由5片鋼筋混凝土拱肋和4個拱波組成，拱肋采用工字形截面，高1.2m，寬0.5m，拱波采用圓弧形，厚0.2m。橫向聯(lián)系采用橫系梁，每隔5m設置一道，橫系梁截面尺寸為0.3m×0.4m。拱上建筑為空腹式，每跨設置5個腹拱，腹拱采用等截面圓弧形混凝土板拱，矢跨比為1/6，凈跨徑為3m。腹拱墩采用立柱形式，立柱直徑為0.3m，高3m。立柱頂部設置蓋梁，蓋梁截面尺寸為0.4m×0.5m。拱上填料采用砂礫，厚度為0.5m。橋面寬度為9m，其中車行道寬7m，兩側人行道各寬1m。在建成后的幾十年里，該橋承擔了大量的交通流量，隨著交通量的不斷增長以及車輛載重的日益增大，橋梁逐漸出現(xiàn)了一些病害。主拱圈部分拱肋出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫寬度在0.1-0.3mm之間，主要分布在拱腳和1/4跨處。部分拱波也出現(xiàn)了裂縫，且拱波與拱肋連接處混凝土存在脫落現(xiàn)象。拱上建筑的腹拱圈出現(xiàn)橫向裂縫，縫寬在0.1-0.2mm之間，部分腹拱墩與主拱圈連接處也出現(xiàn)了裂縫。橋面鋪裝破損嚴重，出現(xiàn)坑槽、裂縫等病害，影響行車舒適性和安全性。由于該橋在當?shù)亟煌ㄖ械闹匾匚?，對其進行全面的檢測、分析和加固十分必要，以確保其能夠繼續(xù)安全、穩(wěn)定地運營。6.2空間效應分析過程與結果為深入剖析該懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應，本研究運用專業(yè)有限元軟件MIDASCivil，精心構建了其空間有限元模型。在建模過程中，充分考慮了橋梁各部分的結構特點和受力特性。主拱圈采用梁格法進行模擬，將主拱圈等效為縱向梁單元和橫向梁單元組成的梁格體系?？v向梁單元模擬主拱圈的縱向受力，橫向梁單元則模擬橫向聯(lián)系，通過合理設置梁單元的截面特性和連接方式，準確反映主拱圈的空間受力性能。拱上建筑中的腹拱、立柱等構件采用梁單元模擬，與主拱圈的梁單元通過節(jié)點連接，以實現(xiàn)協(xié)同工作。在模型中，對主拱圈、拱上建筑等結構的材料屬性進行了準確賦值，考慮了材料的非線性特性。對鋼筋混凝土材料，采用雙線性等向強化模型，考慮其屈服、強化等力學行為。對模型施加了多種荷載工況，包括恒載、汽車活載、人群荷載以及溫度荷載等。在恒載作用下，主拱圈的應力分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。拱頂截面主要承受軸向壓力，應力分布相對較為均勻，最大壓應力約為8MPa。拱腳截面除了承受較大的軸向壓力外，還承受著較大的彎矩，導致拱腳處的應力集中現(xiàn)象較為明顯，最大壓應力可達12MPa。拱上建筑中的腹拱和立柱也承受著一定的壓力和彎矩。腹拱的最大壓應力約為6MPa，主要分布在拱腳和拱頂部位；立柱的最大壓應力約為7MPa，主要集中在底部與主拱圈連接處。在汽車活載作用下，考慮了不同的車道布置和車輛行駛位置。當汽車荷載作用于中跨時，中跨主拱圈的應力和位移明顯增大。在最不利荷載位置下，中跨拱頂?shù)淖畲罄瓚蛇_2MPa，拱腳的最大壓應力增加到15MPa。邊跨主拱圈也受到一定的影響，但應力和位移增幅相對較小。在汽車荷載偏載作用下，橋梁的橫向受力不均勻性更加明顯?？拷奢d一側的拱肋應力顯著增大，而遠離荷載一側的拱肋應力相對較小。通過分析不同車道荷載作用下各拱肋的應力分布，發(fā)現(xiàn)橫向聯(lián)系在荷載橫向分布中起到了重要作用。當橫向聯(lián)系剛度較大時，荷載能夠更均勻地分布到各拱肋上，減小各拱肋之間的應力差值。在溫度作用下，考慮了升溫20℃和降溫20℃兩種工況。當溫度升高時，主拱圈由于熱脹冷縮，會產(chǎn)生膨脹變形。由于拱腳受到橋墩和橋臺的約束，不能自由變形，從而在主拱圈中產(chǎn)生溫度應力。拱頂?shù)臏囟葢ο鄬^小，約為1MPa，而拱腳處的溫度應力較大，可達3MPa。在溫度降低時，主拱圈收縮，同樣在拱腳處產(chǎn)生較大的溫度應力，且與升溫時的應力方向相反。溫度變化還會影響拱上建筑與主拱圈之間的相互作用。由于兩者的材料和結構形式不同，線膨脹系數(shù)存在差異，在溫度變化時，會產(chǎn)生附加內(nèi)力。腹拱與主拱圈連接處的附加彎矩可達100kN?m，容易導致該部位出現(xiàn)裂縫等病害。為驗證有限元分析結果的準確性，本研究對該橋進行了現(xiàn)場監(jiān)測。在主拱圈的拱頂、1/4跨、3/4跨和拱腳等關鍵部位布置了應變片和位移計，實時監(jiān)測橋梁在實際運營荷載作用下的應力和位移。選取了一個交通流量較大的時間段進行監(jiān)測，記錄了不同時刻的車輛通行情況和橋梁的響應數(shù)據(jù)。將現(xiàn)場監(jiān)測結果與有限元分析結果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在應力方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的主拱圈拱頂應力與有限元計算結果的誤差在10%以內(nèi)，拱腳應力誤差在12%以內(nèi)。在位移方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的拱頂豎向位移與有限元計算結果的誤差在6mm以內(nèi)，橫向位移誤差在4mm以內(nèi)。這表明所建立的空間有限元模型能夠較為準確地反映該懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間受力性能，為橋梁的評估和加固提供了可靠的依據(jù)。6.3基于空間效應分析的橋梁維護與加固策略基于前文對該懸鏈線空腹式雙曲拱橋的空間效應分析結果，為確保橋梁的安全運營，延長其使用壽命，制定了針對性的維護措施和加固方案，并對加固效果進行了評估。在維護措施方面，定期檢查是關鍵。制定詳細的定期檢查計劃，每半年進行一次全面的外觀檢查，重點關注主拱圈、拱上建筑、橋墩和橋臺等關鍵部位。檢查內(nèi)容包括裂縫的發(fā)展情況、混凝土的剝落、鋼筋的銹蝕以及結構的變形等。利用裂縫測寬儀、鋼筋銹蝕檢測儀等專業(yè)設備，對裂縫寬度、鋼筋銹蝕程度等進行精確測量。在主拱圈拱腳處，定期檢查裂縫寬度，若發(fā)現(xiàn)裂縫寬度超過0.2mm，及時進行記錄并分析原因。加強日常養(yǎng)護工作，及時清理橋面的雜物和積水，保持橋面排水系統(tǒng)暢通，防止雨水滲入橋梁結構內(nèi)部，加速混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕。對橋面的坑槽、裂縫等病害及時進行修補，確保行車舒適性和安全性。定期對橋梁的伸縮縫進行檢查和維護，清理伸縮縫內(nèi)的雜物，確保其能夠正常伸縮，避免因伸縮縫堵塞導致結構產(chǎn)生額外的應力。針對橋梁出現(xiàn)的病害，制定了如下加固方案。針對主拱圈拱肋的裂縫，采用壓力灌漿法進行修補。首先對裂縫進行清理，去除裂縫內(nèi)的灰塵、雜物等，然后采用環(huán)氧灌漿材料進行壓力灌漿，使灌漿材料充分填充裂縫，恢復拱肋的整體性和承載能力。對于拱波與拱肋連接處混凝土脫落的部位，先將松動的混凝土清理干凈，對鋼筋進行除銹處理，然后采用噴射混凝土的方法進行修復，增加連接部位的強度。為提高主拱圈的承載能力和整體性，在主拱圈拱背粘貼碳纖維布。根據(jù)主拱圈的受力情況，合理確定碳纖維布的粘貼層數(shù)和寬度。在拱腳和