反向拱的桥梁是如何受力的?

文明爱国请勿犬吠


反向拱桥梁的设计其实是不符合设计原则的,当然这种结构依然是符合力学原理的。下面,我就利用有限元软件,通过两种结构的计算,比较分析下反向拱桥梁的缺点。


1、桥梁模型

图题主所给的图,建立下图所示的桥梁模型。桥梁跨度74m,宽2m,拱形半径40m。为了模拟方便,把2个圆柱子变成扁平的柱子。

桥梁全部选用钢材,弹性模量200GPa,泊松比0.3,密度7800kg/m3。为了避免热胀冷缩引起的附加热应力,桥梁一端采用固定铰链,另一端采用滑动铰链。桥梁受到自重及桥面车辆的作用50000Pa,假设车辆均匀分布于桥面,如下两图(正拱与反拱)。

为提高运行效率,全部采用梁单元进行模拟。


2、结果对比

正拱与反拱地结果如下图。正拱情况下,最大应力7.79e8Pa,而反拱情况下,最大应力8.64e8Pa,最大应力发生的位置都位于桥梁的两端。反拱地应力更大,就表示这种结构更加不安全。

当路面载荷更大的时候(增大十倍),两种情况下的圆弧段由于柱子的作用力,出现了扭曲。同样,反拱情况应力分布更加恶劣。

3、理论分析

上面的计算明确地反应了反拱桥梁结构的应力条件更加恶劣,结构更加不安全。原因就在于,反拱情况下,这个拱形和柱子的自重全部加载到了桥面上,增加了桥面的受力。柱子完全是处于拉伸的状态,起不来支撑桥面的作用。

只有当反拱的这段拱形在施工的时候,存在内部受压的预应力,那么这些柱子才可以起到支撑的作用,如上图所示。


4、总结

反拱设计会额外增加结构的应力,使得桥梁变得更加不安全。当然,并非反拱结构就不存在,只要增加危险点附近的结构尺寸,就可以避免这种结构的破坏。


力学Nerd王小胖


靠一条粗壮的悬带受力,桥两端的桥墩就像是两个农夫挑着一根柔软的扁担,桥体的荷载沿着这条悬带传给桥墩,再传到地面上。

设计隧洞式锚碇,在岸上打两个锚洞,在锚洞的底部打一个横洞将其串起来。相当于用一块巨大的山体兜住了桥索。


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