木拱桥结构介绍

木结构

木拱桥

我们都见过木拱桥,但肯定有人好奇为什么木拱桥下方没有支撑点却不会塌下来。现在我们来分析其中的原因。木拱廊桥的结构体系由三节苗、五节苗、桥板和廊屋四个受力系统组成。第一系统由三节苗作为主要受力构件组成,第二系统由五节苗作为受力构件与三节苗相互编织传力,形成整个廊桥的拱架结构。桥板最初被认为是辅助构件,但专家通过分析发现桥板苗在整体结构稳定方面具有重要性,因此将其归为第三系统,并将其与三节苗或五节苗牛头连接。廊屋则作为第四系统搭建在桥面板上。廊桥整体结构稳定的关键在于各个系统之间能否协同受力。

学者最早提出了木拱廊桥的两个系统,并指出两个系统之间的相互作用关系。他们对双三节苗、三节苗+四节苗和三节苗+五节苗三种不同结构形式的廊桥进行了分析,认定三节苗+五节苗廊桥是现存廊桥最为成熟的结构形式。通过有限元受力分析,他们发现荷载作用下廊桥与两铰拱的变形和受力非常相似,具有拱结构的受力特征,可将木拱廊桥认为是拱结构。另一方面,其他学者通过有限元分析发现三节苗+五节苗系统不仅可以相互传递荷载、避免局部变形过大,而且增加了廊桥的整体性。通过三节苗和五节苗相互编织产生的协调变形,廊桥可以共同承受外部荷载,而单独的三节苗或五节苗系统则会出现较大的变形和明显的应力集中现象。此外,一些研究者发现五节苗系统在协调廊桥结构变形和内力分布中扮演着重要角色。因此,三节苗和五节苗双系统相互编织、传递荷载、避免应力集中,从而增强了廊桥的结构性能。

木拱廊桥的桥板系统是一种重要的结构组成部分,除了三节苗系统和五节苗系统之外,它也不可忽略。桥板对三节苗和五节苗承担了很大的荷载分担作用,即使在桥板苗和五节苗下牛头之间使用马腿分担桥面荷载,桥板苗仍然需要承受更大的弯矩。对于没有“马腿”的小型拱桥,桥板苗的结构作用更加重要。通过分析几何构造,我们发现木拱廊桥主体结构具有互承特性。桥板苗和廊桥主体结构不同的连接方式会使廊桥转变为瞬变体系或者几何可变体系。即使拱架系统中出现腐蚀和裂缝等局部损伤,结构的超静定和良好的整体性也使廊桥不至于毁坏。廊屋对结构受力也是有利的,通过荷载分析可以发现,有廊屋的苗杆轴力值增大了一倍,弯矩值减小了40%,并且有廊屋的苗杆应力值总体上呈减小趋势。对于木拱廊桥这种轻型的拱式结构,增加桥面均布荷载是有利于结构受力的,非均布荷载作用下这种优势将更明显。通过以上分析,我们可以得出结论:木拱桥是一个很稳固的系统,每个部位的承重受力都很均匀,从而确保了整体的受力稳定。

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