拱桥的受力特征

空间异型钢箱梁拱桥受力性能分析

摘要：为了研究空间异型钢箱梁拱桥受力性能，精确分析钢箱梁的应力大小及分布，应用有限单元程序MIDAS/Civil建立有限元模型，薄壁钢箱梁用考虑横向剪切变形的板单元进行模拟，计算出的应力符合规范要求。

关键词：异型拱桥 钢箱梁 板单元

在现代桥梁设计中，许多拱桥的方案往往因其建筑学方面的意义而被选中。与此同时，对建筑结构造型的追求，促使拱结构的形式不断变化与翻新，也出现了结构异化的现象[1]。由于钢箱梁异型拱桥的空间受力效应复杂，需采用板单元建模来进行精细分析[2]。

1、工程概述

扬州市古运河大水湾人行桥是上部结构为跨径60m空间异型钢箱拱梁桥，由主梁及两侧翼梁组成，主梁及翼梁均为空间曲面形状。主桥的主要结构材料采用Q235q钢，主拱梁及翼梁为焊接钢箱梁，主梁顶底板及加劲肋厚度均为10mm，翼梁顶底板及加劲肋厚度均为8mm。钢梁与承台处拱脚作固结处理。桥梁立面图见图1。

2、有限元模型的建立

2.1单元的选取及结构的离散化

全桥的各构件均采用4节点厚板单元[3]进行模拟，板单元厚度选取时考虑加劲肋板的作用；两个拱脚处的约束采用固结处理且节点之间采用刚性连接；全桥共分为710个单元，462个节点。有限元模型见图2。

2.2计算参数及荷载组合

（1）材料特性[4]：主桥的主要结构材料采用Q235q钢，弹性模量为206000

MPa，剪切模量为79000 MPa，泊松比为0.3， 热膨胀系数为0.000012，屈服强度为235MPa ，轴向及弯曲应力设计值为215 MPa ，剪切应力设计值为 125

MPa；

（2）荷载标准：人群荷载大小为5.0；实木踏板及栏杆不参与结构受力仅作为二期荷载施加，其大小为4.0；风压力大小为0.7；

（3）温度效应：均匀升降温按±25℃考虑；

（4）基础不均匀沉降取1cm 。

各个工况下的荷载对结构产生不利荷载效应的可能的组合分为5种[5]，荷载组合如下：

总第４期　拱桥吊杆更换过程受力分析　３ｌ　

拱桥吊杆更换过程受力分析　

陈　雷　（中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉４３００３４）　

摘要：以某三跨中承式混凝土拱桥吊杆更换为研究　对象，对全桥三跨“对称、平行、同步”安装临时吊杆、拆除原　吊杆的方案进行研究，以该桥的内力、线形为控制目标，采用　ＭＩＤＡＳ　Ｃｉｖｉｌ　６．７．１程序建立该桥空间模型，对吊杆更换前　原吊杆的初始内力、卸载原吊力所需的临时吊杆张拉力、永　久吊杆初始张拉力和施工过程中桥梁内力、线形进行计算分　析。分析及实际施工结果表明，吊杆更换加固方案能保证大　桥线形、内力达到预期目标值，加固方案可行。　

关键词：拱桥；吊杆；更换；内力；线形；有限元法　

１前言　

系杆拱桥为带吊杆的拱梁结构，外部为静定结　构，内部为超静定结构，为自平衡体系。系杆拱桥因　

其造型优美、形式多变，被大量运用于现代桥梁中。　然而，早期建造的系杆拱桥受当时技术条件的限制，　

在吊杆防腐设计方面考虑不够，造成杆身锈蚀、钢丝　

束松弛等病害。桥梁使用多年后，有的拱桥因超载、　或荷载等级提高、或因吊杆锚头锈蚀、松动，或吊杆　

受意外损伤等原因，造成吊杆安全系数偏低，严重危　及到桥梁的运营安全，需要进行吊杆更换，而设计时　

往往都未考虑吊杆的可更换性。目前处于运营中的　许多这类桥梁都没有给吊杆预留备用孔用于更换吊　

杆。近年来，不断有拱桥吊杆更换的工程案例出现，　多数拱桥多采取安装临时吊杆、拆除原吊杆和安装　

新吊杆的方案对吊杆进行更换Ｌ１］。　

一般拱桥吊杆张拉过程中，吊杆是分批张拉的，　期间伴随着结构的变形、支承体系的转换及内力的　重分布。前期张拉的吊杆索力直接影响后期吊杆张　

拉的索力，而后期张拉吊杆亦对先期施工的吊杆的　索力有着直接的影响，从而最终影响全部吊杆张拉　

完毕后的力学性能。因此，合理的吊杆张拉顺序和　

恰当地控制张拉力是影响吊杆张拉施工繁琐与否及　张拉完毕后的力学性能的关键。本文结合某拱桥吊　

空间异型钢箱梁拱桥受力性能分析

摘要：为了研究空间异型钢箱梁拱桥受力性能，精确分析钢箱梁的应力大小及分布，应用有限单元程序midas/civil建立有限元模型，薄壁钢箱梁用考虑横向剪切变形的板单元进行模拟，计算出的应力符合规范要求。

关键词：异型拱桥 钢箱梁 板单元

在现代桥梁设计中，许多拱桥的方案往往因其建筑学方面的意义而被选中。与此同时，对建筑结构造型的追求，促使拱结构的形式不断变化与翻新，也出现了结构异化的现象[1]。由于钢箱梁异型拱桥的空间受力效应复杂，需采用板单元建模来进行精细分析[2]。

1、工程概述

扬州市古运河大水湾人行桥是上部结构为跨径60m空间异型钢箱拱梁桥，由主梁及两侧翼梁组成，主梁及翼梁均为空间曲面形状。主桥的主要结构材料采用q235q钢，主拱梁及翼梁为焊接钢箱梁，主梁顶底板及加劲肋厚度均为10mm，翼梁顶底板及加劲肋厚度均为8mm。钢梁与承台处拱脚作固结处理。桥梁立面图见图1。

2、有限元模型的建立

2.1单元的选取及结构的离散化

全桥的各构件均采用4节点厚板单元[3]进行模拟，板单元厚度选取时考虑加劲肋板的作用；两个拱脚处的约束采用固结处理且节点之间采用刚性连接；全桥共分为710个单元，462个节点。有限

元模型见图2。

2.2计算参数及荷载组合

（1）材料特性[4]：主桥的主要结构材料采用q235q钢，弹性模量为206000 mpa，剪切模量为79000 mpa，泊松比为0.3， 热膨胀系数为0.000012，屈服强度为235mpa ，轴向及弯曲应力设计值为215 mpa ，剪切应力设计值为 125 mpa；

（2）荷载标准：人群荷载大小为5.0；实木踏板及栏杆不参与结构受力仅作为二期荷载施加，其大小为4.0；风压力大小为0.7；

（3）温度效应：均匀升降温按±25℃考虑；

２０１　７年第１　６卷第１　０期　大跨度钢管混凝土拱桥结构受力分析　口刘月亮　【内容摘要】钢管混凝土拱桥是一种常见的桥梁结构形式，该种桥梁充分发挥了钢材和混凝土两种材料的性能，即利用了混凝　土的抗压性能，又发挥了钢管对混凝土的套箍作用，大大提高了钢管混凝土的抗压承载力。本文采用有限单元法，　对钢管混凝土拱桥结构进行了仿真计算，建立了相应的有限元仿真计算模型，研究了各种工况组合下钢管混凝土　拱桥结构主拱的轴力分布情况，为大跨度钢管混凝土拱桥结构的设计和施工提供了一定的参考依据。　【关键词】钢管混凝土；拱桥；有限元法；轴力　【基金项目】本文为湖南省教育厅资助科研项目（编号：１５Ｃ０２４０）和湖南城建职业技术学院资助科研项目（编号：１６ＫＴＺＤ０８）研　究成果。　【作者简介】刘月亮（１９７３一），男，湖南城建职业技术学院讲师，硕士；研究方向：工程结构的数值仿真分析　一、工程概况　近年来，随着我国经济的发展，基础设施建设得到了快　速推进，钢管混凝土拱桥作为一种常见的结构形式在路桥建　设中得到了广泛的应用。钢管混凝土拱桥充分利用了钢材　和混凝土两种材料的力学性能，将混凝土浇筑在钢管内部，　作为桥梁结构的主拱，主要承受轴向压力作用，既能充分发　挥混凝土的抗压性能，又能利用钢管对内部混凝土的环向约　束作用，从而提高钢管混凝土的整体抗压承载力。深圳市彩　虹大桥位于广东省深圳市区，是连接八卦三路与田贝西路的　一座城市跨线桥。彩虹桥采用钢管混凝土拱桥结构形式，全　长１．２ｋｉｎ，跨越深圳火车北站２９条股道，采用钢管混凝土主　拱、钢管混凝土组合桥墩、预应力钢一高托座混凝土空心板　叠合梁桥面…。主桥采用下承式钢管混凝土柔性系杆拱，桥　面宽２３．５ｍ，计算跨径１５０ｍ，单跨双向四车道，矢跨ｔｔｌ／４．５，　拱轴线采用悬链拱轴线　。　二、计算模型　（一）模型参数。为了对钢管混凝土拱桥进行有限元仿　真分析，采用有限元计算软件，根据桥梁的几何参数、物理参　数建立相应的有限元计算模型　ｊ，桥梁的主拱和主梁采用梁　单元模拟，吊杆采用杆单元模拟，桥面板采用壳单元模拟　。　钢管混凝土拱桥的有限元计算模型如图１所示。　（二）工况组合。为了研究该钢管混凝土拱桥结构的受　力情况，按作用短期效应组合进行受力分析，该钢管混凝土　拱桥布置为双向４车道（车道１、车道２、车道３、车道４），施加　车道荷载大小：１Ｏ．５×０．７：７．３５ｋＮ／ｍ，３６０×０．７＝２５２ｋＮ；人　群荷载取的１．１５倍即，全桥构件的自重根据单元的体积和　增加的厚度有一定限制否则不利于结构设计，因此，本方案　不适用于满足表１中其它驱动机构的起吊空间要求。　３．方案Ｂ３：向上延伸加高吊车梁框架。将吊车梁框架向　上延伸加高也可以达到与方案Ｂ２同样的效果，但因原框架　顶部已经距地面达３２ｍ，继续加高将导致风荷载与地震荷载　明显增加，经结构核算，原有框架型钢将不能满足增加后的　荷载要求，必须加粗加大，吊车梁框架生根于电气厂房屋顶，　增加的荷载由框架柱脚传给屋顶结构，导致电气厂房屋顶荷　载增加，会影响厂房的稳定性。　（三）方案Ｃ：降低钢格栅防护顶高度。将钢格栅防护顶　改型，取消原防护顶及内部框架，将吊装洞口和侧墙泄压洞　口直接用钢格栅覆盖防护起来。经此修改，无需提升吊车上　极限标高，起吊操作空间就可由０．９ｍ增加到３．４ｍ，完全满　足表１所列任一驱动机构的起吊空间要求。此方案对主蒸　汽管廊泄压流通面积产生不利影响。主蒸汽管廊在通向室　外的电气厂房屋顶和外墙留有多处大洞，作用是在蒸汽管道　一旦破裂后及时将蒸汽压力泄散到室外大气，以减少管廊所　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔ—ｂｕｎｅ　受的冲击。根据管廊泄压途径分析，由钢格栅防护顶围成的　内部空间在管廊泄压过程中起到流通缓冲作用。取消防护　顶后，流通面积有所减少。经过热工计算得知，无论是管廊　不同区域之间还是管廊与外界之间的差压都有不同程度的　增加，而增大的压力脉冲和增大的差压最终将由管廊的厂房　结构承受，因此，需针对增加差压值进行结构计算，当现有结　构强度不能确保承受增加的差压时，必须在设计上采取可行　措施提高结构强度，确保管廊结构的安全。　四、结语　综上所述，方案Ｃ可明显扩大起吊空间高度且留有一定　空间裕量，是解决阀门驱动机构检修吊装问题的首选方案，　但必须注意，此方案要经过热工与结构计算确认，在不降低　洞口防护能力且保证管廊安全泄压的前提下才能实施。方　案Ｂ２比方案Ｃ影响小，当驱动机构高度不超过１．９ｍ时，采　用该方案比较适宜，其它方案不推荐采用。方案Ｃ与方案Ｂ２　都涉及到结构变化，因此应在管廊结构设计之前及早考虑，　以利于从设计上消除对结构产生的不利影响。　・９５・