中山大桥的设计、计算和模型实验外文翻译资料

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12卷第1期 西南大学杂志 2014年5月

论文编号：1005-2429(2004) 01-0049-07

中山大桥的设计、计算和模型实验

1. 中国广州510405，广州土木工程大学
2. 中国广州510060，广州市政设计与研究学院

摘要

中山桥是一架特殊空间组合结构的钢拱桥.研究了转发器设计的合理性、理论计算的准确性和可靠性。详细介绍了其设计、应力应变的有限元计算和模型试验.理论分析和模型试验验证了设计的可靠性和安全性.模拟应力、刚度和稳定性是基于选择的加载系统和截面几何，满足相关设计标准.还讨论了实际桥梁施工中需要考虑的一些问题。

关键词 空间组合结构；钢拱桥；有限元模型试验

导言

由于中山大桥的特殊的市中心位置，它被设计成了空间组合刚构桥.它跨越了綦江。在设计中需要考虑的另一个问题是这座桥与其周围建筑和景观的协调。这座桥将是这个城市的标志性建筑之一。这座桥由五个拱门组成：一个中间拱门，两个侧面拱门和两个基座拱门。整个桥的跨度是30M 100M 30M和36.8米宽，包括两侧步行，每侧5米宽。这条车道有两条半车道，总宽度26.8M。设计的负载是城市A级活荷载。它的桥梁结构不仅可以看作是自支非推力拉杆的一种变化，也可以看作是对传统组合拱梁结构的一种变革。实际上，这是两种结构的结合。至于这种设计的特殊性，中间拱桥是由底座而不是地基支撑的。这里需要考虑的问题之一是这个结构中复杂的装载运输特征。空间组合钢拱桥设计首次应用于中国。这座桥的效果图如图1所示。该桥由广州城市工程设计与研究学院与广州大学共同设计。

图1：中山大桥的效果图

已接收 2003-09-17

讲师李永河 （1970-）传记lyh902@sina.com.

1.设计原理和装载特性

表一列出了桥梁设计中考虑的关键参数。

（1）自我平衡结构。如图2所阐述的，在纵向方向上，中拱的水平顶头与自己的拉杆和纵梁保持平衡。组合静脉力两个基座拱平衡，它们也可以保持从侧面拱传来的水平力量的平衡。在横向压弯中，支撑拱的水平力可以用预应力梁平衡。

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表1：中山站大桥的关键参数

纵梁：由扁钢箱梁和横梁组成，高度1.3m，总长度160m。

预应力：中间拱中的预应力长条拉杆，支撑拱中的预应力混凝土拉杆。
设计负荷：城市A级活负荷；行人负荷，人行道宽度为5m

主要钢部件：Q345钢板，最厚的厚度18毫米，重量约2800t。

图2： 力的传递路径

通过这种方式，形成了一个自平衡的非推力系统，它由5个拱、纵梁、中间拱的拉杆和基座拱的拉杆组成。

（2）荷载转换特征的复杂性。一些构件的承载行为，如胡枝子拱、侧拱、地板梁等，是非常复杂的。原因是在这些构件的截面上同时存在着力矩、扭转力、轴向力和剪切力。基座拱、中拱、纵梁和秘密地板梁之间的连接对荷载传递至关重要，这些位置的局部应力分布非常复杂。同时，纵向横梁与秘密横梁相互作用的桥面受力条件复杂。它不仅是一个波束-拱多点固结组合系统，也是一个悬浮弹性支撑系统。空间加载行为和箱梁效应明显所以支撑条件复杂。

（3）构件间应力匹配的复杂性。通过调整拱刚度比、拉杆的初始拉伸应力、垂直梁和水平梁的刚度以及吊杆的初始拉伸应力，可以控制各部件的应力。

（4）基层结构设计的特殊性。主跨度没有桥墩。侧面和底座拱的跳跃支撑在钢的跳跃块上，这是由不规则的四面填充渗透混凝土。在堤岸的两侧，都有一块五角大楼加固的混凝土基础板，它位于弹簧砌块的底部。为了保持横向水平梁的平衡，在同一边用预应力混凝土梁计算两块基板。考虑到纵向和横向水平推力的某些部分是由地基承载的，尽管桥梁是一个自平衡的结构，六个钻孔桩被布置成梅花，设计成反斜桩。

2.建模和计算

由于结构的复杂性，系统地利用SSAP和ANSYS来模拟桥梁的微观和宏观加载行为。整个计算包括三个互补模块：空间杆系统的建模（如图3所示），整个空间壳结构的建模（如图4所示），以及在中间拱、横梁和基座拱节点的局部应力建模。为了得到桥梁的优化结构参数，根据各过程的结果对设计中的设计方案和建模方案进行了优化，即将建模结果的输出作为设计的输入，反之亦然。

图3：SSAP下的空间杆系统模型

图4：ANSYS下的空间壳体系统模型

利用空间杆系统模型确定了五拱的应力和拱应力之间的关系。利用SSAP计算了桥梁整体的静、动力特性、稳定性和温度相关特性。然后对计算结果进行分析，以验证和改进设计的结构参数。

在空间壳体结构的建模中，应用ANSYS系统来监测桥面系统的应力状态，进而对结构进行修正和改进。计算结果可与空间杆系统前向建模结果进行比较，以验证整体的狭窄设计。模拟了中间拱桥、楼梁、基座拱桥节点的局部应力，监测了中间拱桥、楼梁、基座拱桥等构件的应力分布，验证了节点结构的可靠性和安全性。这是为了检验原有的应力设计是否可以通过节点安排来实现，从而为节点优化提供指导。

表2列出了桥梁控制部分的模拟变形，表3列出了最大应力。图5到图7为侧拱、中间拱和支座拱各自的应力对比。在这些图纸中，拱肋坐标的每一个来源都在拱肋的跳跃处。静载和最不利活载作用下的稳定安全系数见表4。

表2：在静载和最不利活载下控制部件的变形 mm

表3：主要部件在静载和最不利活载下的最大应力 MPa

表4：稳定安全系数

表4显示在静载和最不利活载的情况下，最小稳定安全系数为11.6，因此证明了拱桥的稳定性是足够的。

根据计算结果得出以下结论

（1）选择的加载系统和设计的横截面区域是合理的。

（2）在静载和最差活载的共同作用下，结构关键点的应力和变形较小，这意味着在施加力作用下的刚度和稳定性较高。

（3）模拟的单墩最大水平推力为710kN，比设计值1500kN小得多，这意味着设计是安全的。

（4）在三恒力加变力条件下稳定性安全系数为11.6，结构可靠。

压力/MPa

压力/MPa

压力/MPa

1. 模型试验

3.1任务

为了系统地了解其力学行为，优化设计参数，保证其可靠性，对其进行了模型试验，比原尺寸减少了10：1。模型试验包括（1）验证计算结果的有效性、可靠性和空间应力行为（2）验证节点等局部结构的合理性；（3）得到合理的吊杆和拉杆的初始张力，以及通过重新排列吊杆的张力来调整内部结构应力的可能性，（4）研究了桥的动力特性，找出了桥的薄弱位置，从而得到改进。

3.2主要结构参数

表5列出了模型与其原始结构之间的比例系数。模型尺寸为1630X394X299厘米。采用Q235钢板制造该结构，模型总重量为5.8T.如图8和图9所示，垂直方向有8个点支撑，水平方向有4个点支撑。制造工艺是基于模拟原理和相关标准，还需要考虑可制造性。由于部分水平应力被施加在基座拱上，基础刚度被设计成足够大，接近理论值。结构中安装了垂直和水平应力传感器。

表5：模型与原型桥的比例因子关系

为了保证模型与实际桥梁之间应力行为的同一性和可制造性，对模型的超结构设计进行了如下三个方面的修改。

1. 由于模型试验以静态试验为主，不涉及冲击和疲劳试验，所以运用Q235A钢板(2.0毫米厚度)而不是1.8毫米厚度的Q345钢用于模型的拱肋和垂直与水平梁。通过减小截面宽度，保证了竖向弯曲刚度的同一性和模型与实际结构之间的应力。为了保证桥面的刚度匹配，采用相似度和平面方程简化结构，即在保持桥面高度的同时调整桥面宽度。由于与实际结构相比减少了10：1度，带框截面几何的吊杆水平梁的高度减少到了130毫米。为了方便焊接过程，确保垂直抗弯刚度和应力与实际结构的一致性，将截面几何改为“i”几何。

图8：桥的模型

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