大跨径钢管混凝土桁架拱桥稳定性分析.pdf
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1、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
2、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
3、 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
4、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
5、 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
6、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
7、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
8、 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
9、 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
10、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
11、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
12、 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
13、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
14、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
15、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:
16、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
17、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
18、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
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