大跨木拱廊桥的数值模拟与内力分析

吕伟荣，陈 智，王智丰，梁 炜 ，周世军 ，徐伟芬，沈明燕

（1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙410004；3.丽水市林业建设发展有限公司，浙江 丽水 323000）

大跨木拱廊桥的数值模拟与内力分析

吕伟荣1，陈 智1，王智丰2，梁 炜3，周世军3，徐伟芬3，沈明燕1

（1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙410004；3.丽水市林业建设发展有限公司，浙江 丽水 323000）

木拱廊桥在中国乃至世界桥梁史上是一种独有的创造，它有着独特的构造特点与结构受力性能。运用Sap2000分析软件，对享有世界第一跨度的浙江丽水九龙国家湿地九龙木拱廊桥进行精细建模，研究廊桥在不同荷载工况下的结构内力和挠度，并对分析结果进行对比。分析结果表明，“三节苗”与“五节苗”在2类工况下均能实现各杆轴力均匀变化，而弯矩、剪力相对较小，实现了拱结构受力机制。

大跨木拱廊桥；拱结构；数值模拟；内力分析

中国桥梁，有一类十分别致，即在世界桥梁史中绝无仅有的木拱桥。在桥梁上加造廊、屋、亭，就形成木拱廊桥，它是学术界最感兴趣、争议最为激烈的廊桥，近年来研究廊桥的专家还用“贯木拱桥”、“编木拱桥”来命名木拱廊桥的下部结构。木拱廊桥的构造和结构特殊巧妙，不仅在中国木构桥梁中技术含量最高，而且被认为是中国在世界桥梁史上的独特创造，据不完全统计，现存木拱廊桥仅有100多座，分布在福建、浙江、甘肃等地，其中绝大多数在福建北部和浙江南部。这些属于文化遗产的木拱廊桥，具有相同的构造特征体系和稳固的结构性能[1-2]。

1 工程概况

九龙木拱廊桥为的仿古景观步行廊桥，廊桥为5跨不等跨木拱结构，工程廊屋部分为木构，桥台和桥墩为钢筋混凝土框架和石构相结合，总工程长203.75 m，中跨净跨度为39 m，该跨度目前世界第一，两边两跨净跨度分别为28 m、22 m，桥面宽为5 m。如图1～3所示。

2 木拱架组成及选用材料

拱架构造按我国传统工艺手法制作，桥木拱架部分由上下2层系统组成。下层为3根圆木纵向连成八字形拱架，俗称“三节苗”，共9组；上层采用5根稍短的圆木纵连成5折边形拱架，俗称“五节苗”，共8组，与“三节苗”互相穿插（如图4所示），通过牛头共同形成受力的木拱架。

图1 浙江丽水九龙国家湿地九龙廊桥Fig.1 Renderings for Jiulong Lounge Bridge of ZhejiangLishui Jiulong National Wetland

图2 全桥整体结构布置Fig.2 Arrangement of overall structure of the bridge

图3 39 m跨廊桥现场施工照片Fig.3 Field construction photo of 39 meters long span bridge

工程中所用木材及材料属性按《木结构规范》[3]取，牛头木材强度按TC17，三节苗、五节苗采用冰片香和印茄，强度按TC15，其余斜撑苗构件木材强度按TC13。由于实际工程中三节苗与五节苗是交错排列且不在同一平面内，单元和单元之间只在节点处相连，单元之间的力只通过节点传递，外荷载都要移置到节点上[4-10]，建模时为实现三节苗与五节苗之间力的传导，在三节苗与五节苗相交处增加了弹性短桁架连接件代替牛头，其强度选择与牛头木材强度一样。

3 边界条件

采用Sap2000进行建模分析[7]，选取最大跨度的第三跨（39 m）为研究对象，桥面两端由于支撑在钢筋混凝土桥墩上，按铰接端处理，如下图5所示[8]：

图5 廊桥三维模型Fig.5 Lounge bridge three dimensional model

图4 拱架局部Fig.4 Arch partial view

4 荷载计算

此桥为禁止通过机动车和人力劳动车的人行桥，采用人群荷载作为设计活荷载，主要考虑2类荷载工况，工况一：恒载+活载，工况二：恒载+横向半跨半活载恒载：如图6所示，桥面宽度方向4根立柱为中线，每3 m划分为一个计算单元，如阴影部分所示。如图6、7所示，桥面上每隔3 m设置4个木柱，中间设木枋，以承担上部结构的重量。为此，将上部建筑荷载简化为集中力加到桥面平苗上，如图8所示。故恒载作用下每根柱子节点处竖向作用力为：N1=N4=6.94 kN，N2=N3=53.24 kN，如图8所示。

图6 桥面荷载计算单元Fig.6 Calculation units of bridge deck loads

图7 廊桥上部结构剖面Fig.7 Bridges sectional view of upper structure

人群活荷载：同恒载简化为集中力一样，（1）全跨荷载作用下：N1=N4=-8.52 kN，N2=N3=59.8 kN；（2）横向半跨荷载作用下：N1=-3.08 kN，N2=92.34 kN，N3=26.68 kN，N4=-13.34 kN。

图8 桥面节点计算Fig. 8 Node computing for bridge deck

5 计算结果分析

（1）工况一（恒载+活载）

（2）工况二（恒载+半活载）

由表1、2可知“三节苗”与“五节苗”在两类工况下均能实现各杆轴力均匀变化，而弯矩、剪力相对较小，表明“三节苗”与“五节苗”通过牛头相互交叉能实现拱结构机制。同时，牛头的参与，在牛头连接处弯矩和剪力相对较大且集中。与工况一对比，工况二由于出现偏心荷载，内力值比工况一稍大。

表1 三节苗和五节苗内力图说明（工况一）Table 1 Internal force diagram illustrates of “three bar” and “five bar”(load condition one)

表2 三节苗和五节苗内力图说明（工况二）Table 2 Internal force diagram illustrates of“three bar” and “five bar” (load condition two)

（3）39 m跨廊桥挠度分析

荷载作用下结构挠度变化，分工况一和工况二两种工况，分析如下：

工况一：三节苗上部牛头、跨中的挠度分别为6 mm，22.8 mm，如图9所示。

工况二：三节苗上部牛头、跨中的挠度分别为8.9 mm，32.24 mm，如图10所示：

39 m跨廊桥挠度曲线变化图，纵向变化对比图如图11所示，横向变化对比图如图12所示。

图9 廊桥整体挠度（工况一）Fig. 9 Overall de fl ection of lounge bridge (load condition one)

图10 廊桥整体挠度（工况二）Fig.10 Overall de fl ection of lounge bridges (load condition two)

图11 廊桥纵向挠度对比（单位mm）Fig.11 Def l ection comparison of bridge’s lengthwise direction

图12 廊桥横向挠度对比（单位mm）Fig.12 Def l ection comparison of bridge’s lateral direction(unit: mm)

6 结 论

本研究运用Sap2000分析软件，对享有世界第一跨度的浙江丽水九龙国家湿地九龙木拱廊桥进行了精细建模，并根据廊桥受荷情况进行了数值模拟，研究了廊桥在两种工况下的内力及挠度，得出了以下结论：

（1）基于有限元方法，选择合理的单元类型、材料本构和边界条件，能够实现复杂木拱廊桥结构的加载模拟，得到了较准确的计算结果。

（2）“三节苗”与“五节苗”在两类工况下均能实现各杆轴力均匀变化，而弯矩、剪力相对较小，表明“三节苗”与“五节苗”通过牛头相互交叉能实现拱结构机制。

（3）同时，牛头的参与，在牛头连接处各构件弯矩和剪力相对较大且集中，设计及施工时应予以重视。

[1] 肖 东, 程 霏. 中国木拱廊桥的构造特点与结构性能[C]. //2009中国古桥学术研讨会论文集. 福州: 福州大学出版社,2009.

[2] 戴志坚. 中国廊桥[M]. 福州: 福建人民出版社, 2005.

[3] GB 50005-2003木结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.

[4] 王焕定, 吴德伦. 有限单元法及计算程序[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.

[5] 朱伯芳, 有限单元法原理与应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1998.

[6] 杨艇艇. 连续钢构景观廊桥结构研究[D]. 重庆: 重庆交通大学建筑与土木工程学院, 2012.

[7] 北京金土木软件技术有限公司, 中国建筑标准设计研究院.Sap2000中文版使用指南(第二版) [M].北京: 人民交通出版社, 2012.

[8] 张洪俊. SAP2000桥梁结构分析应用方法与实例[M]. 北京:人民交通出版社, 2005.

[9] 周先雁,李旌豪,张仲凤.我国现代木结构桥梁的发展现状及前景分析[J].中南林业科技大学学报,2011,31(4):125-130.

[10] 任森智,贺国京,刘 剑.衡州大道桥梁改造方案及其承载力评估[J].中南林业科技大学学报,2011,31(9):114-118.

Numerical simulation and internal force analysis of large span wood arch lounge bridge

LV Wei-rong1, CHEN Zhi1, WANG Zhi-feng2, LIANG Wei3, ZHOU Shi-jun3, XU Wei-fen3, SHEN Ming-yan1
(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan , China;2. School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;3. Forestry Construction Development Company of Lishui City, Lishui 323000, Zhejiang, China)

Timber arch lounge bridge is a unique creation in the history of China and even the world, it has a unique structure characteristics and structural performance. By using the fi nite element analysis software Sap2000, a ref i ned modeling has been carried out, for Jiulong Wood Arch Lounge Bridge in Zhejiang Lishui Jiulong National Wetland, which enjoys a worldwide reputation as a fi rst long-span bridge. The structural internal force and def l ection under different load conditions were measured and studied. The results show that “Three bar”and “f i ve bar”under two kinds of working conditions can both realize the uniform axial force changes, while the bending moment, shear force were relatively small, thus realizing the mechanism of arch structure.

wood arch lounge bridge with large span; arch structure; numerical simulation; internal force analysis

S781.2；TU366.2

A

1673-923X(2014)08-0086-04

2014-02-27

国家林业公益性行业科研专项资助（编号：201304504）；湖南省自然科学基金委员会与湘潭市政府自然科学联合基金资助（编号14JJ5012）

吕伟荣（1974-），男，江西余干人，博士，博士后，副教授，主要从事组合结构研究，高层抗震；E-mail：lwrxm@126.com

[本文编校：文凤鸣]