屏南地区木拱廊桥局部构件的二级系统研究

第 23卷第 1期 2011年 3月 北 方 工 业 大 学 学 报 J. NORT H CHINA UNIV. OF T ECH . Vo l. 23 No. 1 M ar. 2011 收稿日期: 2010-08-20 第一作者简介:李小午,硕士研究生.主要研究方向:中国传统建筑抗震性能分析. 屏南地区木拱廊桥局部构件的二级系统研究 李小午1) � 宋国晓2) � 王建省1) � 肖 � 东3) ( 1)北方工业大学建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院, 100144,北京; 2)北京建筑工程学院土木与交通工程学院, 100044, 北京; 3)中国文化遗产研究院建筑保护研究所, 100029,北京) 摘 � 要 � 在了解屏南地区木拱廊桥的历史条件、结构特点及其保护应用的背景下, 着重研 究了木拱廊桥百祥桥的二级系统,分析了其在提高拱桥结构性能中发挥的作用. 运用计算机模 拟建立了木拱桥二级系统的模型,对比了二级系统模型的受力、变形特点. 结果表明:二级系统 增强了拱桥的整体性与变形协调性,有助于系统避免应力集中 ,减少局部构件的破坏, 对提高拱 桥的结构性能有重要作用. 关键词 � 木拱廊桥;二级系统; 承载力对比;编织结构 分类号 � TU 36 � � 在中国古代桥梁建筑中, 有虹桥之称的木 拱廊桥(图 1)是一个重要组成部分. 木拱廊桥 衔接严密,结构稳固,在长期的使用中, 便利了 交通生活,丰富了百姓文化.与中国传统木构桥 相比,木拱廊桥设计复杂、结构精巧、可以满足 不同的建桥条件[ 1] ,具有非常高的技术含量与 实用价值, 即使在今天也值得对其结构设计及 受力特性进行探索研究. 几百年来,这些桥在为 老百姓搭建蹊径的同时, 也点缀了山水,丰富了 生活.在桥面上盖有 4 柱( 2 金柱, 2檐柱) 9 檩 穿斗式构架的桥屋, 上覆双坡顶或悬山顶能遮 风挡雨去暑消寒,是当地百姓聚集活动的场所, 即所谓�一桥多用�, 是中国在世界桥梁史上的 独特创造. � � � � � � � � � � � � � 图 1 � 木拱廊桥 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 图 2 � 廊屋结构 � � �百祥飞驾�做为屏南地区木拱廊桥的代 表,具有悠久历史.百祥桥始建于宋朝, 之后屡 有重修(清 1820年, 筹集捐款移基新建;清道光 初年毁于水患后重建; 清光绪年间毁于火灾后 筹集捐款重建) , 2006年百祥桥失火,主体结构 全部焚毁,只留两岸桥墩, 现待重修. 百祥桥位 于福建省屏南县棠口乡与寿山乡交界处的白洋 村南面,在棠口溪下游,呈东西走向.桥屋 15开 间, 68柱, 桥长约 36. 8m ,单拱跨度 34. 9m, 距 离水面约 22m.桥体结构:上部的廊屋是4柱( 2 金柱 2檐柱)九檩穿斗式结构,廊屋顶为单檐歇 山式.廊屋结构(图 2) ,两边桥台由块石砌筑而 成,桥面以杉木为梁,上铺薄木板, 厚约 0. 04m; 桥身内部大木相贯, 为典型的贯木拱形式. 百祥桥做为屏南百姓智慧的结晶, 是我国 劳动人民在长期的适应环境、改造自然的过程 中充分应用材料,科学设计结构的结果.在世界 桥梁史中也独树一帜, 它以梁木通过榫卯结构 穿插搭接形成拱桥, 为我国独有 [ 2] . 百祥桥飞 驾于悬崖峭壁之上,仰望如同长虹凌空, 十分 壮观. 百祥桥地处屏宁要道, 自古以来就是屏南 经棠口乡通往宁德的交通要塞,直至今日,仍是 棠口与寿山间往来的必经之路, 因此具有十分 重要的交通连接作用. 百祥桥既属于典型的贯 木拱桥,即整个桥体的受力系统由一级系统与 二级系统相互交错编织叠砌而成, 又有自己独 特的设计风格与建筑背景,有较大的学术意义. 本文应用计算机模拟技术, 建立木拱廊桥 二级系统模型, 对比结构受力变形特性,分析二 级系统在协调整个木拱廊桥受力变形中的作 用,研究结构内部不同构件的作用机理.不仅有 助于继承传播祖国悠久的民族建筑文化, 让人 们认识、了解中国木拱廊桥,同时对现代桥梁建 筑的设计创新也有重要意义. 1 � 结构分析 木拱廊桥的主要受力系统是桥面板下梁木 穿插成的拱架结构, 由一级系统与二级系统组 成. 桥面板通过二级系统间接地将桥上作用外 载传递到一级系统. 二级系统在整个木拱廊桥 的承载受力中起着非同寻常的作用.本文应用 ANSYS软件模拟 [ 3]建立了木拱廊桥二级系统 模型,并对比其结构特性,研究了二级系统在协 调变形、分散应力中的作用. 首先建立有二级系统的木拱廊桥模型及没 有二级系统的对比模型, 给模型施予相应的外 载,然后计算结构的内力、变形, 分析局部构件 的受力特征,对比两模型的承载力特征,最后总 结二级系统与一级系统交错组成的�编织系统� 在增强木拱廊桥结构性能中的作用. 1. 1 � 桥面荷载计算 1)永久荷载 (结构重力 SG、屋顶作用 SK、 水的浮力 SFi ) . SG = �V = �� n�D 24 l = 271. 470 7kN ( 1) SK = �s = 69. 679 9kN ( 2) SFi = rg V = 0 ( 3) 其中: D - 根径; �- 杉木重度; V - 构件体积; n- 构件数量; s - 屋顶面积; �- 面均布恒载 ; r - 杉木密度; g - 重力加速度 . 2)可变荷载. �人群作用(桥梁跨度小于 50m ) . SQr = qA = 3. 5 � 34. 64 � 4. 5 = 545. 58kN ( 4) 其中: A - 桥面面积; q- 桥面单位面积的活载 . �风的作用(作用于迎风面积中点) . Fwh = k0k1 k3W dA wh = 0. 9 � 0. 3 � 1. 0 � 24. 98 � 47. 46 = 0. 320 10kN ( 5) W d = rV 2 d 2g = rk 2k5 V 10 2g ( 6) A w h = 34. 64 � 1. 37 + 5. 26 � 11. 14 = 106. 05m2 其中: k0 - 设计风速重现期换算系数, 取 0. 9; Wd - 设计基准风压; k1 - 风载系数, 查规 范[ 4-5] ; A wh - 横向迎风面积. 3)偶然荷载. 地震、船舶或漂流物的撞击作用不计.因本 文主要研究在正常承载力下的结构性能, 故不 计意外情况. 4)桥面荷载组合. �基本组合作用. 90 � � � � � � � � � 北 方 工 业 大 学 学 报 � � � � � � � � � � � � 第 23卷 � �0Sud = �0 �m i= 1 �GiSGik + �c �n j = 1 �QjSQ jk = 1. 0 � ( 1. 0 � 69. 679 9 + 0. 8 � � ( 1. 4 � 545. 58 + 0. 7 � � 77. 94) ) kN ( 7) N = 724. 375 9k 其中: �0 - 结构重要性系数,取1. 0; Sud - 基本 组合的效应组合设计值; �c - 可变作用效应组 合系数, 取0. 8; �GiSGjk - 第 i个永久作用效应的 分项系数,取 1. 0, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值; �Q j、SQ jk - 第 j 个可变 作用效应的分项系数,风 1. 1、其他 1. 4,标准值. �偶然组合作用不计. 由于本文主要研究 结构在正常使用情况下的性能, 故不计偶然作 用影响. 桥上均布荷载 q = �0 Sud / bl = 724. 375 9/ 5. 04 � 34. 64 = 4. 149 1kN/ m 2 ( 8) 1. 2 � 模型的建立 百祥桥的主要受力系统是一级系统与二级 系统交错编织而成的木拱结构, 也是本文研究 的主要对象. 创建的拱桥模型着重体现了百祥 桥一级系统与二级系统相互交织的构造方式, 在此前提下为突出重点、计算方便,略去了对百 祥桥结构性能影响不大的构件. 百祥桥的模型 如图 3所示. 图 3 � 百祥桥模型 � � 运用 AN SYS 软件, 选取桥体主要受力部 分,创建模型 a、b. a- 百祥桥模型(图 4) (体现 二级系统与一级系统协调交织作用) ; b- 对比 模型(图 5) (没有二级系统的普通拱桥,对比模 型) (图 5) . 图 4 � a-百祥桥模型 91� 第 1期 � � � � � � � 李小午等: 屏南地区木拱廊桥局部构件的二级系统研究 图 5 � b-对比模型 1. 3 � 模型分析 外载在百祥桥上的传递路径: 首先桥面活 载与桥上廊屋自重等恒载通过桥面板作用于板 下横梁上, 继而传递到桥面木纵梁上 [ 6] ;接着桥 面木纵梁又将外载直接作用到二级系统上. 由 于二级系统与一级系统相互编织搭接成为整 体,所以两者可互相约束对方的变形、位移. 因 此, 在外作用传递到二级系统使其产生变形与 移动时,一级系统即限制二级系统的变形移动, 同时一级系统自身也产生了变形移动,这意味 着部分外载开始从二级系统传递到一级系统 上,直到两者的变形移动相互协调,实现内力的 恰当重分配. 这样有效地回避了局部构件的应 力集中突变及桥梁系统的整体破坏,最后两者 通过其他构件共同将外载逐级下传,直至桥台. 结构经过 ANSYS分析计算 [ 7-8] ,受力变形 及具体数据图形: a- 百祥桥模型变形图及相应 数据如图 6. b- 对比拱桥模型(没有二级系统) 变形图及相应数据如图 7. 图 6 � 百祥桥模型的变形图、屈曲模态图、变形对比图、应力图 92 � � � � � � � � � 北 方 工 业 大 学 学 报 � � � � � � � � � � � � 第 23卷 � 图 7 � 对比模型变形图、屈曲模态图、变形对比图、应力图 � � 图 6、图 7 为木拱桥模型的变形图、应力 图、变形对比图、屈曲模态图.两模型的变形图 及变形对比图显示百祥桥模型的最大变形明显 小于对比模型的最大变形,而且百祥桥模型的 整体变形协调, 没有过大的局部变现,因此二级 系统有助于避免由局部构件破坏导致整体系统 破坏.应力图及相应数据显示百祥桥模型受力 均匀,其构件没有较大的应力集中及突变现象; 而对比模型一些构件(例如跨中桥面板)的内力 值远大于百祥桥模型的内力 [ 9] , 因此二级系统 有助于协调系统受力, 避免由内力分布不均匀 导致的整体破坏. 由上述分析得, 二级系统与一级系统的�编 织�关系不仅可以相互传递外载,避免局部变形 太大,同时二者构成了整体,增强了桥体系统的 整体性.通过交错�编织�彼此约束从而产生协 调变形来共同承受外载[ 10] .总之, 从百祥桥实 体模型、对比模型的承载力数据图及变形图形 可看出,在相同的外部条件下, 百祥桥承载能 力及协调变形能力等性能整体上都优于普通 木拱桥. 2 � 结论 上述模型分析表明, 二级系统在协调拱桥 的结构变形与内力分布中发挥着重要作用. 与 普通木拱桥相比,百祥桥最大的特点是桥梁的 受力主体是二级系统与一级系统相互搭接成的 整体系统, �编织系统�在相互传力的同时共同 受力变形. 而相比之下普通木拱桥的不同构件 是相互隔离的, �系统�之间通常是相互传力,并 不能彼此约束共同受力. 因此,在相同的外部条 件下,百祥桥优于普通木拱桥.二级系统与一级 系统相互�编织搭接�的整体系统很大程度上提 高了桥梁的结构性能. 不同系统�编织搭接�的建筑设计理念, 对 现代桥梁结构的设计有指导创新意义.在实践 中认真研究�编织搭接�设计理念的基础上, 可 尝试将这种设计方法应用到具体桥梁的工程设 计中, 探索运用不同系统通过相互� 编织搭接� 约束对方变形移动的设计方法, 实现协调变形 与恰当重分配内力, 防止局部构件内力变形太 大,从而共同承受外载, 建造出轻质高强的桥 93� 第 1期 � � � � � � � 李小午等: 屏南地区木拱廊桥局部构件的二级系统研究 梁,满足未来交通生活的需求. 参 � 考 � 文 � 献 [ 1] � 马炳坚. 中国古建筑木作营造技术[ M ] . 北京: 科 学出版社, 2003 [ 2] � 张成.关瑞明. 木拱廊桥和虹桥的比较研究 [ J] .福 建建筑, 2007( 4) : 4-7 [ 3] � 徐鹤山. 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The br idge models o f the secondary sy stem o f the w ooden arch bridges are built through the technolog y of the computer simulat ion. Furthermore, the characterist ies the internal forces and the defo rmat ion o f the w ooden ar ch bridge models ar e compared. T he graphics and data show s that the secondar y system enhances the capacity of the compat ible deformat ion and the integ rity of the ar ch bridges, w hich helps to avoid the st ress concentration and the dest ruct ion of the local st ructur es, and hence improves the st ructural performance o f the w ooden arch bridges. Key Words � wooden arch lounge bridge; secondar y system; comparison of bearing capacit ies; knit ted st ructure 94 � � � � � � � � � 北 方 工 业 大 学 学 报 � � � � � � � � � � � � 第 23卷 �