现代竹悬臂梁桥梁理论应用研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

我国竹资源丰富且竹子生命周期较短，竹材的力学性能也优于木材，而且竹材具有较高的抗压强度，这使得竹材的具有混凝土不具有的优良特性。但是，原竹材的弹性模量较低，如果只用原竹材作为制作桥梁构件的材料，那么结构的变形可能较大，其结构设计会局限于变形控制，无法完美的发挥竹材的材料强度。因此，胶合竹的出现恰好的解决了这个问题，如何将胶合竹良好的力学性能和工程结构结合起来，使竹材运用为集经济、生态、功能、效益一体的新型建筑用材具有重要的意义。

一、胶合竹的发展

现代竹结构第一次将竹篾胶合而成的板材应用于建筑结构领域，从它诞生以来便受到了同行及社会各方面的支持和肯定，至今已经取得了许多研究和应用成果。其中，建造于2007年的耒阳竹桥被发行量广泛的美国《Popular Science(科技新时代)》杂志评为2008年最佳科技成果。在此之前，课题组还建造完成了世界第一座现代竹结构人行桥阳以及竹结构活动房等。2007年10月，竹结构课题组的主要负责人肖岩教授主持召开了首届现代竹结构国际研讨会，会议取得了圆满成功，现代竹结构的理念也在会上引起了强烈反响。2008以来，肖岩教授带领的现代竹结构课题组继续对竹结构进行研究和开发。于2007年开始建造的竹结构别墅样板房的建设已接近尾声，各方面的研究如胶合竹材物理力学性能研究、竹结构桥梁沉降的长期观测、竹材梁力学性能研究、竹结构板房抗震及抗火性能研究等也在进行之中。

二、胶合竹的力学性能

文献[1]通过对重组竹试件单轴拉压试验，得出重组竹的本构关系及实验结果，其具体本构关系参数如下表所示：

极限拉应变(εte)/10×10-6极限拉应力/Mpa比例极限压应变(εce)/10×10-6比例极限压应力/Mpa极限压应变(εce)/10×10-6极限压应力/MPa受压弹性模量/Mpa12509144.27520442.072876458.318084

注：受压弹性模量取值为比例极限压应力与比例极限压应变的比值，泊松比为0.4741。

三、竹悬臂梁桥梁可行性研究

国内外关于竹桥处于起步阶段，从已有的研究来看，将胶合竹应用于承重结构中，目前多用于建筑领域，而桥梁领域仅涉及简支梁桥,从已做的竹胶板材的材性试验数据结果来看，由于其抗压和抗弯性能，而悬臂梁主要承受弯矩，这为竹胶板材向悬臂梁方面发展提供思路，本文就是基于此点将竹胶板作为主要受力构件运用于悬臂梁桥，来研究竹拱桥的受力性能，该悬臂梁的结构图如图所示

(一)竹悬臂梁工程有限元建模：在结构有限元模拟中，本文探讨的是整体结构的受力性能，悬臂梁结构采用有限元软件ANSYS14.0建立空间精细化模型。其中，横梁、纵梁、刚螺杆模拟均采用BEAM188单元模拟。采用SHELL181单元模拟桥面板。

(二)利用建立的有限元模型及简化后的本构关系，通过有限元软件计算出悬臂梁结构横梁及纵梁的弯矩、应力及竖向位移，来分析竹悬臂梁桥的静力特性。参数分析中重点通过分析通过分析悬臂梁轴力、弯矩及支座反力来寻求竹桥的经济跨度。

(三)采用多自由度系统进行动力分析，模态提取方法为Block Lanczos 算法。通过对竹悬臂梁桥结构进行模态计算，并对自振频率及振型进行分析，得出结果进行分析。

(四)利用动力时程方法对竹悬臂梁桥结构进行抗震性能分析。时程分析法其原理就是将地震加速度时程曲线按时段进行数值化以后，输入结构体系的振动微分方程，再采用数值积分的方法进行结构动力反应分析，计算结构在整个振动过程中的状态，可以求出结构杆件在每个时间段的内力和变形情况。其次，通过调整后的两条实际地震波与一条人工波对竹桥进行多遇地震及罕遇地震下抗震性能分析；最后，通过El Centro罕遇地震波的输入，改变结构的连接杆距和横梁层数参数研究不同参数对拱桥抗震性能的影响。

四、小结

传统材料逐渐对环境造成了负面影响，其建筑材料如钢筋、混凝土，在生产过程中消耗大量的能量并排放废水、废气。并且工程拆除时，会产生许多的垃圾，这些是难以处理的，这无疑会对我们的生态环境产生严重的影响。正是在开采原材料以及在建材垃圾处理时会对环境产生非常大的的破坏，使我们不得不寻求新的材料来替代传统的工程结构用料以使对生态环境的破坏尽可能的降低。正是如此，可持续发展正在被所有人接受，对于工程行业，提出“绿色建筑”与“绿色桥梁”的可持续发展理念。在桥梁行业去寻求新的环保材料去替代传统的建筑材料(钢筋、混凝土)是今后很长一段时间研究的重点，这也是当今一个新的挑战。