下承式钢管混凝土拱桥设计研究.pdf

公路 交通技术 2 0 1 0年 4月 第 2 期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t A p r I 2 0 1 0 N o 2 下承式钢管混凝土拱桥设计研究 陈金龙，乔建东 ( 中南大学土木建筑学院 ，长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘要 ：结合涟水河大桥 的设计 ，介绍下承式钢管混凝 土拱桥的特 点，阐述该桥 的总体设计和 结构设计。对桥 中吊 杆 、横撑 处理及结构分析等诸方面技 术措施进行详细介 绍，并结合 分析提 出一些观点。 关键词 ：钢管混凝土 ；拱桥 ；模态分析 ；稳定分析 ；局部应力分析 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 4 0 0 6 中图分类号 ：U 4 4 8 2 2 文献标识码 ：A St u d y o n De s ig n o f Th r o u g h Co n c r e t e F i l l e d St e e l Tu b e Ar c h Br id g e C H E N J i n l o n g ， Q I A O J i a n d o n g Ab s t r a c t ：I n c o mb i na t i o n wi t h t he de s i g n o f Li a n s h ui Ri ve r Br i d g e， t h i s pa p e r i n t r o d uc e s t h e f e a t u r e s of t h r o u g h c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub e( C F S T ) a r c h b r i d g e a n d e x p a t i a t e s g e n e r a l d e s i gn a n d s t r u c tur a l d e s i g n o f t he br i d g e In t he p a p e r t he t e c h ni c a l me a s ur e s wi t h r e s pe c t t o t he t r e a t me n t f o r s us pe n d e r s ， c r os s - b r a c e s a n d s t ru c t u r a l a na l y s i s ，e t c a r e i n t r od uc e d i n de t a i l ，a n d s o m e v i e wp oi n t s a r e pu t f o r wa r d b a s e d o n t he a n a l ys i s Ke y w o r d s ：c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e ( C F S T ) ； a r c h b r i d g e ； mo d a l a n a l y s i s ； s t a b i l i t y a n a l y s i s ； l o c a l s t r e s s a n a l ys i s 近年来 ，钢管混凝土拱桥在我国发展很快，是 大跨度拱桥的一种较理想的结构形式。钢管混凝土 作为钢管 一混凝土组合结构材料 ，一方面借 助 内 填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性 ，提高钢管的 抗腐蚀性和耐久性 ；另一方面借助管壁对混凝土的 套箍作用 ，提高了混凝土的抗压强度和延性， 将钢 材和混凝土有机地组合起来 。在施工方面 ，钢管混 凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板 ，施工 吊装重量轻 ，进度快， 施工用钢量省。由于在材料 和施工方法上的优越性 ，将这种结构应用于以受力 为主的拱桥是十分合理的，钢管混凝土的出现解决 了拱桥材料与施工的 2大难题。本文结合涟水河大 桥的设计 ，介绍该类桥型的结构特点。 1 工 程概况 涟水河大桥 为 8 1 m下承式钢管混凝土拱桥 ， 桥面系采用纵横梁体系。系梁采用高度为 2 m的 实体截面预应力混凝土结构 ，在主纵梁两端各 8 9 m范围内加高至 3 i n ，顶宽 3 1 5 m，底宽各 2 0 I n， 桥面板厚 0 3 In。梁端设置端横梁 ，在 吊杆处设置 中横梁。端横梁及中间小横梁均采用矩形截面预应 力混凝土结构 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 1 1 5 作者简介 ：陈金龙 ( 1 9 8 3 一) ，男 ，湖南省浏阳市人 ，在读研究 生 全桥共设两榀钢管混凝土拱肋，拱肋的理论计 算跨径为 7 7 5 In，计算矢高 1 5 5 In，矢跨 比 1 ， 5 ， 拱肋拱轴线采用 2次抛物线 。拱肋截面为哑铃型 ， 截面高 2 5 in，内灌 C 5 0补偿收缩混凝土。上下钢 管之 间为腹板连接 ，腹板为厚 1 6 m m的钢板 ，腹 板在拱脚处 间距为 1 in，在 中间位置为 0 6 in。横 向两拱肋之间设置 3道横撑，横撑采用桁架式 ，其 中中间为一字横撑 ，两边为 K撑 。拱肋设 1 5对厂 制 吊杆 ， 吊杆 间距 顺 桥 向为 4 0 in。 吊杆 采 用 O V M G J 1 5 3 1 钢绞线整束挤压拉索 ，挤压锚碇套 采用 O V M G J 1 5 3 1 型拉索锚头。吊杆张拉采用单 端张拉 ，张拉端设 于拱圈上 ，固定端设 于系梁梁 底 。图 1 3 分别示出了桥梁总体平面布置、系梁 8 l 【 x 】 l I l l l I I l l I I 1 1 4 4 0 0 I I 地面线 单位 ：c m 图 1 总体平面布置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 2期 陈金龙 ，等 ：下承式铜管混凝土拱桥设计研 究 4 1 5 栏杆 单位 ：c m 图 2 系梁典型截面 ， r ： 8 一一一一一 _ 谴 8 卜 0 i 单位 ：f il m 图 3 拱肋截面 表 1 结构关键部位应 力结果 及拱肋典型截面尺寸。 2 结构整体静力分析 全桥整体结构采用 MI D A S C i v i l 进行分析 。系 梁采用预应力混凝土实心截面，横梁和风撑作为集 中力加载至相应的节点上 。2 期恒载以均布荷载施 加于全桥上 ，钢管混凝土拱肋采用施工阶段联合截 面进行模拟 ，程序 自动进行荷载组合。 计算结果表 明，按承载能力极 限状态计算时 ， 系梁在基本组合作用下各截面承载能力均能满足规 范要求 ，且有一定富余。正常使用极限状态最不利 2 O H 0 1 5 O 委 0 0 5 0 0 l 2 1 O 8 6 4 2 0 7 2 8 8 l O 4 l 2 0 l 3 7 1 5 3 l 6 9 1 8 5 单元号 图4 拱肋钢管应力包络 7 2 8 8 l () 4 I 2 0 l 3 7 l 53 l 6 9 1 8 5 单元号 图 5 拱肋混凝土应力包络 组合下结构关键部位的应力结果对应于表 1 ，图 4、 图 5 所示为拱肋钢管和混凝土应力包络结果 。 系梁跨 中最大挠度 一 1 0 3 7 3 m m，约为跨径的 1 7 8 0 9 ，钢 管拱 肋跨 中最大 挠 度值 为 一 5 9 6 2 7 m m，约为拱肋跨径的 1 1 3 0 0 ，均满足规范要求。 在 弹性阶段组合下 ，吊杆最大拉力为 2 2 5 0 2 k N 。吊杆最大容许破断力为 8 0 7 2 k N，安全系数 n=3 5 9 。吊杆的最大应力 幅为 6 4 8 MP a ，小于容 许应力 幅 2 0 0 MP a 。同时 ，结构各个部分在各施工 阶段性能均能满足规范要求。 3 吊杆力优化 计算 中发现 ，由于初步设计拟定的系梁截面过 于经济 ，导致第 1 次吊杆张拉控制力虽然刚好能保 证施工阶段各个构件的安全 ，但在正常使用阶段的 最不利组合作用下 ，系梁下缘将出现较大拉应力 ， 达到 1 7 5 MP a ，将导致系梁下缘开裂 。为改善系 梁的受力 ，同时保证结构其他部位受力合理 ，对 吊 杆的 2次张拉力进行了优化。优化的方法是在系梁 和拱脚上共选择 9个应力控制点 ，然后 利用 MI D A S 的 “ 从施工阶段结果中分离出荷载工况”功 能 ，分析出每根吊杆力变化 1 0 0 k N时对 9个控制 点的应力影响系数 ，最后形成一个影响矩阵，再利 用优化程序进行求解，得到优化后的索力再输入原 模型进行分析 。结果表明 ，该优化方法十分有效 。 从优化前后的系梁下缘最大组合应力包络图中可以 看 出，优化后的最不利荷载情况下的最大拉应力为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 公路交通技术 2 0 1 0益 20 0 1 o 0 塞一 00 0 _1 _0 0 - 2( ) 0 - 3 o 0 1 6 1 1 1 弋 I， 一 一 单元号 图 7 调整前后系梁下缘最大组合应 力 0 0 9 2 MP a ，系梁几乎全部受压 ，尤其是跨 中部分 拉应力减小十分明显 ，且其他部分应力均满足要 求 。调整前后的吊杆力和系梁下缘最大应力对比情 况如图 6 、图 7 所示。 4 模态 分析 4 1 计算模型 拱肋上 、下弦管为钢管混凝土 ，模型 中采用 B E A M1 8 8 梁单元进行模拟 ；横梁 、纵梁和风撑均 采用 B E A M1 8 8梁 单 元 模 拟 ； 吊杆 和 系 杆 采 用 L I N K I O单元模拟 ，并将单元特性设置为只拉单元 ； 桥面板采用 S H E L L 1 8 1 单元模拟 。模型外观如图 8 所示 。 4 2 计算结果 图8 模态分析计算模型 表 2 模态分析 结果 计算后提取 了前 1 0阶模态的分析结果 ，对应 的结果 列于 表 2 。 总体来说 ，结构基频较高 ，说 明结构 刚度较 大，变形趋势是拱肋和风撑先开始变形 ，相对来说 该部分属于结构的薄弱环节。 5 风撑方案 比选 下承式钢管混凝土拱桥的拱肋稳定问题十分突 出，其往往成为设计 的控制因素，而横撑是提高拱 肋稳定系数的关键构造。为选择合理的横撑形式 ， 在 自重 +风载作用( 工况 1 ) 、自重 +风载 +汽车满 跨 3车道偏载( 工况 2 ) 、自重 +风载 +汽车满跨 6 车道对称加载( 工况 3 ) 作用下 ，分别对单片桁式风 撑 ，双片桁式风撑 ，中间对称 K撑和两侧 K撑进 行 了弹性稳定计算 ，计算结果列于表 3 。 通过对 比各模型所得稳定安全系数 ，发现采用 两边 K型桁式风撑时的稳定安全系数 明显高于其 他几种方案 ，这主要是由于局部稳定与拱肋在两相 邻横向联系构造问的 自由长度有关。一般来说 ，拱 脚段为了保证通行净空和视觉上的开阔 ，从拱脚到 第 1 个横撑之间的拱肋 自由长度在全肋中最长，这 一 根横撑采用 K撑能最大限度地减小拱肋 自由长 度，所 以最终决定采用两边 K型桁式风撑。 6 稳定分析 钢管混凝土拱桥 的主要受力构件以受 压或压 弯为主 ，且钢管混凝 土拱桥随着跨径增大 ，其稳 定问题更为突出。稳定分析采用与模态分 析相同 的计算模型 ，模 型中的各项构件参数也与稳定分 啪 o 4 O 6 2 8 4 2 2 l l z 罐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 2期 陈金龙 ，等 ：下承式钢管混凝土拱桥设计研究 4 3 表 3 各种 类型风撑 1 阶稳定安全系数 应变 ( a )钢材 蓦 、 应变 ( b )混凝土 图 9 钢材和混凝土的应力 一应变关 系 析 中的一致。 工况 4 ：施加 2期横载( 自重 +风载 ) ； 6 1 材料本构关系选取 工况 5 ：使用阶段汽车荷载作用考虑 1 )满跨 非线性稳定 中钢材 的应力 一应变 曲线采用理 想弹塑性模 型 ，混凝土应力 一应变曲线的数学模 型采用 R u s c h建议的曲线 ，上升段为 2次抛物线 ， 下降段为水平直线 。材料的应力 一应变曲线如图 9 所示 。 6 2 荷载工况 横桥向风荷载假定垂直作用于拱肋迎风面积的 形心上 ，F = 7 7 6 1 N m；汽车荷载采用公路 I 级 ， 计入车道折减系数 ；结构 自重 由程序 自动计入 。根 据施工过程和成桥后的实际情况 ，对两边 K型桁式 风撑方案在以下荷载工况下进行弹性稳定分析。 工况 l ：拱圈脱离支架 ，风撑 已安装 ( 自重 + 风 载 ) ； 工况 2 ：顶升上钢管管内混凝土 ，混凝土未达 到强度，仅作荷载( 自重 +风载) ； 工况 3 ：顶升下钢管管 内混凝土 ，混凝土未达 到强度 ，仅作荷载( 自重 十风载 ) ； 表 4 各工况 1阶屈曲分析结果 工况稳定系数 失稳形式 工况稳定系数 失稳形式 1 6 9 2 风撑面外 4 8 0 5 9 拱肋面外 2 6 9 1 6 风撑面外 5 一 l 7 4 5 8 拱肋面外 3 6 9 4 4 风撑 面外 5 - 2 6 9 4 3 拱肋 面外 3车道偏载 ；2 )满跨 6车道对称。 6 3 弹 性屈 曲 弹性屈 曲分析结果 列于表 4 。从 表 中可 以看 出，各工况下稳定 安全系数均大于 4 ，满足要求。 工况 1 3一阶失稳模态均为 K撑面外失稳。工况 4、工况 5 1 ，工况 5 - 2一阶失稳模态均为拱 圈面 外全波形式失稳 。由成桥后的失稳模态可以看出 ， 该桥 的面内刚度相对面外刚度大 ，说 明在运 营阶 段 ，面外失稳显得尤为突出。 6 4 非线性稳定分析 非线性稳定分析中，考虑结构的几何非线性和 材料非线性 ，将特征值屈曲模态 变形 的 1 0 作为 结构 的初始缺陷加入原结构 ，修正结构的节点坐标 位移 m 图 1 0 工况 5 2双重非线性 的 ， _ 曲线 5 5 5 2 5 5 5 l 5 5 5 盯n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 0丘 后 ，将荷载加大若干倍 ，采用逐步加载的方式求解 结构的安全系数 。图 l 0为工况 5 2双重非线性分 析的 曲线，从 中可以确定其稳定 系数为 2 3 3 ， 先风撑失稳随后拱肋失稳 。 从计算结果看，考虑几何非线性和材料非线性 对结构稳定影响较大。压溃容许稳定系数一般可计 算如下 ： 1 4 5 X 1 2 0 9=1 9 3 ，这 里 1 4 5为混 凝土材料安全系数 ，可按混凝土强度标准值 混凝 土强度设计值计算，1 2 为荷载安全系数，0 9 为结 构工作条件系数 。K=2 3 31 9 3 ，可 以满足运营 阶段的弹塑性稳定要求 。 7 拱脚局部应力分析 由于结构的特殊性 ，拱脚部分的构造和受力都 十分复杂 ，所以有必要对该区域进行详细的局部应 力分析。本桥局部应力分析采用大型通用有限元程 序 A N S Y S进行 ，模型中的混凝 土采用 S O L I D 9 5单 元模拟 ，预应力钢束采用 L I N K 8单元模拟。预应 力通过降温模拟，降温考虑了预应力各阶段各项预 应力损失 。梁段 边界上施加从 MI D A S C I V I L整体 模型中得到的相应工况内力，其中纵梁轴力和剪力 分布到纵梁边界面上的各个节点 ，弯矩按照静力等 效原则换算为均布力作用于纵梁边界面；拱肋部分 图 l 2 盯 3 方 向应力分布 的内力采用 同样的方法加载。通过比较分析梁单元 模型计算数据，选取了 2种工况进行计算分析 ，其 中：工况 1 一拱脚轴力最小组合 ；工况 2 一拱脚轴 力最大组合 。经计算发现 ，2种工况下 的应力分布 比较接近 ，下面仅对工况 2作用下的应力分布进行 详细分析。图 1 1和图 1 2所示为工况 2作用下 1 和 0 r 3方向应力分布情况。 从图中可看出，拱座部分 l 应力分布情况为 ： 拉压应力 均有 出现 ，应力 区间大部分为 一 0 7 5 0 6 6 MP a ，应力较大的区域主要在拱肋与拱脚接触 位置和 圆弧位置 ，达到 2 0 7 M P a以上 ，最大应力 出现在拱座后部的预应力锚固位置 ，最小应力 出现 在下钢管与拱座接触位置，达 一 2 1 6 MP a 。o 3应力 分布情况 为 ：以压应 力为主 ，应力区间大部分 为 一 8 8 6一 2 4 4 MP a ；拉应力主要 出现在 图中圆圈内 颜色较深区域 ，最大应力 出现在上下钢管之 间位 置 ，达到 0 7 7 MP a ，最小应力出现在下钢管与拱座 开始 相交处 。 总体来说 ，2种工况作用下 ，拱脚部分的应力 水平均基本处于规范规定的范围内，在连接的圆弧 部分和与钢管拱肋相交平面的局部范围内出现了拉 应力 ，但拱座部位作为钢筋混凝土构件 ，并非不能 出现拉应力，在拉应力较大区域可通过适当加强配 筋来保证结构安全。 8结论 1 )钢管混凝土系杆拱桥结构和受力均较复杂 ， 钢管混凝土部分应考虑钢管和混凝土的不同加载龄 期分别建模 ，以使分析结果更加符合实际施工情 况 。施工顺序对结构受力的影响也不容忽视 ，特别 是对于施工阶段 的结构安全至关重要 ，有必要对施 工顺序进行合理优化 。 2 ) 吊杆的张拉顺序和张拉力大小对结构受力 影响重大。本工程通过对 吊杆张拉顺序和张拉力的 合理优化 ，较好地调整了结构的受力状态 ，优化效 果十分明显。 3 )模态分析表明，该结构形式基频较高 ，结 构刚度较大 ，振型形式表 明拱肋和横撑先开始变 形， 说明该部位为结构的一个薄弱环节。 4 ) 从横撑 结构形 式 的比选发现 ，两边加 K 撑 ，中间加一字撑形式对结构稳定性 的提高最大 ， 主要是由于该方案最大限度减小了拱肋 自由长度 。 ( 下 转 第 4 8页) 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 公路交通技术 2 01 0年 中塔顶 中塔底 下塔顶 距塔底 45 m 塔底 U 2 【 】 o o o 4 0 o o o 6 0 0 【 ) U UU L H J l L x J U L HJ l 2 UU U U 弯矩 ， ( k N m) 图 6 塔身弯矩 比较 通过对大桥模 型的振 动台试验 和理论计算分 析 ，得到如下结论 ： 1 )大桥 1阶模态为索塔侧弯 ，2阶模态为 主 梁面内反对称竖弯。 2 )在 E 1 地震作用下大桥处 于弹性 阶段 ，满 足中震不坏的要求。 3 )在同一水平地震作用下 ，试验模型在各组 地震波作用下的地震响应 比较接近 ，说明选用的地 震波满足设计反应谱和抗震研究的要求 。 模型动力特性和地震效应基本与实桥相同，从而相 互验证 了计算模型与试验模型的正确性 。 参 考文 献 【 1 】 林皋， 朱彤， 林蓓 结构动力模型试验的相似技巧 【 J 】 大连理工大学学报 ， 2 0 0 0 ， 4 0 ( 1 ) ： 1 8 2 重庆交通科研设计 院 J T G T B 0 2 0 1 2 0 o 8 公路桥梁 抗震设计细则【 s 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 8 【 3 朱东生， 劳远昌， 沈大元， 等桥梁地震反应分析中输入 地震波的确定 I J 1 桥梁建设 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 1 _ 4 高文军重庆朝 天门长江大桥 动力模型试验研究 D 】 重 庆 ： 重 庆交通大学 ， 2 0 0 8 【 5 】 张春雨 ， 唐光武 ， 郑罡重庆菜园坝长 江大桥模型动力 相似理论分析J 1 公路交通技术， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 8 9 9 2 【 6 】 陈常松， 颜东煌 ， 田仲初， 等岳阳洞庭湖大桥模型动力 相似理论分析 【 J 1 桥梁建设 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 4 8 5 1 【 7 】 赵岩 桥梁抗震的线性 非线性分析方法研究【 D 】 大 连 ： 大连理工大学 ， 2 0 0 3 【 8 】 钟万勰 大跨度结构抗震设计 的国内外近期发展及趋 向 J 】 _ 科技导报 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 7 1 0 9 】 R W C l o u g h D y n a mi c s o f s t r u c t u r e s Z C o m p u t e r s& S t r uc t u r e s， I nc， 1 99 5 【 1 0 Wa i - F a h C h e n B r i d g e E n g i n e e r i n g H a n d b o o k M C R C 4 )试验结果与理论计算结果吻合较好 ，试验P r e s s ， 2 0 0 0 ( 上接第 4 4页) 5 )通过线性和非线性稳定性分析发现 ，结构 稳定性符合要求，但其非线性因素对稳定的影响十 分明显 ，弹性稳定的安全系数约为非线性稳定的 3 倍 ，所 以类似结构最好进行非线性的稳定分析 ，以 保证结构安全。 6 )对拱脚的局部应力分析表 明，该部位应力 分布与整体分析结构差距较大 ，因为该 区域的结 构和受力十分复杂，整体计算无法反映详细的应 力分布情况 ，但该部位应力区间大部分在安全范 围内，局部拉应力较大 区域可通过适 当加强配筋 予 以解决。 参 考 文 献 【 1 】 陈宝春 钢管混凝土拱桥( 第二版) 【 M】 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 7 【 2 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 3 裘伯永， 盛兴旺， 乔建东， 等 桥梁工程【 M 北京： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 0 4 李国豪， 等桥梁结构稳定与振动【 M】 北京： 中国铁道出 版社 ， 1 9 9 2 【 5 J5 颜全胜，韩大建 解放大桥钢管混凝土系杆拱桥的非线 性稳定 J 1 华南理工大学学报 ， 1 9 9 9 ( 1 1 ) ： 9 8 1 0 3 【 6 J李运生， 张博庆， 张彦玲钢管混凝土拱桥空间自振特性 分析 J 】 石家庄铁道学院学报， 1 9 9 7 ( 4 ) ： 2 1 2 5 【 7 陈水盛 ， 陈宝春钢 管混凝土拱桥 动力特性分 析【 J 】 公 路 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 1 0 1 4 8 李延强， 安蕊梅， 张红妹钢管混凝土拱桥动力特性分析 f J 1 石家庄铁道学院学报 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 3 9 - 4 2 9 聂明皓， 瞿国钊， 张劲涛拱桥非线性稳定分析 J 】 交通 科技， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 4 - 6 1 0 】樊启武， 钱永久， 黄道全 章江大桥稳定分析 J 】 _ 世界桥 梁 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 4 2 - 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m