下承式钢管混凝土拱桥拱脚空间应力分析.pdf

下承式钢管混凝土拱桥拱脚空间应力分析 马雅 林 ，毛 亚 娜 ，刘 世 忠 ，叶 丹 ( 1 中铁二 院工程集 团有限责任公司 ，成都6 1 0 0 3 1 ； 2 兰州交通大学 ，兰州 7 3 0 0 7 0 3 中铁工程设计咨询集团有限公 司，北京 1 0 0 0 5 5 ) 桥 梁 摘要 ： 采 用 8节点六 面体单元和 4节点壳单元 ， 对 大理 河钢 管混凝 土拱桥进 行 了拱脚 三维有 限元分析 ， 计 算分析 了各 关键施 工阶段 拱脚应力的 空间分布特征及其 传力特性。针 对个别阶段 出现拉应 力的情 况， 提 出了施 工工序的 优化 以及局部 抗拉 钢筋网的加强措施 ， 监测结果显 示， 上述 措施取 得 了 良好 的效果。结合拱 脚局部传 力特性 的分 析结 果， 可 以得 出， 该桥 拱脚受力主要 以纵 向受压 为主 ， 应 力分布 比较 均 匀， 总体 受 力合 理 ， 可 满足承 载和传 力的 要 求 。 关键词 ： 下承式钢管混凝 土拱桥 ；拱脚 ；有 限元 ；空间应力分析 中图分类号 ： U 4 4 8 3 8 ； U 4 4 8 2 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 4 9 0 4 S pa t i a l S t r e s s Ana l y s i s o f Ar c h Abut me n t o f a Th r o ug h Co nc r e t e fil l e d St e e l Tu be Ar c h Br i dg e Ma Ya l i n，Ma o Ya n a，L i u S h i z h o n g，Ye Da n ( 1 C h i n a Ra i l wa y E r y u a n E n g i n e e r i n g Gr o u p C o ，L t d ， C h e n g d o u 6 1 0 0 3 1 ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y，L a n z h o u 7 3 0 0 7 0；3 C h i n a Ra i l wa y E n g i n e e r i n g De s i g n a n d C o n s u h a n t Gr o u p Co ，L t d ，B e ij i n g 1 0 0 0 5 5) Ab s t r a c t ：Ad o p t i ng 8- n o d e h e x a h e d r o n s o l i d e l e me n t s a nd 4- n o d e s h e l l e l e me n t sfin i t e e l e me n t a n a l y s i s f o r t h e a b u t me n t o f Da l i h e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e a r c h b r i d g e wa s c a r r i e d o ut a t t h e s a me t i me t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s p a t i a l s t r e s s e s a n d l o a d i n g t r a n s mi s s i o n f e a t u r e s o f a r c h a b u t me n t a t e a c h ke y c o ns t r u c t i o n s t a g e we r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e dAi mi n g a t t h e e me r g e n c e o f t e n s i o n s t r e s s e s i n e a c h s t a g e，me a s ur e s o f o p t i mi z i n g r e mo v a l p r o c e d ur e o f r i b s u p p o r t s a n d i n t e n s i f y i n g s t e e l f a b r i c a g a i ns t t e ns i o n we r e p u t f o r wa r d，mo n i t o r i n g r e s u l t r e v e a l e d t ha t a bo v e me a s u r e s we r e e f f e c t i v e I n c o r p o r a t i n g r e s u l t s o f a n a l y s i s for pa r t i a l f o r c e t r a n s mi s s i o n f e a t u r e s o f a r c h a b u t me n t ，i t c a n be c o n c l u de d t h a t t h e r e a r e ma i nl y l o n g i t ud i n a l c o mp r e s s i v e s t r e s s e s i n t h e a r c h a b u t me n t wh i c h a r e we l l a nd r e a s o n a b l y d i s t r i b u t e d，t h u s ，t he a b u t me n t c a n f u l f i l l t he r e q u i r e me n t s o f l o a d b e a r i n g a n d f o r c e t r a n s mi s s i o n Ke y wor ds ： T h r o u g h c o nc r e t e - f i l l e d s t e e l t u be a r c h b r i d g e； Ar c h a bu t me n t ； fin i t e e l e me n t ；S pa t i a l s t r e s s a n a l y s i s 钢 管混凝 土 简支 拱 桥 是 一 种 造 型 美 观 、 受 力合 理 的结构形式 ， 属于外部静定 、 内部超静定体系。简支拱 桥的拱肋与主梁在拱脚处交结在一起 ， 构造复杂 ， 拱脚 不仅要承受拱梁结构 的压弯作用 ， 其受力还受到桥 墩 竖向支座反力 的影响。拱脚部位受力的复杂性使其在 整个 结构 受力 中显 得 至关 重要 。本 文建 立 了大理 河 钢 管 混 凝土 拱桥 的全 桥杆 系模 型及 拱脚 局 部应 力空 间分 析模型 ， 以 2种模型的计算结果相结合分析了各关键 施工阶段拱脚应力的空间分布特征及其传力特性。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 8 0 6 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 6 8 0 0 8 ) 作者简介 ： 马雅林( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 助 理工 程师 ， 2 0 1 0年毕业 于 兰州交 通 大 学 ， 工学硕 士。 铁道标准设 计R A I LW AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 1 ( ) 该桥位于陕西省子洲县境 内， 是太 中银铁路跨越 青银高速公路 的 1座大型铁路桥梁 ， 桥孔 布置为 1 8 0 m简支 拱 梁 。梁 部 采用 双 主纵 横 梁 体 系 。拱 肋 采 用 钢管混 凝 土哑铃 形拱 ， 矢 跨 比 为 1 5 ， 拱 轴 线 采用 二 次抛物线 。拱肋之间沿桥跨方向在两侧各设 1 道“ K” 形 横撑 ， 中间设 1道 “ 一 ” 字 形 横 撑 。全 桥 共 设 1 I对 吊杆 。总体布置见图 1 。 图 2为 大理 河 钢 管 混 凝 土 拱 桥 拱 脚 局 部 构 造 示 意。拱肋在拱脚处没有与主梁直接连接， 而是通过构 造钢筋与主梁形成整体。为增大拱脚 承压面 ， 拱脚处 拱肋由两直径为 1 m的钢管混凝土组成的哑铃形截面 变为 1 8 mx 4 5 m矩形混凝土截 面， 拱脚钢箱模板 内 设有横向拉杆。 49 桥 梁 1 3 75 马雅林 ， 毛亚娜 ， 刘世忠 ， 等一下承式钢 管混凝 土拱桥拱脚 空间应力 分析 一 图 1 大理河桥总体布置 ( 单位 ： c m) 一 G2 G 3 4 , 1 8 1 5 叫墨 二 G7 q 5 25 1 5 晷 蕊 G 9 b 2 5 1 5 图 2拱脚局部构造示意 ( 单位 ： c m) 运用 平 面杆 系有 限元 软件 对该 桥进 行 了施工 过程 模拟计算 ， 分析结果表 明， 在拱肋支架拆 除阶段 ， 拱肋 插人 拱脚 处 以及 主梁 根 部截 面下 缘 均 出现 了拉 应 力 ， 这对拱脚的受力是极为不利的。由于一般的杆系结构 有 限元模 型无 法 给 出拱 脚 内部 的应 力 分 布规 律 ， 为 了 更 深入地 了解 拱脚 的空 间应 力 分 布 特 征 ， 采 用 更 精 细 的三维 有 限元 模 型对拱 脚进 行空 间应力 分 析是很 有 必 要 的 。 1 有 限元计算 模型 1 1 全桥 平面 杆 系模 型 该 桥为 采 用 满 布 支 架 施 工 的 铁 路 钢 管 混 凝 土 拱 桥 ， 其 基本施 工 过程 可分 为 ： 在 满布 支架 上浇筑 主梁 一 张拉部 分预 应力 束一 在满 布支 架上 安装拱 肋一 浇筑 钢 管 内混凝 土一拆 除拱 肋支 架一 安装 吊杆并 施加 初 张力 一张拉剩余预应力束一调整吊杆张拉力一二期恒载上 桥 一 成桥运 营 。 由平面杆系有限元模型 的计算 结果可知 ， 拱脚受 力关键阶段为 ： ( 1 ) 拱肋支架拆 除阶段 ； ( 2 ) 剩余预应 力束张拉后 ； ( 3 ) 调 索完成后 ( 弯矩最大工 况 ) ； ( 4 ) 运营阶段 ( 轴力最大工况 ) 。计算得到该桥在 以上 阶段 的 内力 、 应 力分 布规 律 以及 如 图 3 、 图 4所 示 结构在铁路重载作用下的内力包络图 ， 并以此作 为该 桥拱脚局部应力分析的依据。 图 3 结构弯 矩包 络图 ( 单位 ： k N m) 1 2三维 空 间有 限元模 型 利用 大型通 用有 限元 软件 建立 了拱脚 局部 空 间模 50 图 4结构轴力包络 图( 单位 ： k N) 型 ， 其 中 ， 方 向表示 顺 桥 向， y方 向表示 横 桥 向 ， z方 向为竖向。由圣维南原理可知 ， 拱脚局部的应力分布 只 与其邻 近 区域 的应力 状 态 有 关 ， 而 远 离拱 脚 区域 的 应力状态对拱脚处 的应力分布影响则可 以忽略。另 外 ， 由平面模型计 算结果 可知 ， 在纵向距离 支座 1 3 m 处 ， 梁体与拱肋部位的弯矩均达到最大值且变化稳定。 因此 ， 在 选取 拱脚 局部模 型 的尺寸 时 ， 沿 纵 向截取距 离 支 座 1 3 m范 围 内的拱梁 部分 、 沿横 向取全 桥结 构 的一 半是合理的， 可以消除边界效应的影响。 图 5表示拱脚空间有限元模型。由于拱肋内灌注 了 C 5 0混凝 土 ， 因此 ， 主 梁 、 拱 脚 及 拱肋 内混 凝 土 均采 用 8节点六面 体等参元予 以模拟 ， 而拱肋钢 管采用 4节点壳单元予以模拟。为更准确地反映该桥拱脚空 间应力分布特征 ， 将拱肋插入拱脚处单元划分适当加 密。拱脚局部模 型共划分实体单元7 9 2 0 8 个 ， 壳单元 2 5 4 3 个 ， 梁体悬臂端弹簧单元 6个。 二兰 竺 竺 二竺竺 _ - = ( a ) 对梁体根部施加集中力 ( b ) 以面荷 载的形式施 加拱肋与梁端 内力 图 5 拱 脚 空 间精 细 有 限元 分 析 模 型 在拱 脚 局部模 型 中 ， 将 主 梁 根部 假 定 为 铰 支并 施 加顺桥向的集中荷载以平衡 由拱肋与梁端传来的水平 推力 ， 如 图 5 ( a ) 所 示 ， 只有这 样 ， 才 能 准确模 拟 外 部静 定 内部超静定的简支梁拱组合结构拱脚处的实际受力 状 况 ， 将 横 向跨 中处理 为 自由端 ， 梁体 纵 向悬 臂端 设置 弹簧单元以模拟梁端变形 ， 如图 5 ( b ) 所示 。从平面模 型计算结果 中提取出相应位置的内力 ， 由整体模型中 的单元 局部 坐标 系 转换 至 局 部模 型 的整 体 坐标 系下 ， 即可按静力等效的原则将每个构件所受内力施加于拱 脚 。表 1为利用 平 面杆系有 限元 模型 计算得 到 的拱 脚 构件在拱肋支架拆除阶段 、 剩余预应力束张拉后、 调索 完成 后 、 运 营 阶段 4种工 况下 的 内力 。 2有限元计算结果分析 拱脚 空间有 限元模 型 的计算 结果 表明 ， 在上述 4种工况下 ， 拱脚结构的纵向应力 均远大于横 向应 铁道标准设 计R A I L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 j ( 1 1 ) 客运专线常用跨度简支箱梁施工注意 事项及常见问题解析 邓运清 ( 中铁工程设计咨询集 团有 限公 司 ，北京 1 0 0 0 5 5 ) 桥 梁 摘 要 ： 我 国客运 专线铁路 建设 中大量采 用了简支箱粱结构 ， 简支箱 梁的制造 大多采用现 场预 制的 生产 方式 ， 为保 证整孔 箱梁质量提 供 了有利条件 。整孔 箱梁为大体积混凝土构件 ， 施 工 中有很 多控制环 节和细节 问题 需要加 以注 意 ， 同时箱 梁接 口设计 的实现 直接 影响到 高速铁路 系统 工程质 量。针 对简支箱梁施 工中应注意的 关键 问题和 常见 问题加 以分析 ， 以指 导制梁场在箱梁施工 中制定有 效的工艺措施 ， 保证 工程质 量。 关键词 ： 客运专 线；简支箱粱；施 工 ；常见 问题 中图分 类号 ： U 2 3 8 ；U 4 4 5 4 7 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 5 3 0 6 Ana l y s i s o f Co n s t r u c t i o n Pr e c a u t i o ns a nd Ro u t i n e Pr o bl e ms o f S i mpl y- s up po r t e d Bo x Be a ms o f Co m m o nl y - u s e d Sp a n s Appl i e d o n Pa s s e n g e r De di c a t e d Li ne s De n g Yu n q i n g ( C h i n a R a i l w a y E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d C o n s u l t a n t G r o u p C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 5 5 ) Abs t r a c t ：S i mp l y - s u p p o r t e d b o x b e a m s t r u c t u r e h a s b e e n wi d e l y u s e d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f p a s s e n g e r d e d i c a t e d r a i l wa y l i n e s i n Ch i n a Si mp l y - s u p po r t e d bo x b e a ms a r e pr e f a b r i c a t e d wi d e l y o n c o n s t r u c t i o n s i t e wh i c h o f f e r s a f a v o r a bl e c o n d i t i o n f o r t h e q u a l i t y o f f u l l s p a n bo x b e a ms F ul l s p a n b o x g i r d e r i s a n e l e me n t o f l a r g e v o l ume c o n c r e t e，t h e r e a r e ma n y c o n t r o l l i nk s a n d d e t a i l p r o b l e ms t o b e n o t i c e d，a nd t h e j o i n t d e s i g n o f b o x b e a ms h a s d i r e c t i n fl u e n c e o n t h e p r o j e c t q u a l i t y o f h i g h s p e e d r a i l wa y s y s t e mT h i s p a p e r a n a l y z e s k e y a n d c o mmo n pr o b l e ms o f t h e c o n s t r u c t i o n o f s i mp l y s u p p o r t e d bo x be a ms，i n o r d e r t o g i v e g u i d a nc e for p r e f a b r i c a t e d b e a m p l a n t s t o t a k e e f f e c t i v e t e c h n i c a l me a s u r e s f o r t h e f a b r i c a t i o n o f b o x b e a ms t o e n s u r e e n g i n e e r i n g q ua l i t y Ke y wo r ds：Pa s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e；S i mpl y s up p o r t e d b o x b e a m ；Co n s t r u c t i o n；Ro u t i n e p r o b l e ms 1 概 述 客运专线铁路与我国既有铁路相 比， 具有速度高、 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 9 0 1 作者简介 ： 邓运清 ( 1 9 6 5 一 ) ， 女 ， 教授级 高级 工程 师 ， 1 9 8 7年 毕业 于长 沙铁道学院铁道工程专业 ， 工学学士。 分散作用 。综上所述 ， 本桥拱脚构造 的设计是一种 比 较合理的方案 ， 能确保承载与传力的功能。 参考 文 献 ： 1 中华人 民共和 国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 1 2 o 0 5 铁路 桥涵设计 基本 规范 S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 2 中华人民共和国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 2 2 0 0 5 铁路桥 梁钢结 构设 计规范 S 北 京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 5 3 中华人 民共和国铁道部 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 铁路 桥涵钢 筋混凝土 和预应力混凝土结构设计规范 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 4 陈宝春 钢管混 凝土拱 桥设 计与施 工 M 北京 ： 人 民交 通 出版 铁道标准 设计R A I L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 1 ( 1 1 ) 对线路平顺性要求高等特点 ， 要求其下部结构物具有 较大的抗弯和抗 扭刚度 ， 整孔箱梁具 有受力简单 、 明 确 、 形 式简 洁 、 外 形美 观 、 抗 扭 刚度大 ， 建成 后 的桥 梁养 护工作量小 以及噪声小等优点 ， 在许多国家 的高速铁 路 建设 中得 到 了广泛 应 用 ， 特 别 是 近几 年 在 我 国客运 i1 11 I I, I 社 ， 1 9 9 9 吴定俊 ， 王小松 ， 项海帆 高速铁路尼尔森拱桥 车桥动力特性 J 铁道学报 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 9 61 0 0 宗周红 ， B i j a y a j a i s h i ， 林友 勤 ， 任伟新 西宁北 川河钢 管混凝 土拱 桥 的理论和实验模态分析 J 铁道学报 ， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 9 1 9 4 马坤全 ， 李 国胜 ， 吴定 俊 V形刚 构组合 拱桥 拱脚 空间应 力分 析 J 世界桥梁 ， 2 0 0 3( 1 ) ： 4 8 5 1 彭桂瀚 下承 式钢管 混凝 土刚架 系杆拱桥拱 脚有 限元应 力分析 J 福州大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7， 3 5 ( 1 ) ： 8 58 8 郑振飞 ， 徐艳 ， 陈宝春 深圳北 站大桥拱墩 固结点局部应力 J 中国公路学报 ， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 6 77 2 5 3