主跨368米钢管混凝土拱桥空间有限元分析.pdf

主跨 3 6 8米钢管混凝土拱桥空间有限元分析 罗云 1 崔剑峰 2 李勇 3 ( 1深圳市龙 岗区公路局 2湖南省长沙 交通 规划勘察设计 院 3北京 市市政专业设计院深圳分 院) I 摘要】本文以 2 0 0 6年建成通车的益阳茅草街大桥 8 0 +3 6 8 +8 0米钢管混凝土拱桥为计算背景 ，采用大 型有限元分析软件 A N S Y S ，对钢管混凝土拱桥 的成桥状态进行 了静力分析和动力分析 ，并比较了考虑施 工过程的结构分析方法和不考虑施工过程 的简化结构分析方法。 【 关键词l钢管混凝土拱桥成桥状态静力分析动力分析 1、 刖吾 拱桥 是一种 理想 的能充分 发挥材料受压性 能 的桥型。以往 由于大跨度拱桥施工所需拱架费用极 高，因而限制了大跨度拱桥的发展；同时 由于大跨 度拱桥产生的水平推力极大，所以往往作为跨越山 涧峡谷的桥型，依赖山体来承受拱推力。随着科技 的发展，钢管混凝土结构的出现，解决 了大跨度拱 桥所需拱架 问题 ，因而在国内大跨度拱桥的兴建 日 益 增多 。截 至 2 0 0 8年 ，我 国主 跨超 过 4 0 0米 的 9 座拱桥中，有 5座是钢管混凝土拱桥 ，充分显示 了 钢管混凝土拱桥的生命力 。 连续 自锚中承式钢管混凝土拱桥 的最大特点 是充分发挥了材料 的性能：以抗压能力高的钢管混 凝土作为拱肋 ，以抗拉能力强的高强钢铰线作为系 杆 ，通 过边 拱肋 的重 量 ，随着 施 工加 载顺 序逐 步 张 拉系杆中的预应 力束 以平衡主拱所产 生的水平 推 力 ，最终形成对拱座基础只有较小水平推力 的拱桥 。 这就大大 降低 了由于 巨大不平 衡拱推力增加 的基 础费用，从而使拱座基础变得较为轻巧，为大江大 罗云 ，男，深圳市龙 岗区公路局 ，工程 师 地址 ：深圳市龙 岗区公路局办公大楼 ，5 1 8 1 7 2 电话 ：1 3 5 5 4 8 0 9 9 3 9 河上修建大跨度拱桥提供了理论依据。 本文以 2 0 0 6年建成通车的茅草街大桥 为背景 进行结构分析计算 。 2 、工 程概况 茅草街大桥是湖南省省道 $ 2 0 4线跨越松澧洪道、 藕池河西支、南茅运河及沱江 的一座特大型桥梁 ， 主桥按 8 0 m+3 6 8 m+ 8 0 m 三跨连续 自锚 中承式钢 管混凝土系杆拱桥布置，桥长 5 2 8 m。边跨 、主跨 拱脚均固结于拱座 ，边跨 曲梁与边墩之间设置轴 向 活动盆式支座，在两边跨端部之间设置钢铰线系杆， 通过边拱拱肋平衡主拱拱肋所产生的水平推力 。主 拱拱肋采用 中承式双肋悬链线无铰拱 ，计算跨 径 3 5 6 m，计算矢高 7 1 2 0 m，矢跨 比 1 5 ，拱轴系数 m=1 5 4 3 ，每片拱肋 由 4根钢管组成，内灌混凝土 市 面 潲 图 1 茅草街大桥立面图和平面图 53 作为弦杆，各弦杆之 间用平联钢板和钢管连接，组 成桁式拱肋。 图 1为茅草街大桥 的立面图和平面图。 3 、有限元模型 结构计算采用有限元分析软件 A N S Y S建立杆 系模型。主拱拱肋 、边拱拱肋、桥面板、纵横梁、 横撑、腹杆、平联板和立柱都采用梁单元 B E A M4 来模拟；桥面铺装考虑其重量，不考虑其刚度，用 质量单元 MA S S 2 1平均分布到各节点；吊杆采用杆 单元 L I N K 1 0来模拟， 桥梁下部基础的桩土动力特性 用弹簧单元 C O MB I N I 4来模拟 。材料类型分为钢材 和混 凝土 两种 类型 。边 界条件 ：边 跨 、主跨 拱脚 均 固结于拱座 ，边跨 曲梁与边墩之间设置纵向和横向 活动支座 。对钢管混凝土拱桥拱肋的模拟现在主要 有三种方法： 换算截面法， 双单元法和组合材料法。 对系杆则在边拱两端施加节点力来模拟 。本文计算 采用 钢管混凝土结构设计与施工规程( C E C S 2 8 ： 9 0 )中使用 的双单元法 ，既将主拱肋 的钢管和混凝 土用两个单元来模拟，刚度分别计算并取和。图 2 为茅草街大桥的有 限元模型图。 图 2 茅 草街 大 桥有 限兀 模型 4 、静 力分析 本 文 对 茅 草 街 大 桥 成 桥 状 态 的 分析 将 采 取 两 种方法进行结构分析计算：考虑施工过程的结构分 析 方法和 不 考虑 施工 过程 的简 化结 构 分析方 法 。 由于施工过程对结构分析有着很重要的影响， 首先进行考虑施工过程的结构分析。茅草街大桥钢 管混凝土拱桥的施工顺序为架设空钢管 ，安装吊杆， 架设纵横梁，浇筑管内混凝土成钢管砼拱肋，架设 桥面板，进行桥面铺装 。整个施工过程中将对系杆 4 进行八次张拉。为了对 比考虑施工过程的结构分析， 本文还进行了不考虑施工过程 的结构分析 。不考虑 施工过程的结构分析就是在结构分析计算 中，不考 虑整个桥梁的施工过程，采取一次成桥的方法进行 计算。这种方法在实际中不可能存在，只是一种简 化计算方法 ，在计算中经常采用这种简化计算方法， 本文将对 比两种计算方法。图 3为结构分析位移示 意 图 。 图 3 结构分析位移示意图 表 1 给出了采用两种结构分析方法的主拱拱肋 关键截面 内力和位移。从表 1 可 以看出，分析方法 是否考虑施工过程 ，对整个钢管混凝土拱桥的内力 影响很小，基本上可 以认为两者相 同。除了拱脚的 单肢最大轴力和单肢最大弯矩误差超过 1 0 外， 其 他 的误 差 都控制 在 S 之 内。但 是 对结 构位 移还 是 有一定影响的，采用不考虑施工过程的简化计算方 法的位移结果 明显小于考虑施工过程 的结构分析 结果，位移越大，影响越大。这是因为采取两种分 析方法都是对成桥状态分析 ，结构 已经趋于稳定， 内力也 趋 于稳 定 ，所 以内力基 本 变化 不大 。对 于位 移 ，采 取考 虑施 工 过程 的分 析方 法 时 ，由于混 凝土 首先没有凝固，由钢管主拱来承受结构 自重 ，混凝 土没有参与受力，而采取简化计算方法时，整个结 构一次成型，钢管和混凝土共 同承受结构 自重，所 以 简 化 计 算 方 法 的竖 向位 移 要 比考 虑 施 工 过 程 的 分析方法要小很多。从表 1还可以看出，单肢钢管 混凝土的弯矩相对轴力来说很小 ，在结构计算 中， 可不予考虑 ，这也证明了拱桥主要是承受轴力为主 的结构 。 9 月第 S巷弟 3 NO- 3 S E 表1 主 拱拱 肋关 键截面内 力和 位移 表 了钢管混凝土拱桥面外基频比面 内基频的特点，说 单 边 拱 肋 单 肢 最 单肢最 竖向 是否 考 虑 位置 总轴力 大轴力 大弯矩 位移 施工 过程 ( K N ) ( K N) ( K N m) ( c m) 是 4 1 65 8 5 1 31 S8 5 6 52 O 2 2 6 拱顶 否 4 1 9 2 5 1 1 2 6 9 6 2 6 2 2 6 1 9 3 误 差 O 6 3 5 45 1 4 6 是 4 4 8 5 6 0 1 2 8 8 6 4 1 2 38 7 0 1 4 否 4 5 O 9 8 2 1 2 7 2 9 9 1 2 5 4 6 5 截面 误 差 0 5 1 2 1 3 7 1 是 5 S 0 01 4 8 49 0 1 1 6 4 8 1 1 拱脚 否 5 7 0 3 8 9 8 3 9 5 1 4 6 _ 3 1 1 误差 3 7 1 5 9 11 2 0 5 、动力分析 用有限元分析软件对结构进行动力分析 ，两种 分 析方 法 的结果 基本 相 同 ，这 可 以从动 力 分析 的原 理来 分 析 。 对 结构进 行 动力 分析 ，其原 理 为求解 振 动 方程 。 其 振动 方 程为 ： 】 ( n ) + 】 ( u )=0 ( 1 ) 令( u ) = ) f C O S O A t ，则有 ( 】 一 【 朋 r ) ( ) f =( 0 ) ( 2 ) ( ) O ， 则有 K】 一 】 一0 ( 3 ) 式 中， K 为结构刚度矩阵， 为结构质量矩 阵， 为第i 振型振动圆频率 ， ) 为第f 振型的振 动模态。 因为两种 分析 方法 中 ，仅 仅 只有 是 否考 虑施 工 过程这一点不同，而结构的模型是一样的，结构刚 度矩 阵 明 和结构质量矩 阵 】 是完全相 同的，所以 求解 结果 自然相 同 。 表 2和 图 4给 出 了结构 分析 的前 八 阶结 构 自振 频率、振型特点和前 四阶振型图。从图表还可以看 出钢管混凝土拱桥的前两阶振型为对称侧弯，反映 明钢管混凝土拱桥的横 向稳定性问题的突 出性 。 表 2 结构 自振频率和振型特点 编号 频率 ( H z ) 振型特点 1 O 2 1 1 一阶对称侧弯 2 0 2 8 9 二阶 对称 侧弯 3 0 l 3 5 O 一阶反对称竖弯 4 0 4 0 9 二阶反对称竖弯 5 0 4 1 9 一 阶 反对称 弯 扭 6 0 5 0 3 桥 面 一阶 对称 侧弯 7 0 5 2 1 二阶反对称弯扭 8 0 6 0 3 一阶对称竖弯 6 、结语 从 以上 计算 分 析可 以得 出结论 ： 1 、在对钢管混凝土拱桥进行成桥状态静力计 算时，不考虑施工过程的简化结构计算方法并不能 完全代替考虑施工过程 的结构分析方法，两者计算 得出的结构 内力基本相 同，但是结构位移相差很大 ， 简化 计算 方法 得 出的位移 明显 小于 后者 。 2 、在对钢管混凝土拱桥进行成桥状态动力计 算时，两种结构分析方法的的结果基本一致 ，简化 方法完全可 以代 替复杂 的考虑施工过程 的结构分 析方 法 。 一 5 5