双哑铃形钢管混凝土拱圈受力性能分析.pdf

2 0 1 5年第 l 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 1 9 文 章编 号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 1 2 — 0 0 1 9 - 0 3 双哑铃形钢管混凝土拱圈受力性能分析 唐 燕 ( 中铁十八局集 团 第二 工程有限公司 ， 河北 唐 山0 6 3 0 0 0 ) 摘要 ： 以西溪河大桥 为工程背景 ， 利 用有限元软件 M I D A S C I V I L对双哑铃形钢管混凝 土拱 圈进 行仿真 分析。首先分析 了不 同荷载作用下拱 圈的竖 向位移， 然后 改变双哑铃 形截 面结构参数( 腹板间距与盖 板 间距) ， 分析 两结构参数对于拱 圈挠度的影响规律。研 究结果表明： 双哑铃形拱 圈拱顶节点对荷载敏 感性 较 强 ， 并 由拱 顶 向两侧 递减 ； 腹 板 间距 与拱 圈节 点 竖 向位 移 基 本呈 线 性 关 系， 间距 增 大 时拱 圈下挠 减小； 盖板间距与双哑铃形拱圈挠度不呈线形相关， 当盖板 间距在 8 4 0～8 5 0 m m 时拱 圈下挠较 小， 有利 于拱 圈结构性 能发挥 。 关键 词 ： 双哑 铃 形截 面 拱 圈 挠 度腹板 间距盖 板 间距 中 图分 类号 ： U 4 4 8 ． 2 2 文献标 识 码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 5 钢管 混凝 土拱 桥 作为拱 桥 分支 ， 具 有结 构科 学 、 外 型美观、 承载力优越 、 跨越能力强等特点 ， 因此钢管混 凝土拱桥成为业内研究的重点 。陈宝春等⋯研究了钢 管混凝土拱桥静力 、 动力性能， 并进行相关试验； 韦建刚 等 研 究 了初 应 力 对 于 钢 管 混 凝 土 拱 桥 影 响 ； 文 献 [ 3 — 6 ] 研究 了结构损伤对于混凝土极限承载能力 的影 响 。以往 研究 的钢管 混凝 土拱桥 主 拱 圈截 面 多为 单 圆 管形 ， 对 于现在应 用广泛 的哑铃形截 面研究相对 较少 。 本文利用有 限元软件 MI D A S C I V I L对双哑铃形 拱 圈进行分析 ， 主要研究不同荷载作用下双哑铃形拱 圈节 点位 移变 化 ， 以 及 双 哑铃 形 板 间距 对 于 拱 圈 的影 响， 为相似拱桥的设计施工提供一定借鉴。 1工 程 概 况 新 建成 贵 铁路 西 溪河 大 桥 起始 里 程 D K 4 1 6+ 9 1 0 ． 5 5 ， 终 止 里 程 D K 4 1 7+ 4 0 4 ． 1 5 ， 全 长 4 9 3 ． 6 m， 主 跨 为 2 4 0 m 上承 式钢 管混 凝 土拱桥 。 主桥 拱 圈为钢 管 混凝 土结 构 ， 拱趾 中心 跨 度 为 2 4 0 m。主拱拱轴线为悬链线 ， 拱轴系数 m= 2 ． 2 ， 矢跨 比约 1 ／ 4 ． 3 6 4 。拱 肋 高 5 ． 7 m， 宽 3 ． 0 m， 每 肋 由 4肢 61 1 0 0 m m2 0 mm钢管构 成 ， 其上下弦各 由 2肢钢 管 与其 间 的 2块 2 0 m i n厚 的钢板 联 结 成 哑铃 形 ， 在 拱 肋 的 全 长 上均 为等 截 面 ； 从 拱趾 起 拱 肋 两 端 各 约 5 3 ． 0 I l l 范 围上下 弦之 间各 由 2块 1 6 m m 厚 的钢 板 联 结 ， 构成实腹段 ， 使拱肋断面呈箱形。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 — 0 7 - 2 0； 修 回13期 ： 2 0 1 5 ． 1 0 ． 1 5 作者简 介： 唐燕 ( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 工程师。 2有 限元分析 利 用 大 型有 限元 软 件 MI D A S C I V I L对 西 溪 河 大 桥进 行仿 真分 析 。利 用拱 桥 建 模 助 手 ， 有 限元模 型采 用梁 单元 对 主拱 圈 进行 模 拟。主 拱 圈钢 管 外径 为 1 1 0 0 m l n ， 拱圈钢管及其钢板 材料为 Q 3 4 5钢。仿真 模 型拱 圈两端 视 为 固结 ， 看做 是无 铰拱 理想 状态 ， 主拱 圈钢 管 沿拱轴 线 均 匀划 分 成 6 0段 。拱 圈结 构 示 意如 图 1 ， 有 限元 模 型示意 如 图 2 。 图 1 主拱圈示意 图 2 主拱圈钢管有限元模 型 模 型在进 行有 限 元 分析 时采 用 五 点 对称 加 载 ， 加 载方 式如 图 3所 示 。 图 3 主拱圈五点加载示意 2 0 铁道建筑 3荷载一竖 向位移 曲线4参数分析 有 限元分 析过程 中 ， 为 了更 加贴 近实 际工程 ， 本文 首 先对 比了单 圆管 钢 管 截 面 与 双 哑 铃 形 钢 管 截 面 性 能 ， 分析表明双哑铃形钢管截面性能远远超过单圆管 钢管截面， 在此不详述。 本 文共进 行 了 1 1组不 同荷 载 影 响下 主 拱 圈双 哑 铃形钢管竖向挠度研究。由于篇幅限制本文给出代表 性 3组荷 载一 竖 向位 移 曲线 ， 如 图 4所 示 。 节 点位 置／ m 1 0 l ! ! 宴 宕 -匣 崮 -3 0 - 40 图 4不同荷载作用 下双 哑铃形钢管荷载一竖 向位移 曲线 由图 4可知 ， 当不同荷载作用在拱 圈时， 双哑铃形 钢管竖 向挠度趋势是一致的， 即拱圈中问挠度大 ， 由拱 圈 中间 向两 侧 递 减 。 由于 结 构 对 称 并 且 荷 载 作 用 对 称 ， 因此拱 圈左右 两侧挠 度对 称 。 为了更 加形象 地分 析荷载 影 响下拱 圈双 哑铃形 钢 管挠度变化 ， 本文分别选取拱圈的 L ／ 6 ， 2 L ／ 6 ， 3 L ／ 6截 面为研 究 对 象 ， 各 截 面 荷 载一 竖 向位 移 曲 线 如 图 5 所 示 。 荷 载 1 0 k N ) O 一 1 0 - 2 0 蠢- 3 0 鬈_ 4 o - 5 0 - 6 0 -70 图 5 双哑铃形钢管典 型截 面荷 载一竖 向位移 曲线 由图 5可知 ， 拱 圈挠度 随着荷 载 的增加 而增 大 ， 并 且通过不同截面挠度值对 比发现越靠近拱圈顶部挠度 受荷 载影 响越 大 ， 拱 顶 下 挠 最 明显 。 因此 有 理 由认 为 拱 圈顶部 节点 对荷 载敏 感 ， 建 议 进行 相关 监 控 时选 择 拱顶 节 点为观 察对象 。 利 用有 限元方 法进 行 静 力 分析 时 ， 按 照 以下 步骤 进 行 ： 1 ) 将 结构 离散成 有 限个单元 ， 建立 坐标 系 ； 2 ) 建 立单元 刚度 矩阵 ； 3 ) 建立整体 刚度矩阵； 4 ) 建立结构列阵{ F} =[ K] { } 。其中 ， { F} 表示 节 点荷 载列 阵 ， [ ] 表 示 整体 刚 度矩 阵 ， { 6} 为 节 点位 移 向量 ； 5 ) 求解线形方程组 。 为了能够优化双哑铃形钢管拱圈性能， 为相关设 计提供参考 ， 本文选取左( 右) 腹板间距 D． 、 上 ( 下 ) 盖 板间距 D ：为研究对象。当 D ， D 发生变化 时， 结构 的刚度矩阵会发生相应改变 ， 究竟有什么变化规律拟 通 过荷 载一竖 向位 移 曲线来反 映 。 4 ． 1 D， 变化对 荷载一 竖 向位移 曲线影 响 西 溪河 大桥 设计 中拱 圈双 哑 铃 形 截 面 D 为 6 0 0 m m， D ： 约 为 8 4 8 mm。有 限元 分 析 过程 中令 五点 施 加 荷载值为 1 0 0 0 k N， 令 D ．分别取 4 8 0 ， 5 2 0 ， 5 6 0， 5 8 0 ， 6 0 0 ， 6 4 0 ， 6 8 0 mm， 研究 中取 L ／ 6 ， 2 L ／ 6 ， 3 L ／ 6截面为代 表 。具 体荷 载一竖 向位 移 曲线 如 图 6所示 。 Dl ／ mm 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 — 1 3 2 一 l 3 3 - 1 3 4 — 8 2O 目 一 8 2 5 簿 _8 _ 3 0 —8 3 5 - 0． 4 48 --0 4 5 0 - 0 45 2 - 0 45 4 - 0 4 5 6 -0 4 5 8 I - l _ ： ／ 2 托 ／ ／ ’ ． I ． ／／／ ／ ／ ／ ／ ／ 图 6 D 影响下荷载一竖 向位移 曲线 由图 6可 知 ， D。 与 拱 圈竖 向 位 移 基本 呈 线 性 关 系 ， 当 D 增大 时拱 圈下 挠减 小 ， 同时 对 比不 同截 面 竖 向位移变化可知 ， 越靠近拱圈顶部节点竖向位移受到 2 0 1 5年第 1 2期 唐燕 ： 双哑铃形 钢管混凝 土拱圈受力性能分析 2 l D， 变 化影 响越 大 。 进 行 双 哑铃 形 截 面 拱 圈 设 计 时 ， 在规范 许可 情况 下 可适 当增 加左 ( 右 ) 腹板 钢板 间 距 D 。 4 ． 2 D：变化对 荷 载一 竖 向位移 曲线影 响 通过 上 面研 究 可知 ， 当 双 哑铃 形 钢 管 截 面 结 构参 数发生变化时 ， 拱 圈各个截 面的荷载一竖 向位移 曲线 变化趋势是相同的 ， 因此研究 D： 对拱圈节点竖向位移 影 响时 ， 仅选 取节 点 位移 变化 较大 的 3 L ／ 6截 面 为研 究 对象 。有 限元模型中 D ： 分别取不 同值进行分析 ， 得到 D 影响下双哑铃形拱 圈荷载一竖 向位移 曲线如 图 7 所 示 。 1 3 1 5 1 3 2 O D2 1 mm 8 0 0 8 2 0 8 4 0 8 6 0 8 8 0 图 7 D 影 响下荷载一竖 向位 移曲线 由图 7可知 ， 上 ( 下 ) 盖 板 间 距 D， 与 双 哑 铃 形 拱 圈挠度不呈线形相关。拱圈下挠值伴 随着 D，的增大 呈现先增加后减小再增加 的趋势 ， 其 中当盖板 间距处 于 8 4 0～8 5 0 mm时拱 圈下挠较小 ， 结构性能稳定。当 较小时双哑铃形截面稳定性减弱 、 抗 弯性 能一般 ； 当D 较大时增加 了拱圈 自重 。因此 D 取一个 中间值 有利 于拱 圈结构 性 能发挥 。 5 结论 1 ) 双 哑 铃形 拱 圈拱 顶 节点 对 荷载 敏感 性 较强 ， 并 由拱顶 向两 侧递 减 ， 因此 进 行 荷 载一位 移 监 控 时 建议 选 择敏 感性 较强 节点 进行 监控 ； 2 ) D ( 腹板 间距 ) 与拱 圈节点竖 向位移基本呈线 性 关 系 ， 当 D 增大 时 拱 圈下 挠 减 小 ， 进 行 双 哑铃 形 截 面拱 圈 设 计 时 ， 宜 在 规 范 许 可 情 况 下 可 适 当增 加 左 ( 右 ) 腹 板 间距 。 3 ) D， ( 盖 板 间距 ) 与 双 哑铃 形 拱 圈挠 度 不 呈 线 形 相关。拱圈下挠值伴随着 D 的增大呈现先增加后减 小再增加 的趋势， 其 中当盖板间距处于 8 4 0～ 8 5 0 1T i m 时拱 圈下挠 较小 ， 有 利于拱 圈结 构性 能发 挥 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈宝春 ， 韦建刚 ， 林嘉 阳． 钢管 混凝 土拱空间 受力性能 分析 [ J ] ． 福州大学学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 7 3 2 — 7 3 8 ． [ 2 ] 韦建刚 ， 黄福云 ， 陈宝 春． 初应 力对钢 管混凝 土单 圆管 拱极 限承载力影 响的研究[ J ] ． 工程力学 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 7 ) ： 1 0 3 — 1 1 2 ． [ 3 ] 钟 正强 ， 刘剑． 考 虑结 构损 伤 的 C F S T拱桥极 限承载 力分析 [ J ] ． 中国公路学报 ， 2 0 1 2 ， 2 5 ( 1 ) ： 9 5 — 1 0 0 ． [ 4 ] WE I J i a n g a n g ， C H E N B a o c h u n ， wu Q i n g x i o n g ， e t a 1 ． E q u i v a - l e n t Be a m- -c o l u mn Me t h o d t o Es t i ma t e i n- p l a n e Cr i t i c a l L o a ds o f P a r a b o l i c F i x e d S t e e l A r c h e s [ J ] ． B r i d g e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 1 4( 5) ： 3 4 6 — 3 5 4 ． [ 5 ] 刘 志奇 ， 李 志 云． 受 损钢 筋混 凝 土构件 极 限承载 能力 研究 [ J ] ． 水科学 与工程技术 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 5 - 8 ． [ 6 ] 殷 迅． 钢管混凝土拱 桥主要 病害 调查 与分析 [ D] ． 重庆 ： 重 庆交通 大学 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ] 高 峰， 赵冯兵． 地下结构静一动力分 析中的人 工边 界转换方 法研究 [ J ] ． 振动 与冲击 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 1 6 5 — 1 7 0 ． ( 责任 审 编孟庆伶) 声 明 本刊重申： 稿件凡经本刊发表 ， 即视为作者 同意授权本 刊代理其作品电子版信息有线和无线互联 网络传播 权 ； 并且本刊有权授权第三方进行电子版信息有线和无线互联网络传播 。本刊支付的稿费已包括上述使用方式 的费用 。作者 如不 同意 ， 请 投稿 时 申明 。 《 铁 道 建筑》 编辑 部 如 ∞ 3 3 3 3 一 一 一 一 目 u v 簿 叵醐