简支下承式钢管混凝土系杆拱桥稳定性能的参数研究.pdf

1 6 江苏建筑 2 0 1 4年第 6期( 总第 1 6 6期) 简支下承式钢管混凝土系杆拱桥稳定陛 能的参数研究 吴佳 祯 孙 鹏 程 ( 江苏省 交通 规划 设计 院股 份有 限公 司 。 江苏 南 京 2 1 0 0 0 5 ) 摘 要 文章结合苏南运河无锡段三级航道整治工程洛社大桥的稳定性研究，利用有限元程序分析了简支大跨度钢管 混凝土 系杆拱桥 的稳定性能 ， 研 究了不 同参数对 系杆拱桥稳定 的影响， 并得 出了一些对类似工程设计有益的结论 。 关键词】系杆拱桥； 稳定； 有限元； 钢管混凝土； 弹性屈曲； 影响参数 中图分类号 U 4 4 8 2 2 5 文献标识码 A【 文章- 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 1 6 0 4 T h e P a r a me t e r Re s e a r c h o f S i mp l e - s u p p o r t e d CF S T T i e d - Ar c h Br i d g e WU J i a - z h e n S UN P e n g - c h e n g ( J i a n g s u P r o v i n c i a l C o m m u n i c a t i o n P l a n n i n g a n d D e s i g n I n s t i t u t e C o ， L t d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 5 C h i n a ) A b s t r a c t ：S t u d y o n s t a b i l i t y o f t h e L u o s h e B r i d g e r e n o v a t i o n p r o j e c t o f t h e S o u t h J i a n g s u c a n a l i n Wu x i i n t h i s p a p e r s h o ws t h e s t a b i l i t y o f s i mp l e - s u p p o r t e d C F S T T i e d- Ar c h B r i d g e w h i c h i s a n a l y z e d b y u s i n g fi n i t e e l e me n t p r o g r a m，t h e i n fl u e n c e s o f v a r i o u s p a r a me t e r s o n t h e s t a b i l i t y o f t i e d a r c h b rid g e s h a s b e e n s t u d i e d Fi n a l l y ，u s e f u l c o n c l us i o n s t o t h e d e s i g n o f t h i s k i n d o f b r i d g e s a r e o bt a i n e d Ke y wo r d s ： t i e d- a r c h b r i d g e s ； s t a b i l i t y ； fi n i t e e l e me n t ； c o n c r e t e- fi l l e d s t e e l t u b e ； e l a s t i c b u c k l i n g ； i n f l u e n c e p a r a me t e r 0引 言 近几十年来 随着科技 的长 足进步 钢管混凝土拱桥得 以飞速发展 它具有内填混凝土增强钢管壁稳定性和外套 钢管对混凝土有效套箍 的性能 使其具备更高抗压和抗变 形能力 是大跨径拱桥设计 中比较理 想的建筑材料 。 但 由于 钢管拱肋截面尺寸较小而导致的桥梁刚度降低 使得钢管 混凝土拱桥较传统 的石拱桥和钢筋混凝土拱桥 其弹性和 非弹性稳 定问题更 为突 出且普遍存在 1 拱稳定的有关理论 作为压弯构件 拱 的稳定问题对极限承载力有较大影 响 从拱失稳时 的空间形态可分为面 内和面外失稳 从失稳 性质 可分 为第一类失稳 问题 和第二类失稳 问题l l l 由于在具 体工 程中 拱的拼装必将偏离预定状态 加之拱材料 的初始 缺陷以及外荷 载施 加点 的误 差等 拱从加荷载起就处于对 称弯曲变形平衡 ， 使得第一类稳定问题并不存 在 但在结构 计算时较难准确考虑拱 的安装误差及材料缺 陷等使得难 以采用第二类稳定问题进行计算 因此在 实际工程 中多采 用第一类问题进行计算 ，而采用提高稳定 系数 的方法考 虑 拱的安装误差及材料缺陷等带来 的误 差2 1 2工程背景 苏南运河无锡段三级航 道整治工程洛社大桥主桥位 于 无锡惠 山区洛社镇镇区 跨域京杭大运河 主桥 为刚性 系杆 刚性拱 的哑铃型拱肋简支下承式钢管混凝土系杆拱 计算 跨 径 1 0 9 2 m 全桥宽 2 2 8 m3 1 。 主桥上部结构拱肋采用 哑铃 型钢 管混凝土 钢管和双 肢钢腹板 内填充 C 5 0微膨混凝土 拱肋矢跨 比为 1 ， 4 5 5 拱 轴线为二次抛物线 为保证横向稳定 全桥拱肋间设 6道 K 型空钢管风撑。 系杆为带悬臂的箱型截面全预应力构件 内 设劲性骨架以适 应系杆混凝 土无 支架 吊模 浇筑施工 全桥 每片拱 肋设 间距 5 - 3 5 m 的 2 9 9 x 1 2 mm外套 无缝钢 管 的 吊杆 1 9根 为平衡拱肋 和系杆混凝 土浇筑 阶段产生 的巨大 水平推力 ， 全桥设置 8根临时系杆拉索。 行 车道布置在系杆 内侧 两侧人行道挑在 系杆外侧 。 主桥 下部结构过渡墩为双 柱式桥墩 ， 墩 身顶部设 系粱 ， 横桥向两承台间设连 系梁 。主 桥过渡墩桩基础采用 中1 6 m钻孔灌 注桩 。 全桥 的桥 型布置 如图 1 所示 3影响参数分析 3 1 模型建立 洛社 大桥 的稳 定分 析采用 空 间整体 有 限元分 析软 件 Mi d a s ， C i v i l 2 0 1 0 进 行 拱肋截 面分别按照混凝 土和钢管的 实 际截面输入并在施工 阶段进行截面联合 采用空 间梁单 元 ： 系梁 、 横梁 、 风撑 按实际截 面输 入 ， 采 用空间梁单 元 ； 桥 【 收稿日 2 0 1 4 0 6 - 1 7 作者简介】 吴 佳 祯 ， ( 1 9 8 2 一 ) ， 江 苏 省 交 通 规 划 设 计 院 股 份 有 限 公 司 工 程 师 ， 主 要 从 事 结 构 设 计 工 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 6期 ( 总第 1 6 6期 ) 图 1 全 桥 桥 型 布 置 图 面系行车 道板 由于搁 置于花 篮型 中横梁 和 L型端横 梁牛 腿 上 故采用将桥 面板 和桥面铺装视为均布线荷载加在横 梁 上 ： 吊杆和临时拉索仅承受拉力 ， 故采用 只受拉单元 。桥 梁球型支座采用约束 自由度模 拟 ， 有限元模型见图 2 。 图 2 有 限元 实体模型 3 2 参数分析 简支下 承式钢管混凝 土系杆拱桥 是一个外 部静定 、 内 部超静定 的复杂结构体系 。 结构 的横 向刚度 弱于纵 向刚度 ， 平面外的屈 曲承载能力不如其平面 内的承载能力 ，容易 发 生面外失稳 而具体影响其稳定 性的参数 有很 多 ： 如拱肋 刚 度 、 系梁刚度 、 拱肋含钢率 、 横撑 刚度 、 横撑布置 、 吊杆刚度 、 管 内填充混凝土强度等等 下面就具体进行分析 ： ( 1 ) 拱肋侧向抗弯刚度对稳 定的影响 假定 洛社 大桥原模型 的拱肋 侧向抗弯 刚度 为 1 ，分析 了侧 向抗 弯刚 度 为 0 2 5 、 0 5 、 O 7 5 、 1 2 5 、 1 5 、 1 7 5 、 2的情 况 下面外弹性屈 曲稳 定系数。拱肋侧 向抗弯 刚度 和面外弹性 屈曲稳定 系数关 系图如图 3 由图可知拱肋 的侧 向抗弯 刚 度和面外弹性屈曲稳定系数基本呈线性递增关系 ，其对 面 外弹性屈 曲稳定的影响很大。 ( 2 ) 系梁 刚度对稳定 的影响 假定洛社大桥原系梁刚度为 1 分析 了刚度为 2 、 3 、 4 、 5 的情况下弹性屈 曲稳定 系数 。由图 4可知随着 系梁 刚度 的 增加 面外弹性屈曲承载力略有增加 ， 但增加的幅度很小 。 另一方面 随着系梁刚度的增加 ， 面 内弹性屈 曲承载力 有所 增加 见 图 5 。在 1 2范围 内， 面内弹性屈 曲承 载力随 3 0 赫 餐 2 0 秘 t O 0一 一 一 、 0 2 5 0 5 j 0 7 5 1 ： 1 2 5 l J 5 j 1 7 5 2 一一_ 1一-一 -一一 1 _穗 室 墨 煎 曼l 8 0 蔓j ： 8 3 j 曼 墅L l g 1 墅 曼 i2 4 1_8 ：1 蔓 墅 ： 翌 拱肋侧向抗弯冈 幢 摧 螽 系粱刚度 图 4 系梁 刚度对拱桥面外弹性稳定的影响 1 5 2 0 6 1 0 6 0 0 5 9 0 5 8 O 5 7 0 1 2 面内稳定 景数 6 秉瓣剐度 图 5 系梁 剐度对拱桥面 内弹性稳定的影晌 系梁刚度的增加变化较大 ： 在 2 5范围内 ， 面内弹性屈 曲承 载力随系梁刚度的增加变化较小 。 ( 3 ) 拱肋含钢率对稳定 的影 响 含钢率影响钢管对 内填充混凝土的约束效应 。含钢率 太大时不仅不经济而且卷板和焊接也 比较 困难 而太小 时 则 紧箍效应不显著且钢管容易屈 曲。文献【 4 】 中提 出实际工 程 中钢管混凝 土拱 肋常用含钢率为 5 1 8 洛社 大桥原 设计 拱肋 壁厚为 1 8 m m( 含钢 率为 5 9 1 ) ， 现在 保证拱 肋 外 径不 变 的情 况下分 析 了拱肋 壁厚 为 2 8 m m ( 含钢率 为 9 1 2 ) 、 3 8 mm ( 含 钢 率 为 1 2 2 7 ) 、 4 8 m m ( 含 钢 率 为 1 5 3 5 ) 、 5 8 m m( 含钢率为 1 8 4 0 ) 的情况下弹性屈 曲稳定 系数 。 由图 6和 图 7可知随着拱肋壁厚的增加( 含钢率 的增 大) 面外 和面内弹性屈曲承载力均呈线性增加 。 ( 4 ) 横撑 刚度对稳定 的影响 假 定 洛 社 大 桥 原 横 撑 刚度 为 1 分 析 了刚 度 为 0 、 L l 5 r r 。 。 。 一 一 ： 5 9l 9 l 2 1 2 27 1 5 35 _ 1 8 4O 一 r 。 一 堕 I 冀 系 巍 i 1 9 盟一! 艘 _ _ | 一 蟹： 塑 2 5 o 7 l ! 供 肋古钢 事 图 6 拱肋 含钢 率对 拱桥 面外 弹性 稳定 的影 响 接肋音奉 图 3 拱肋侧 向抗弯 刚度对拱桥面外弹性稳定的影响 图 7 拱肋含钢率对拱桥面 内弹性稳定的影晌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 江苏建筑 2 0 1 4年第 6期 ( 总第 1 6 6期 ) 0 1 2 5 、 0 2 5 、 0 5 、 1 5 、 2的情况下面外弹性屈曲稳定系数 。由 图 8可知 当横撑刚度增大幅度在 1 2倍时 面外弹性屈曲 稳定系数增大的幅度很小 ； 当横撑刚度小于 l 时 ， 面外稳 定 性能降低 的很快 。因此 。 提高横撑 的抗弯刚度 。 可以有效的 增大拱肋 的侧 向稳定系数 但增加横撑刚度对整体 稳定性 的提 高作用会逐渐削弱而变得不太经济 此时以适 当增加 横撑数量或调整横撑布置 比较合理 摄 1 碡 埘 黜 图 8 横撑刚度对拱桥面外稳定的影响 ( 5 ) 横撑布置对稳定 的影 响 横撑 的设置既加强 了桥梁 的整体性 又减小 了拱肋 的 自由长度 ， 提高桥梁的面外稳定性 横撑 的布置 既要满足拱 桥在施工 阶段 和运 营阶段 的稳定性要求 又要满足美观与 视觉 的要 求 在其中寻找平衡。 下面分 析洛社大桥在各种横 撑布置情 况下 的弹性屈 曲， 并 得出以下结论 ： 由图9可知。 当横撑由多变少时。 简支系杆拱桥的面 外屈曲安全系数降低 的很快 面 内屈 曲安全系数变化非 常 小 当取消横 撑或保 留拱顶横撑 时拱桥 面外稳定系数低 于 规范要求 4 故应在拱肋 安装到位后及时 吊装横撑 以保证 稳定。 但横 撑布置并非越密越好 因为过密的横撑会导致 行 车的压抑感增 加 8 嚣 风 女 8册 A I 嚏 ： I： M。O。D E L N。O：5 ；22 ：；簇 2 ； ； 二二MODEL N O 2 风 霉 景 图 9西交利物浦大学综合楼及前广场横 剖面 对于各种不同的横撑型式，弹性屈曲承载力分析结 果 见图 1 0 。由分 析可 知， 在用钢量相近的情况下 洛社大桥 中采用 的风撑形式是 比较有效和经济的 由图 1 1可知横撑分布相对均匀时其面外屈曲安全 系数较 高， 横撑分布相对集中 、 自由节问较大时其面外屈 曲 安 全系数较低 ( 6 ) 吊杆刚度对稳定 的影 响 假 定原模型 的吊杆 刚度为 1 ， 这里分别取 1 2 、 1 5 、 1 7 、 风 捧 型 式 一 M O D E L N O 1 2 屈 蛐 ( = 5 9 ， 0 6 9 0 M O D E L N O O 1 外 屈 = 1 9 1 5 5 6 M O D E L N O 0 7 = 5 8 4 0 5 5 M O D E L N O 0 1 面 外 屈 瓤= 2 0 1 5 5 4 M O D E L N O 1 2 屈 = 5 8 8 7 3 6 O O E L N O 0 1面 外 jj ( = 7 6 5 8 6 M O D E L N O 1 O 届 捌 = 5 8 ， 6 9 5 4 M O D E L N O 0 1 外 屈 * 糖 ( = 9 9 7 6 1 图 1 0 不 同横撑型式一对拱桥面外稳定的影响 M O D E L N O 1 2 自 屈 狲 ( - 5 9 0 6 9 0 M O D E L N O 0 1 外 屈 费 j( = 1 9 ， 1 5 5 6 M O D E L N O 1 9 自 = 5 9 9 0 6 4 M O D E L N O 0 1 外 屈 * j 5j ( = 3 4 9 5 5 M O D E L N O 2 0 自 屈 拗 ( = 5 9 8 2 5 6 M O D E L N O 0 1 外 屉 瓤=3 9 7 7 1 M O D E L N O 2 0面 屈 * 瓤= 5 9 7 6 4 2 M O D E L N O 0 1 外 屈 狲 ( = 3 5 2 9 4 图 l l 不 同横撑型式二对拱桥面外稳定的影响 2 0分析计 算 吊杆刚度 对钢管混凝土 简支系杆拱 桥弹性 屈 曲的影 响， 结果见表 1 由表可知 ， 随着 吊杆刚度从 1 2倍增 加到 2倍 其面外弹性屈 曲系数变化约为 0 0 1 5 0 0 9 左 右 ， 变化几乎不 明显 ： 而面 内弹性屈 曲系数增 加约为 0 5 2 1 变 化 效 果 比面 内 明 显 。 ( 7 ) 管 内填充混凝土强度对稳 定的影响 在洛社大桥设 计 中拱肋 内填充 C 5 0微膨胀 混凝土 现讨论管内混凝土为 C 6 0 、 C 5 0 、 C 4 0和 C 3 0四种情况下 ， 钢 管混凝土拱桥的稳定系数 结果见表 2 。 通过工况对 比当把洛社 大桥拱肋管 内的填充 混凝土 强度 由 C 5 0提高 为 C 6 0时 稳定 安全系数 提高 了 3 2 ： 当 由 C 5 0降低为 C 4 0时 ， 降低 了 3 7 ：当由 C 4 0降低为 C 3 0时 降低 了 4 6 。 4种工况 的屈 曲模态均表现为拱肋 面外对称失稳 。 在设计中 ， 当桥梁结构稳定安全系数略显不 足而拱肋截面尺寸又受限时 可通过将钢管内填充混凝土 强度提高来增加桥梁的稳定安全系数和性能 ，但提高 的幅 度相 当有 限 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 6期 ( 总第 1 6 6期) 1 9 4结 语 简支下 承式 钢管 混凝 土系杆拱桥是一个 复杂的结构体 系 有待讨论研究的问题很多。 本文所做的工作仅仅是结合 实际工程案例 洛社大桥作 的一 种探 索 论 文利用有限 元软件建立稳定分析模型 研究了不同参数 对钢管混凝土 简支下承式系杆拱桥稳定的影响 希望 能对 该类型拱桥的 结构优化布置及选择合理的参数来提高稳定性提供一些积 极的建议 参考文献 【 1 】 李国豪 ， 等 桥 粱结构稳 定与振动【 M】 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 2 2 】项海帆 ， 刘光栋 拱结构 的稳 定与振动【 M1 人 民交通 出 版 社 1 9 9 1 3 】单宏伟 ， 韩大章 ， 陈岳 洛社 大桥 钢管混凝土 系杆拱主桥 设计与施 工 上 海公路 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ：3 2 3 6 【 4 】申明文， 李 国平 ， 朱玉晓 钢 管混凝土拱的稳定与极 限承 栽 力分析田 结构 工程 师， 2 0 0 2 ( 1 ) ：2 4 3 0 ( 上接 第 1 5页 ) 3结 论 根 据 本 文 的研 究 可 以得 到 如 下 结 论 ： ( 1 )采用竖嵌 C F R P层板增强后的构件平 均极 限承载 力几乎没有提高。 木材受力以抗 压为主 ， 由于木材的泊松 比 大于 C F R P的泊松比 在竖 向荷载作用下胶合 木柱被 C F R P 板挤压分裂成若干个 细长柱 故竖嵌 C F R P层 板对其承载 力提高作用不 明显 。 ( 2 ) 采用竖嵌 F R P层板增 强后的胶合木柱 在轴压作用 下 抗 侧 刚 度 得 到 提 高 构 件 的 平 均 延 性 系 数 提 高 了 2 8 7 1 。 参考文献 【 1 Ta h e r i F ， Na g a r a j M， C h e r a g h i N F RP -r e i n f o r c e d ula m- i n a t e d c o l u mn s IJ F RP I n t e ma t i o n a l ， 2 0 0 5 ， 2 ( 3 ) ： 1 0 1 2 2 】 熊学玉， 张大照 C F RP加 固木柱性 能试验研 究 滁 州职 业技 术 学 院 学 报 ， 2 0 0 3 ，2 ( 3 ) ： 5 8 3 1 马建勋， 胡 平， 蒋湘阂， 等 碳 纤 维布加 固木拄 轴心 受压 性 能试验研 究 】 工业建筑， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 8 ) ： 4 0 4 4 4 周钟宏， 刘伟 庆 碳 纤维布加 固木 柱的轴心受压试 验研 究 I J 工程抗震与增强 改造， 2 0 0 6 ， 2 8( 3 ) ： 4 4 4 8 5 1 邵劲松， 刘伟庆， 王 国民， 等 F Rp环向加 固木柱轴 心受压 性能试验研 究 玻璃钢 复合材料 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 5 2 5 5 【 6 】 邵 劲松 ， 薛伟辰， 刘伟 庆， 等 F RP横 向加 固木 柱轴 心受压 性能计算 J 1 土木 工程 学报， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 8 ) ： 4 8 5 4 7 】 J a r e d B e rna r d J a mi s o n Mo n o t o n i c a n d C y c h c P e rf o r ma n c e o f S t r u c t u r a l l y I n s u l a t e d P a n e l S h e a r Wa l l s【 D】 V i r g i n i a P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e a n d S t a t e Un i v e ni t y ，1 9 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m