- 文献综述(或调研报告):
拱桥历史悠久,具有经济、美观、刚度较大等优点,蝴蝶拱桥作为一种拱桥形式,形式较一般拱桥更为美观,符合现代审美。查阅国内外文献得知:目前关于蝴蝶拱桥运输及安装的文献较少,但是在拱桥结构特性与稳定性、重大货物海上运输和预制拱桥施工方面,国内外学者都做了很多工作。
(一)拱桥结构特性与稳定性
拱桥作为压弯结构,其稳定问题从失稳空间形态上可分为面内失稳和面外失稳,从失稳性质上可以分为一类稳定和二类稳定。当较柔细的拱所承受的荷载达到某一临界值时,在竖向平面内,拱轴线偏离初始纯压或主要受压时称变形状态,向反对称弯曲平面挠曲转化,称为拱的面内屈曲。在拱的平面屈曲研究过程中,Hurlbrink(1908)[1]和 Timoshenko(1910)[2]分别从均匀受压两端铰支圆弧拱的屈曲方程中导出临界荷载公式,这一解析结果奠定了拱的平面屈曲理论基础。Walter j Austin(1971)[3]对拱的平面屈曲问题作了一个较为详细的总结。这一时期的成果标志着拱的平面屈曲理论逐步走向实际应用。
当作用在拱平面内的荷载达到一定的临界值时,由于绕拱纵轴的扭矩和侧向弯矩的复合作用,拱也可能离开其平面向空间弯矩形式的平衡状态过渡,这称为拱的面外屈曲或侧倾失稳。拱的面外屈曲的研究最早始于Timoshenko(1910)[2]对圆弧形弹性薄条在纯弯矩作用下的侧向屈曲研究,他在曲杆小变形理论的基础上,得到侧倾屈曲的临界弯矩解。用解析法求得了径向均匀荷载作用下圆弧拱的面外屈曲问题,并研究了荷载方向指向圆弧中心的非保向力效应对提高拱侧向稳定性的作用,同时用能量法对这一结果进行了论证。Stǜssi(1943)[4]研究了下承式系杆拱和上承式拱,考虑了吊杆或立杆非保向力效应拱的侧倾问题,他在研究中假设当拱肋有侧向位移时荷载依然保持竖向,即假定桥面系不能抵抗其本身的侧向移动。项海帆和钱莲萍(1987)[5]利用能量原理提出了一套用于拱桥横向稳定性计算的简易计算方法。向中富(1995)[6]随后采用能量原理的方法提出了中承式拱桥在使用阶段横向整体失稳临界荷载实用计算式,并分析了行车道梁立面位置对其稳定性的影响。
张建民和郑皆连(2000)[7]指出非线性稳定理论一直是近代力学的基本研究方向之一,随着计算机和实验技术的发展, 非线性稳定理论和非线性稳定分析的数值方法都得到了很大的发展。在拱桥稳定性有限元分析中,依赖于其所采用的稳定性理论的 , 基于经典弹性理论 , 则是属于第一类稳定分析,基于非线性挠度理论,则属于第二类稳定分析。采用有限元的方法对拱桥进行研究是当下研究的一种常用方法。对于拱桥,研究工作比较典型的有:孟阳君(2007)[8]根据大跨径拱桥的特征,总结了利用ANSYS软件进行大跨径桥梁建模的相关要点,并结合实例,分析了大跨径拱桥的收缩、徐变特性;张俊平(2007)[9]等建立空间板壳有限元模型对中山市蝴蝶拱桥进行理论分析,给出了中山市蝴蝶拱桥主要试验工况的实测数据,提出了设计施工方面的建议;彭桂瀚(2017)[10]等在研究江西鹰潭余信贵大桥时,建立实桥有限元模型研究蝴蝶拱桥稳定性能,对不同荷载作用、矢跨比、主拱倾角、拱肋连杆位置及构件刚度等参数进行分析。结果表明:选择合理主拱矢跨比与外倾角可使蝴蝶拱获得更优稳定性;跨中处肋间连杆对稳定性影响大;构件刚度对结构稳定的影响度依次为主拱肋、肋间连杆及副拱肋。
综上,对于拱桥的结构特性和稳定性前人开展了很多研究,一般利用有限元建模的方法来进行评估,对于预制蝴蝶拱桥在运输和安装过程中主要应该考虑外力引起的面外稳定性问题。
(二)重大货物海上运输
随着工程技术的提高和经济社会的发展,近海桥梁建设正如火如荼的展开。近年来预制桥梁展现了其施工快速、不受场地环境限制等优点,但是由于预制桥梁有体积大、载荷大等特点,选择合适的运载工具,确定安全的绑扎方案成为了一个有待研究的问题。
二十世纪六十年代出现的半潜船,综合了水面船和潜水船的特点,具有良好的运动性能,是一种“全海候”高速船舶,由于隐没在水中的比例高,不容易受到海面上波浪影响,能够保持较佳的稳定性,适合需要进行海上操作的运输任务。利用半潜船进行包括蝴蝶拱节段梁在内的重大货物海上运输是当下流行的运输方案。
在重大货物运输研究方面,雷雨顺(2010)[11]等介绍船运大件货物的种类及其装卸工艺,并对码头状况及船型选择进行分析,对大件货物装卸工艺的发展做了归纳和总结。沈江(2008)[12]通过受力分析的方法,论述在考虑了垂直系固角和水平系固角后每根系索所产生的系固效果,根据《SOLAS》公约重大件货物的系固要求,总结在系索不对称系固时移动力、移动力矩、系固力和系固力矩的确定方法,为船舶载运重大件货物时提供一种系统、有效地校验系固绑扎效果的方法。沈华(2000)[13]利用特别设计的支架,将重大件货物固定于支架上,并将货物和支架一起固定于船的承载部位,这种刚性系固是海上重大件货物(尤指超长、超宽、超重的大件货物)运输安全的必要保证。该文应用船舶耐波性理论和方法,建立了作用于货物单元上运动惯性力的计算公式,在摇荡运动惯性力在最坏情况下迭加求得可能发生的惯性力的最大值。从而为货物支架的设计和刚性系固系统的强度校核提供了比较精确和可靠的力学依据。吕瑶等(2011)[14]通过三个不同的典型大件货物运输实例,指出经验方法在理论公式中所对应的最大横摇角和最大纵摇角的范围,其结论可用于指导重大货物海上运输的系固绑扎设计,并为运输重大件货物的风险控制提供参考。苏晨(2012)[15]总结归纳了半潜船运输特重大件货物的绑扎加固基本作业程序和绑扎加固的常用操作方法。运用谱分析法,通过预报半潜船和特重大件联合体的海上运动,预估特重大件货物在既定航次环境中所受外力,并据此设计绑扎加固方案。然后基于绑扎加固常用操作方法和程序进行风险识别。进而根据风险识别、理论研究结果和实际工程经验提出绑扎加固安全衡准与风险控制措施,保障特重大件货物绑扎加固安全。杨久亮(2017)[16]则通过谱分析法,计算横摇、纵摇和垂荡的响应幅值,确定浮装作业中惯性力、风力及摩擦力,来建立重大受力分析模型。
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