大跨径钢管混凝土桁架拱桥稳定性分析.pdf

第 7卷第 1期 2 0 1 0年 2月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L WAY SCI ENCE AND ENGI NEERl NG VO l _ 7 F e b N0 1 2 01 0 大跨径钢管混凝土桁架拱桥稳定性分析 王艳。 陈淮 ( 郑州大学 土木工程学院， 河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要： 对小三峡大桥主桥即中承式钢管混凝土桁架拱桥的空间稳定性进行了分析。采用 Mi d a s c i v i l 有限元程序建立该 拱桥的空间有限元计算模型 ， 对其进行了空间稳定性计算与分析。计算结果表明： 该拱桥拱肋的横 向刚度较小， 可以通过 优化拱肋截面尺寸与改善横撑结构形式达到提高拱肋横向刚度的 目的； 桥面系面外刚度略小， 需要加强预制小T梁与横梁 的连接 ， 同时加大边纵梁的截面尺寸并与横梁固结， 以提 高桥面系的面外刚度， 使桥面系形成强大的梁格体系， 共同抵抗外 荷载的作用。 关键词： 钢管混凝土桁架拱桥 ； 有限元法； 稳定性 中图分类号： U 4 4 8 2 2 4 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 0 7 0 4 St a b i l i t y a n a l y s i s o f l o n g s p a n c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r t r u s s a r c h b r i d g e W ANG Ya n，CHEN Hu a i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： S p a c i a l s t a b i l i t y a n a l y s i s f o r t h e ma i n b ri d g e o f Xi a o S a nx i a b rid g e，i e ，a h a l f t h o u g h c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r t r u s s a r c h b ri d g e w a s c a r r i e d o u t T h e s p a c i al fi n i t e e l e me n t c a l c u l a t i n g mo d e l o f t h e b ri d g e w a s e s t a b l i s h e d b y a d o p t i n g fi n i t e e l e me n t p r o g r a m Mi d a s c i v i l t o c a l c u l a t e a n d a n a l y z e t h e s t a b i l i t y o f t h e b ri d g e T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t r a n s v e r s e s t i f f n e s s o f a r c h ri b i s we a k，S O o p t i mi z i n g t h e s e c t i o n o f a r c h r i b a n d t h e s t r u c t u r a l for m o f t r a n s v e r s e b r a c i n g s ma y i mp r o v e i t T h e o u t o f p l a n e s t i f f n e s s o f t h e fl o o r s y s t e m i s a l s o we a k，t he f o l l o wi n g me a s u r e s s h o u l d b e t a k e n， s u c h a s s t r e n g t h e n i n g t h e c o n ne c t i o n s be t we e n p r e f a b ric a t e d T s t r i n g e r s a n d fl o o r b e a ms ，i n c r e a s i n g t h e s e c t i o n s i z e o f b o r d e r s t ri n g e r s a n d l i n k i n g t h e m wi t h t h e fl o o r b e a ms ri g i d l y，S O t h a t t h e o u t o f p l a n e s t i f f n e s s o f t h e fl o o r s y s t e m c a n b e i mp r o v e d a n d t h e fl o o r s y s t e m c a n b e a p o w e r f u l flo o r be a ms a n d s t ring e r s t o r e s i s t t h e o u t s i d e l o a d Ke y wor ds： c o n c r e t e fil l e d s t e e l t ub u l a r t rus s a r c h b r i d g e；fin i t e e l e me n t me t h o d；s t a b i l i t y 随着钢管混凝土在桥梁工程 中得到推广 与应 用 ， 拱桥趋于轻型美观 ， 同时跨越能力也得到显著 提高。拱桥是以受压为主的结构体系， 其空间稳定 性一直是桥梁工程 师所关心 的问题 j 。拱桥 的跨 径越大 ， 桥梁的宽跨 比越小 ， 加上拱肋的轻型化又 导致其刚度进一步减小 ， 使得拱桥 的空间稳定性问 题更加突出。南水北调丹江 口库区小三峡大桥主 桥初步设计方案为一座宽跨 比为 1 1 7 3的中承式 钢管混凝土桁架拱桥， 横向刚度较小， 所以， 横向稳 定性问题较突出 ， 为此 ， 本文作者对该桥 的空间稳 定性能进行研究。 小三峡大桥主桥初步设计方案是一座跨径为 2 6 0 m的中承式钢管混凝土桁架拱桥 ， 该桥净矢跨 比为 1 5 ， 主拱轴 线 为无 铰悬 链 线 ， 拱 轴 系数 为 1 5 4 3 。拱肋 断面采用 ( 1 ) 9 5 01 2 mm钢管组成拱 肋上 、 下弦杆 ， 截面高为 5 m， 宽为 2 2 5 m， 水平 向 由 6 =1 2 mm缀板横向连接 2根主钢管 ， 腹杆采用 ( ) 3 5 1 X 1 0 m m钢管作竖向连接 ， 拱肋断面图如图 1 所示 ， 主拱肋拼装形成后在 q 9 5 0钢管和缀板 内均 灌注 C 6 0混凝土 ； 两拱肋之 间设有 9道横撑 ， 桥面 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 3 2 0 基金项 目： 河南 省杰 出人才计划项 目( 0 8 4 2 0 0 5 1 0 0 0 3 ) 作者简介 ： 王艳( 1 9 8 0) ， 女 ， 河 南清丰人 ， 硕士 ， 讲 师 ， 从 事复杂桥 梁结构分析研究 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 2月 上5 道钢桁架横撑， 横撑杆采用 5 01 0 m m钢 管 ， 竖杆及斜杆均采用 3 5 11 0 mm钢管相连 。 吊杆间距5 3 m， 采用 P E S 7 5 5 丝镀锌高强平行 钢丝 ， 抗拉强度标准值 =1 6 7 0 MP a ， 锚具采用 P E S M一 5 5冷铸镦头锚。行车道系 由预制混凝 土 小 T梁 、 预应力混凝土横梁组成 ， 桥面小 T梁架在 横梁上 、 下设 有支座， 为先简支后连续结 构； 小 T 梁预制高度 4 2 c m， 采用 C 3 0级混凝土 ； 横梁高 1 2 m， 长 1 5 m， 采用 C 5 0级混凝土， 每片横梁有4股钢 铰线 ， 采用高强低松弛 7 1 5 2预应力钢铰线。拱 上排架采用 3根 t r 0 01 0 m m钢管作竖向支撑 ， 内灌 C 6 0混凝土 ， 中间设置 5 11 0 m m钢管作 斜撑 ， 拱上每边设 3组排架 ， 问距 6 m。桥面总宽 1 2 m， 布置为 1 m人行道 +0 5 m护栏 +9 m行车 道 + 0 5 m护栏 +1 m人行道 ， 桥 面设置 2 的双 向横坡 ， 汽车荷载为公路 级 ， 桥型图见图2 。 t =- l 2 m i i i 缀板 单位 ： c m 图 1 拱 肋截 面 F i g 1 C r o s ss e c t i o n o f a r c h 单位 ： c m 图 2小三峡 大桥桥型 图 Fi g 2 T y p e o f x i a o s a nx i a b i r d g e 1 有限元建模 小三峡大桥主桥由拱肋 、 吊杆和桥 面系组成 ， 拱肋为桁架式组合拱， 上、 下弦管为哑铃型截面的 钢管混凝土构件 ， 之间由腹管相连 ； 桥面系则由纵、 横梁组成。为分析该桥的空问稳定性 ， 采用有限元 程序 M i d a s c i v i l 建立桥梁的空间有限元计算模型。 在桥梁建模中， 结合该桥的结构特点， 并依据类似 工程计算实例怛 J ， 拱肋腹管、 横撑、 拱上排架、 横 梁及纵梁均采用空间梁单元模拟， 吊杆采用桁架单 元模拟， 桥面板采用 4节点的空间板单元模拟。由 于桁架拱肋截面形式较复杂 ， 为精确反映拱肋的受 力， 计算时将拱肋上、 下弦管截面采用钢管混凝土 空间梁单元模拟， 采用板单元模拟2 根钢管中间的 连接部分缀板 ， 最终组成 哑铃型截面； 整个模型划 分梁单 元 2 2 6 8个 ， 桁 架单元 8 2个 ， 板单元 6 0 8 个 ， 共计 2 9 5 8个单元 。桥梁的约束形式为 ： 各拱 肋拱脚处边界条件按固结处理 ， 桥面系与引桥相连 处仅约束竖向位移， 释放其余自由度。小三峡大桥 主桥有限元计算模型如图 3所示。 计算模型的材料特性根据设计 图纸按规范取 值 ， 其 中用板单元模拟的两钢管 中间的混凝土与缀 板部分 ， 按照面积等效计算得出该部分材料的换算 弹性模量。共分 3种荷载工况进行弹性稳定性计 算 ， 工况 1 ： 全部恒载 ； 工况 2： 全部恒载 +全桥活载 ( 对称) ； 工况 3 ： 全部恒载 +活载( 偏载) 。 单位 ； e ra 图3 桥梁有限元计算模型 F i g 3 F i n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e ma i n b r i d g e 2 计算结果及分析 拱桥的失稳可分为平衡分支失稳( 第 1 类) 和 极值点失稳 ( 第 2类 ) 。第 1类稳定 问题 ， 力学概 念单纯明确 ， 结构稳定通常转化为特征值问题 ， 计 算方便 ， 而且其临界荷载近似地代表第 1 类稳定 问 题的上限， 因而受到技术人员的欢迎 J 。 结构的稳定问题可以用“ 特征值分析” 的方法 来求解 ， 结构稳定特征值方程式为 ： + A ) = 0 ( 1 ) 式中： K 为结构的弹性刚度矩阵； 为结构的 几何刚度矩阵 ； 为结构整体位移 向量增量 ； A 是 1个常数 即为稳定系数( 特征值 ) ， 荷载增加 A 倍时， 几何刚度矩阵也增加 A倍 ， 临界荷载通过初 始荷载与特征值的积得到。 第 1 期 王艳 ， 等： 大跨径钢管混凝土桁架拱桥稳定性分析 9 根据上述桥梁计算模型计算得到的小三峡大 桥主桥的稳定 系数 、 失稳特征如表 1所示 ； 3种 工 况桥梁前 4阶失稳模态相同， 如 图4 7所示。 表 1 桥梁稳定系数及失稳模态特征 Ta b i l S t e a d y s a f e t y f a c t o r a n d b u c k l i n g mo d e c h a r a c t e r o f t h e b r i d g e u n d e r e a c h g i v e n l o a d e a s e 图 4第 1阶失稳 形态 F i g 4 1 s t b u c k l i n g mo d e s h a p e 图 5第 2阶失稳形 态 Fi g 5 2 n d b u c k l i n g mo d e s h a p e 第 3阶失稳形态 3 r d b u c k l i n g mo d e s h a p e 图 7第4阶失稳形 态 F i g 7 T h e 4 t h b u c k l i n g mo d e s h a p e 由分析计算结果可知 ： ( 1 ) 3种计算工况得到的桥梁前 4阶失稳形态 大致相同， 对应的桥梁第 1阶稳定系数也均在 3 5 3 8之 间 ， 与 一般 拱桥稳 定 系数 为 45的要 求 相比， 略微偏小； 3种工况前 4阶失稳形态 均表现为拱肋的面外横向失稳， 而该桥各工况下的 整体竖向失稳在高阶才出现。以工况 1为例 ， 桥梁 在第 1 2阶才出现全桥 的竖 向失稳形 态 ， 说 明桥梁 竖向刚度 比横 向刚度大很多 ， 桥梁的竖向刚度能够 满足设计要求 ， 但桥梁拱肋横 向刚度 需要加强 ， 可 以通过加大桁架拱肋格构式截面的尺寸 ， 达到增加 其横向刚度的效果。由于横撑的结构形式与布置 、方式也对拱肋横 向刚度 有较大影 响， 所以， 可以通 过改善拱顶横撑的结构形式并优化其布置方式来 达到提高拱肋横向刚度 的效果。 ( 3 ) 从工况 1的前 l O阶失稳形态来看 ， 只有 两 阶表现为桥面系不动， 其余失稳形态中桥面系均 随拱肋的横向失稳而发生不同程度的扭转 ， 个别失 稳形态中桥面同时表现出扭转与横向弯曲失稳 ， 说 明桥面系整体面外刚度较小。这是 由于组成桥 面 系的纵梁刚度较小 ， 而且 与横梁不 能有效协 同工 作， 导致桥面系面外刚度较小。建议： 预制 T梁与 横梁加强连接 ； 加大边纵梁截面尺寸 以提高其 自身 的截面刚度 ， 并与横梁刚性连接 ， 达到与横梁形成 封 闭框架共 同承受荷载 的目的 ， 从而提高桥面系的 1 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年2月 面外与抗扭刚度。 ( 4 ) 拱肋横 向失稳是钢管混凝土拱桥常见的 失稳形态 ， 一般的中、 大跨径拱桥 的第 1阶失稳形 态主要表现为拱肋面外反对称横 向失稳或拱肋面 外对称横向失稳 ， 失稳形 态与横撑结构形式、 布置 方式以及桥梁的结构形式有很大关 系 l 4 ， m ， 小三峡大桥主桥表现出的失稳特征与其他钢管混 凝土拱桥表现 的失稳特征类似 ， 说明9道横撑发挥 了一定作用 ， 起 到 了协 同两主拱肋 同步工作 的效 果 ， 但拱肋整体横向刚度仍需要加强。 ( 5 ) 工况 2与工况 1相 比， 恒载与活载共同作 用下的桥梁稳定系数仅减小 4 5 ， 在工况 2与工 况 3这 2种方式的活载布置情况下， 工况 3比工况 2的桥梁稳定系数略小， 二者非常接近， 这说明桥 梁恒载 比例较大 ， 对结构 的稳定性能起主要作用 ； 而活载影响较小， 同时也是因为该桥面较窄 ， 结构 对活载横 向布置方式变化不灵敏。 3 结论 ( 1 ) 该桥拱肋的横 向刚度较弱， 可以通过优化 拱肋截面尺寸与改善横撑结构形式来提高其横 向 刚度 ， 至于采用哪种横撑结构形式和布置方案则有 待进一步研究。 ( 2 ) 桥面系的面外刚度略弱 ， 需要加强预制小 T梁与横梁的连接 ， 同时加大边纵梁的截面尺寸 以 提高其刚度并与横梁固结， 这样桥面系可以形成强 大的梁格体系共同抵抗外荷载的作用， 确保该桥梁 稳定安全。 参考文献 ： 1 沈尧兴， 赵志军， 华旭刚 大跨度钢管混凝土拱桥的稳 定性分析 J 西南交通大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 8 ( 6 ) ： 6 5 5 6 5 7 S H E N Y a o x i n g ， Z H A O Z h i - j u n ， H U A X u g a n g S t a b i l i t y a n a l y s i s o f l o n g s p a n a r c h b rid g e o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s J J o u r n a l o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ， 3 8 ( 6 ) ： 6 5 5 6 5 7 2 李玲瑶， 陈政清， 葛耀君 钢管混凝土拱桥拱肋横撑对 动力和稳定性 的影响 J 公路交通科技， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) ： 7 0 7 4 L I L i n g - y a o ， C H E N Z h e n g q i n g ，G E Y a o j u n E f f e c t s o f a r c h ri b c r o s s b a r s o n d y n a mi c a n d s t a b i l i z a t i o n c h a r a c t e r - i s t i c s o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h b ri d g e J J o u rna l o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h a n d De v e l o p m e n t ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) ： 7 O一 7 4 3 谷定宇 ， 陈淮， 王艳， 等 潮洲韩江北桥斜靠拱桥稳 定性分析 J 公路交通科技， 2 0 0 6， 2 3 ( 3 ) ： 1 0 01 0 3 GU Di n g - y u ，C HE N Hu a i ，WANGY Ya n， e t a 1 S t a b i l i t y a n a l y s i s o f t h e C h a o z h o u H a n j i a n g r i v e r n o rt h e n d o u b l e xs h a p e ar c h b ri d g e J J o u rnal o f H i g h w a y a n dT r a n s p o rt a t i o n R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 0 6 ， 2 3( 3 ) ： 1 0 0 1 03 4 葛素娟， 陈 淮 考虑吊杆损伤的拱桥稳定性分析 J 世界桥梁， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 3 8 4 1 G E S u j u a n ， C H E N H u a i A n al y s i s o f a r c h b ri d g e s t a b i l i t y a f f e c t e d b y d a m a g e s i n s u s p e n d e r s J Wo r l d B ri d g e s ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 3 8 4 1 5 李亚东 ， 李元兵， 耿德云 宜宾金沙江戎州大桥施工稳 定性分析 J 桥梁建设 ， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 1 3 L I Ya d o n g，L I Yu a n b i n g ，GE NG D e - y u n An aly s i s o f c o n s t r u c t i o n s t a b i l i t y o f R o n g z h o u b ri d g e a c r o s s J i n s h a j i a n g R i v e r i n Y i b i n J B ri d g e C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 1 3 6 陈淮， 孙应桃 斜靠式拱桥拱肋倾角变化对稳定性能 的影响 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 9 ， 6 ( 1 ) ： 2 l一 2 4 CHE N Hu a i ，S UN Yi n g t a o V a r i a t i o n al s l o p i n g a n g l e o f a r c h rib i n fl u e n c e d o n t h e s t a b i l i t y o f d o u b l e X - s h a p e d a r c h b r i d g e J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r - i n g ， 2 0 0 9 ， 6 ( 1 ) ： 2 1 2 4 7 王元清， 姜波 ， 石永久 ， 等 大跨度钢管混凝土拱桥施 工稳定性分析 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 3 ( 5 ) ： 15 WA N G Y u a n - q i n ， J I A N G B o ， S H I Y o n g - j i u ， e t a 1 A n a l y s i s o f s t a b i l i t y o f l o n g s p a n c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e ar c h e d b r i d g e i n c o n s t ruc t i o n f J 1 J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 3 ( 5 ) ： 1 5 8 陈淮， 胡锋， 申哲会 ， 等 斜靠式拱桥稳定性分析 J 福州大学学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 增刊) ： 1 8 2 1 8 6 CHE N Hu a i ，HU F e n g，S HEN Z h e h u i ，e t a 1 S t a b i l i t y a n a l y s i s o f d o u b l e Xs h a p e arc h b r i d g J J o u r n al o f F u z h o u U n i v e r s i t y ： N a t u r al S c i e n c e ， 2 0 0 5 ，3 3( S u p p 1 ) ： 1 8 21 8 6 9 陈宝春 钢管混凝土拱桥设计与施工 M 北京： 人民 交通 出版社 ， 1 9 9 9 C HE N B a o c h u n De s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f C F S T a r c h b ri d g e M B e ij i n g ： C h i n a C o m m u n i c a t i o n P r e s s ， 1 9 9 9 1 0 张治成 ， 徐芸青 ， 王云峰 ， 等 大跨度 中承式拱桥侧 向 稳定的空间有限元分析 J 中南公路工程， 2 0 0 3 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 3一l 5 Z HA NG Z h i c h e n g，XU Yu n - q i n g ，W A NG Yu n - f e n g， e t a 1 T h r e ed i me n s i o n al F EM a n aly s i s o f l a t e r al s t a b i l i t y f o r l o n g s p a n h al f t h r o u g h ar c h b ri d g e J C e n t r al S o u t h H i g h w a y E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 3 1 5 1 1 乔长江 大跨经钢管混凝土系杆拱桥整体稳定性研究 D 武汉， 2 0 0 6 Q I A O C h a n g - j i a n g R e s e a r c h o n u n i t a r y s t abi l i t y o f l o n g s p a n C F S T b o w s t r i n g a r c h b ri d g e s D Wu h a n ， 2 0 0 6 1 2 杨海平， 赵灿辉， 陈舣亦 肋间横撑对钢管混凝土拱桥 稳定性的影响 J 公路交通技术， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 8 9 9 1 YAN G Ha i - p i n g ，Z HAO C a n - h u i ，CHE N Y i y i E f f e c t o f t r a n s v e r s e b r a c e o n s t a b i l i t y o f c o n c r e t efi l l e d s t e e l t u b e a r c h b ri d g e s J T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 8 9 9 1