（道路与铁道工程专业论文）混凝土收缩与徐变对新通扬运河大桥悬臂结构的影响分析.pdf

摘要 随着钢管混凝土结构的出现，钢管混凝土拱桥在我国得到了迅速的推广和应用。目前 为止我国钢管混凝土拱桥技术已经达到了国际先进水平。然而由于每个系杆拱桥都有其结 构的特殊性，如本文研究的新通扬运河大桥有三个拱肋且横梁采用长悬臂的结构形式，需 要对这个特殊结构的静、动力性能以及此类大桥的整体安全性、耐久性、可靠性需要作更 深入的计算和理论研究。 首先，本文系统地介绍了钢管混凝土结构的基本工作性能、钢管混凝土拱桥的结构及 其构造特点，并详细介绍了几种常见的混凝土收缩徐变的理论、系杆混凝土拱桥结构组成 和钢管混凝土的工作原理。 其次，根据工程实际情况运用桥梁专业计算软件桥梁博士3 1 0 对纵桥向的拱肋、系 梁、吊杆建立模型后进行静力分析。然后利用空间有限元计算软件m i d a sc i v i l 简化建立 模型对结构的空间稳定性进行了空间屈曲分析，完成了对全桥的主要计算。 再次，结合横梁结构的特殊部位，利用桥梁专业软件桥梁博士3 1 0 进行了简化建立 模型分析。通过从结构简支和固端两个模型对成桥阶段和l o 年后两个时间段桥梁在自身 重力作用下其结构的内力、位移、应力情况进行比较分析，得到了混凝土的收缩徐变对悬 臂结构内力、位移、应力情况的影响，尤其是交接处的影响。 最后，通过空间有限元软件m i d a sc i v i l 对桥梁横梁悬臂段空间特性分析。结合以上 分析结果对工程的设计和施工等方面提出了对结构有利的建议和意见。 关键词：钢管混凝土系杆拱桥；内力计算；空间稳定分析；横梁悬臂j 收缩与徐变 i i 黎南京水鼽擎 专业学位研究生学位论文原创性声明和使用授权说明 ( 一) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 铷彳 新签钐翻司芳 日期：z d p c l 年钼4 - 日 ( 二) 学位论文使用授权说明 本人完全了解南京林业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： ( 1 ) 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； ( 2 ) 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； ( 3 ) 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 论文作者签名：易纽犀 翩签名：翻目砻 旧期：垆d 穹年占月4 - 1 3 致谢 本论文的研究工作是在导师李国芬副教授的悉心指导和严格要求下完成的，从论文的 选题、研究、文献的查阅及整个论文的写作过程，李老师都倾注了大量的心血。李老师深 厚的学术造诣、渊博的理论知识、丰富的工程经验、严谨的治学态度以及一丝不苟、埋头 苦干的钻研精神，对我影响深远。在此论文完成之际，谨向恩师及家人表示诚挚的祝福和 深深的谢意。 林李公司的朱敏总工和王永恒高工是我的第二导师，作者在林同炎李国豪土建工程咨 询有限公司第二道路桥设计所实习期间给予了无微不至的关怀，对论文的选题和撰写给予 了悉心指导，为论文提供了许多有价值的资料和建议。谨此致以最诚挚的谢意。在实习期 间还得到公司持杨咏梅总经理以及晏应和张彦等做过大量系杆拱桥设计的工程师以及公 司同仁的热情帮助和大力支持，在此表示深深的谢意! 此外本人在撰写论文的过程中得到 了张宏俊高级桥梁工程师的指导，在此一并表示谢意。 感谢感谢土木工程学院的老师长期以来对我的一贯支持与帮助。感谢师兄袁希一、郭 泽华和师弟周扣琴等对我的支持与帮助，感谢和我一起度过这几年难忘的时光的朋友和同 学及设计院的同仁，祝愿他们有一个美好的未来。 特别感谢我的家人及亲友，多年的学习生涯，他们一直都无微不至地关心我、支持我、 鼓励我，是我前进的动力和力量的源泉，借此论文完成之际，向他们表达我衷心的感谢和 祝福，祝愿他们身体健康、幸福快乐! 作者：赵海洋 二o o 九年四月 1 绪论 1 1 钢管混凝土拱桥 改革开放以来伴随着我国基础设施建设的大力发展，我国的交通行业得到了前所未有 的发展。特别是桥梁的建设日新月异，各种新结构，新形式的桥梁结构得到了巨大的发展。 而钢管混凝土拱桥，具有自重轻、强度大、抗变形能力强的优点，比较好的解决了修 建桥梁所需要的用料省、安装重量轻、施工方便、承重能力大的诸多矛盾。因此得到了前 所未有的创新和发展。特别是近二十多年来钢管混凝土桥梁得到了大量的修建和发展过 程。而建立在钢管混凝土桥的基础上的各种桥梁新的结构层出不穷。而与此同时我国的 钢管混凝土桥梁的设计理论得到了很好的发展。但是应该指出的是有关钢管混凝土的研究 尚不够深入与系统，距较为成熟的理论还有很大的差距。特别是一些特殊结构形式的钢管 混凝土拱桥的设计计算就有更多的研究意义。 1 1 1 钢管混凝土桥主要形式及分类 按照钢管在结构使用阶段和施工阶段中所起的主要作用，可分为钢管混凝土拱桥和钢 管混凝土劲性骨架拱桥或内填型钢管混凝土拱桥及内填外包型钢管混凝拱桥；按照车承形 式分为上承式、中承式和下承式；按照主拱圈形式分为肋式和桁式，肋式分为单管、哑铃 形，桁式分为横哑铃形、多肢桁式、混合桁式、集束式。 钢管混凝土构件按加载方式的不同又可分为普通型钢管混凝土和约束型钢管混凝土。 前者荷载同时施加在钢管和核心混凝土上，钢管参加轴向受力；后者荷载仅施加于核心混 凝土之上，钢管不参与轴向受力，仅对混凝土起约束作用。其中普通型钢管混凝土结构在 工程实践中应用的更广泛一些。 系杆拱桥属于梁和拱的组合体系，它集拱和梁的体系的优点于一体，起源于1 9 世纪 末的欧洲3 1 。 1 8 5 8 年奥地利人兰格尔就申报了刚性梁柔性拱的桥专利。随后在1 9 2 9 年尼尔森用斜 吊杆代替了兰格尔拱中的竖吊杆提高了结构的刚度。1 9 5 5 年挪威爱吉尔学院的p e rt v e i t 教授申请了网络拱桥的专利。 系杆拱桥按照其是否有支座可以分为有支座的拱梁组合体系和无支座的钢架系杆拱。 其中前者是拱与梁在拱角处刚结，然后支撑在墩台支座上，属于无推力结构，因此在我国 的南方特别是基础不太好的地区这种结构形式的系杆拱桥应用比较多。而后者是将拱与桥 墩固结不设支座而采用预应力钢绞线来平衡拱的推力。 系杆拱桥按照拱肋和系杆刚度的不同大体上又可分为刚性拱柔性杆、柔性拱刚性杆、 刚性拱刚性杆三种结构形式。 而按照行车道的位置系杆拱桥又可以划分为上承式、中承式、半中承式和下承式四种 类型。 本节主要介绍了钢管混凝土拱桥在国外和我国的发展情况，并对其结构形式及其特点 作了简要的概述，同时介绍了系杆拱桥的三种分类方法，为下面的章节做准备工作。 1 1 2 钢管混凝土拱桥国内外发展概述 世界上最早将钢管混凝土应用于拱桥之中的是1 9 3 7 年前苏联在列宁格勒用集束小直 径钢管混凝土做拱肋建造了跨径为1l o m 的跨越涅瓦河的拱梁组合桥。1 9 3 9 年，前苏联又 建造了位于西伯利亚n c e t b 桥，跨度达1 4 0 m 的上承式钢管混凝土桁肋铁路二铰拱桥。然 而，此后的相当长时间内，世界范围内没有再修建这种桥梁。不过近年来欧洲修建了一些 小跨径的钢管混凝土桥，如西班牙的( e s c u d ov i a d u c t 桥) ，主跨径1 2 6 4 m ；法国修建的 ( a n t r e n a s 桥) ，主跨径5 6 m ：美国和日本也分别修建了( n e wd a m e na v e n u e ) 桥和长崎 新西海桥，主跨径分别为7 4 m 和2 3 0 m 2 】。 我国虽然在钢管混凝土桥的建设上起步比较晚，直到1 9 9 0 年，中国第一座钢管混凝 土拱桥一四川的旺苍东河大桥才建成。由于钢管混凝土拱桥具有材料强度高、施工方便、 造型美观等优点，又适逢我国大规模的交通基础设施建设时期，钢管混凝土拱桥在我国得 以迅速发展。随着数量的增多，跨径与规模也不断增大，结构形式也曾出不穷，分布区域 也越来越广。在十几年左右的时间内国内己建和在建的钢管混凝土拱桥已达2 0 0 余座，跨 径大于3 0 0 m 的有广州丫髻沙大桥，跨径为3 6 0 m ；四川巫山长江大桥，跨径为4 6 0 m ；浙江 淳安南浦大桥，跨径为3 0 8 m ：广西邕宁县的邕江大桥，跨径为3 1 2m 。跨径明显要比欧美 日一些西方国家的要大的多。体现出了我国在钢管混凝土桥梁的设计建设施工上处于世界 领先水平副。 1 2 混凝土收缩徐变理论 1 2 1 混凝土收缩与徐变基本概念 1 9 世纪人们第一次人为的观测到了混凝土的收缩。1 9 0 7 年h a t t 第一次发现了混凝 土的徐变。收缩时混凝土体内水泥胶体中游离水蒸发，而使其本身体积缩小的一种物理化 学现象，它不依赖于荷载而与时间变化有关的一种变行。徐变是混凝土材料本身固有的特 征，它是指在持续荷载作用下，混凝土应变随时间增长的现象。 混凝土收缩徐变产生的机理十分复杂，影响因素也十分的多。如混凝土的弹性模量一 弹性模量愈高，徐变就愈小，这主要与加载时混凝土的龄期有关；混凝土的含水量一含水量 愈高，水分迁移就愈容易，徐变量就愈大，这主要与水灰比有关；应力级别、应力状态、加 载龄期一应力愈高、持荷载时间愈长，徐变量就愈大；环境温度温度高，徐变就大。 基于以上多种因素人们的研究工作不可能考虑到所有的问题，往往只侧重某一方面或 者某两个方面。而伴随着更高强度更高性能以及添加各种改性剂的外加剂的特种混凝土的 出现，这个问题的研究变得更加复杂，更加难以研究，而新的结构形式，新的施工方法的 采用，使人们越发意识到此问题的重要性，大量的研究使人们对此问题的认识的广度和深 度有了很大的发展。 1 2 2 混凝土收缩与徐变问题的复杂性 混凝土的收缩与徐变由于混凝土材料本身的固有特性是一个非常复杂的问题。由于时 间的变化，收缩徐变会随着环境和本身的特性对构件长期变形影响很大。如在预应力混凝 2 土结构中由于混凝土的收缩徐变会引起预应力的损失，如果损失过大会影响结构整体的安 全性。在分段施工的桥梁中，由于结构体系的转换前期结构产生的徐变产生的变形量受到 后期结构的约束将在结构中长生徐变次内力和支座次反力；在大跨度桥梁结构中，混凝土 的徐变会逐步降低其预拱度，从而在结构的长期使用过程中产生极其不利的影响；混凝土 的收缩徐变会造成整体结构内力的变化，引起结构的内力重分布；混凝土的收缩徐变还会 造成非承重结构的损失，此外，在随着混凝土收缩徐变的时变效应结构会产生裂缝，当裂 缝达到一定的程度后对结构的整体安全性也会产生相当不利的影响砸1 。 人们普遍认为徐变与收缩是相互联系的现象，因为二者之间有很多的相似之处。影响 徐变的参数在很多的方面与影响收缩的参数一样，应变的数量级也是相同的，而这包含着 很大的不可逆性。如同收缩一样徐变是浆体的特性，混凝土中集料起着抑制徐变的作用。 大部分的研究人员相信徐变的起因归结于c - s - h 对应力的影响。因为关于纯浆体徐变的资 料很少，需要混凝土的资料来估计试验变量的影响。 影响混凝土干燥收缩和徐变的因素喁1 ：浆体参数、混凝土参数、环境参数。 其中浆体参数指：孔隙率、浆体的龄期、养护温度、水泥成分、含湿量、外加剂；混 凝土参数指：集料的刚度、集料含量( 水泥含量) 、体积一表面积之比、厚度尺寸；环境 参数：施加的应力、加载持续时间、相对湿度、干燥速率、干燥时间。其中施加的应力及 加载持续时间只对混凝土的徐变产生影响。 从上可以看出二者之间存在着非常密切的关系是不可分割的。不研究混凝土徐变而研 究混凝土收缩或者不研究混凝土收缩研究混凝土徐变都是不科学的。因此本论文两个问题 一起研究。 1 2 3 国内外混凝土收缩与徐变的研究现状 混凝土收缩与徐变是人们至今仍没有完全掌握的问题。早在2 0 世纪初期，人们就发 现了混凝土的收缩徐变现象，但是系统的研究从2 0 世纪3 0 年代才开始，而应用实际结构 则更晚。经过几十年来的试验研究资料和实践经验的积累。1 9 1 0 年一项关于在持续荷载 的作用下混凝土效应的试验研究得出结论：混凝土中有一种塑性，在长期施加的荷载作用 下由于其使混凝土屈服。1 9 1 7 年史密斯在美国混凝土学会( a c i ) 杂志上发表了混凝土徐 变与徐变恢复的试验结果。1 9 3 1 年戴维斯人对混凝土的徐变性能进行了系统研究后，才 对徐变性能有了比较明确的认识。多数设计人员对收缩徐变的认识仅仅停留在他们只是一 个单纯的数学问题。通过国内外许多学者专家的不断研究探索和实践经验的积累，人们对 混凝土收缩徐变的认识及其对结构的影响分析、计算理论、计算模式等很多进行了大量的 研究并得到了很大的发展。并且尽管如此混凝土的收缩与徐变的理论还处于发展之中。各 个国家和组织对收缩徐变的机理的认识，提出收缩徐变的表达式尚存在分歧。 从发现混凝土收缩徐变至今的一个多世纪来，国外研究过程中提出的模型有：c e b - f i p 模式，b p - 2 模式，a c i - 2 0 9 模式以及f t e l l 的解析法等n 2m 】【川n 副。 c e b - f i p 模式是欧洲混凝土协会( c e b ) 和国际预应力混凝土协会( f i p ) 1 9 7 8 年简易 缩写，为我国交通部公路预应力混凝土桥梁设计规范所采用。它采用滞后弹性变形( 可恢 复的徐变) 与塑性变形( 不可恢复的徐变) 相加的徐变系数的表达式，并将塑性变形分为 初始流变和延迟塑性变形两部分。 b p - 2 模式是美国的b a z a n tzp 教授在对世界范围内庞大的实验数据经过最优拟合后 而得出的徐变函数的数学表达式，他将徐变分为基本徐变和干燥徐变两大类。 a c i - 2 0 9 模式是美国混凝土协会建议的，徐变系数由五个系数相乘组成，但是有几点 不同于c e b - f i p 模式之处：( 1 ) 更多更细致地考虑了混凝土的配合比；( 2 ) 每个系数都 是具体的数学表达式，易于电算；( 3 ) 不区分之后弹性变形和塑性变形；( 4 ) 采用双曲 线函数的时间系数。 f t e l l 的解析法是根据c e b - f i p 建议中的系数提出的相应的函数表达式，并提出了 计算徐变系数终极值的解析方法。 我国对混凝土结构的收缩与徐变研究开始于2 0 世纪5 0 年代，起源于预应力混凝土简 支梁的预应力损失和预拱度的计算。国内各科研单位对混凝土的收缩与徐变特性做了大量 的试验研究，并提出了多种数学计算模式。而真正将收缩徐变理论应用于实际结构的是在 2 0 世纪7 0 年代，主要应用于水利工程和桥梁工程。我国现行的公路钢筋及预应力混凝 土桥涵设计规范( j t gd 6 2 - 2 0 0 4 ) 采用的是c e b f i p 9 0 模式。 目前常用的几种徐变模式都是根据大量的试验数据总结的经验公式因对混凝土收缩 徐变处理的侧重点不同，它们在处理问题时考虑的具体因素均存在差异。在混凝土结构计 算中，如何恰当选取收缩徐变模式以较为准确地确定混凝土的徐变系数及收缩值，向来是 人们深感困难的问题之一。而对混凝土结构的时效行为进行分析计算时，其计算误差主要 来自徐变模式的选取和混凝土时效影响计算方法的近似性。混凝土本身的变异性非常大， 影响收缩徐变的因素又非常多。本论文计算收缩徐变采用的是软件桥梁博士3 1 0 ，它选 用的是c e b f i p l 9 9 0 模式u 。 在不变荷载的持续作用下，混凝的变形随时间的增长而增加的现象称为徐变。由于 混凝土徐变时的时变性质，预应力混凝土桥梁的徐变效应贯穿于桥梁构造至整个服役期， 且其效应依时而变。预应力混凝土桥梁的徐变效应主要体现于以下几个方面： ( 1 ) 结构中混凝土和钢筋的应力、应变均随时间而变化：无论时静定体系还是超静 定体系的预应力混凝土梁，混凝土的自由徐变受到钢筋的约束，同一截面上的混凝土和钢 筋的应力必将发生依时而变的重分布，混凝土、钢筋的应力、应变随时间而变化。 ( 2 ) 预应力混凝土桥梁在自重及预加力作用下，截面通常长期承受不均匀受压，混 凝土的徐变导致截面曲率的绝对值依时而递增( 增长率依时递减) ，梁体的挠度或拱度亦 随时间而增长。 ( 3 ) 超静定体系梁发生体系转换时所产生的徐变次内力随时间而变化：对于超静定 体系梁，在施工过程中发生体系转换时，从先期结构继承下来的应力所产生的徐变受到后 期结构的约束，将在结构中产生时变的徐变次内力。由于徐变受钢筋的约束影响，时变徐 变次内力与钢筋截面配筋率、布置等有关。 通过改变梁体长期恒载下的应力状态，徐变将间接地影响叠加活载作用下的应力峰 值。由于混凝土为脆性材料( 极有限的延性) ，徐变将以上述方式影响梁体的脆性破坏。 桥梁作为重要的结构构造物一旦出现问题控制桥梁长期上拱成了设计最主要原则之 一，提高桥梁收缩徐变效应的预测对结构整体安全性的影响已经迫在眉睫了。 本文将以下承式钢管混凝上系杆拱桥一$ 2 3 1 新通扬运河大桥为工程背景n 钉，以横梁 ( 超静定结构并且结构形式在系杆混凝土横梁形式中比较特殊) 为研究对象对混凝土收缩 4 徐变对结构在长期使用过程中造成的应力影响，提供设计依据。因此在实验条件无法进行 的条件下进行理论计算预测混凝土收缩徐变对整个结构的影响非常重要。 1 3 本文研究的方法及意义 本桥的横梁悬臂长7 5 m ，根据设计资料知道两侧的非机动车辆的车道的设计考虑了 在以后的使用过程中，由于需要可能会改建成机动车道。桥梁的两侧的受力情况可能会发 生很大的变化，并且随着时间的推移，由于混凝土收缩与徐变的影响，这个预应力的悬臂 受力情况会有很大的变化，那么此时结构是否还满足安全的使用条件需要计算验证。由于 收缩徐变的特性本论文的研究只是停留在理论计算的阶段且侧重预计结构在1 0 年以后在 收缩和徐变的影响下本桥的悬臂结构的安全性分析预测，特别是结构在重力作用下的应 力、位移、内力的变化。 目前，国内在分析计算混凝土的收缩徐变效应时，参数的取值主要是根据现有的规范， 而由于混凝土的性质和多种影响因素都是随机的变量，对结构的建模产生了不利的影响。 目前在现有的结构分析软件主要有：交通部公路规划设计院的预应力混凝土桥梁通用计算 软件( q j x ) 、交通部公路科学研究所的公路桥梁设计系统( g q j s ) 、上海同济大学的桥 梁博士、以及韩国的m i d a sc i v i l 等。由于各个软件采用的计算理论和分析方法不同，导 致计算结果存在差异。但是对设计人员来说合理的选用模型并且采用偏保守的计算能够将 计算的误差控制在合理的范围内。 本文将对$ 2 3 1 省道新通扬运河大桥为例，采用桥梁博士软件3 1 0 进行了整体结构的 内力计算，并对系杆和拱肋截面进行了应力和强度验算。利用m i d a sc i v i l 对拱结构的整 体稳定性分析和横梁悬臂部分的特性分析。然后对横梁结构进行受力分析，特别是悬臂段， 选取了中横梁简化实际情况建立模型，根据简支和固结两种边界条件，结合桥梁博士对混 凝土的收缩徐变长期条件下对结构的不利影响分析以及结合前人已经研究过有关系杆混 凝土的计算的成果n 胡n 州制口，对中横梁的悬臂端的内力、位移、应力进行了分析计算。 希望能够引起设计人员对混凝土收缩与徐变对结构的悬臂端的影响有一个更明确的认识。 同时结合本桥的三个拱肋建立有限元模型进行屈曲分析对设计人员有一定得实践参考意 义。进而为设计人员设计同类型的桥梁提供一定的参考经验。 2 钢管混凝土拱桥结构分析 2 1 钢管混凝土拱桥的特点 钢管混凝土结构的拱桥结构体系非常丰富，形式也多样。钢管混凝土桥按照结构体系 可以分为简单体系拱桥、组合体系拱桥以及钢架系杆拱桥n 耵。拱桥按照主拱圈的受力方式 又可分为三铰拱、二铰拱和无铰拱。 本文研究的新通扬运河大桥属于拱梁组合体系的系杆拱桥，属于无推力拱。它利用桥 道系的纵梁作为拉杆，拱与梁在拱脚处刚结。然后再支承在交接墩上。这样使得拱和梁共 同承受荷载。外部属于静定体系，内部为多次超静定。而拱梁组合体系的系杆拱桥按照拱 肋与系杆的相对抗弯刚度的大小又可以分为三种结构形式：即柔性系杆刚性拱、刚性系杆 柔性拱、刚性系杆刚性拱。新通扬运河大桥属于刚性系杆刚性拱。 拱梁组合体系由于拱肋和系梁均有较大的刚度，且在拱脚处和端横梁固结。因此结构 不仅有较大的竖向刚度也有较大的侧向刚度，因此结构的稳定性得到了增强。 在受力上，由系杆、拱肋和吊杆组成作为承重体系的拱架，作用在桥面系上的恒、活 载由桥面板经横梁传给拱架结构，并通过吊杆传给拱肋，而拱肋内的轴压力在拱脚处可分 解为水平力及竖直力，水平推力由系杆承受，竖向分力则经墩台支座传至下部结构。系杆 拱为无推力或少推力结构，主要用在建筑高度受限制、通航要求高和地基条件较差的情况 下。 2 2 结构组成 2 2 1 拱肋 钢管混凝土拱肋结构按照其截面构造可以分为实体式和桁式拱肋。 钢管混凝土单管拱肋口，：单圆管加工简单，抗扭性能好，抗轴向力性能由于紧箍力作 用显示出优越性，但抗弯效率低，主要使用于跨径不大的城市桥梁和人行桥中，管壁较厚， 截面含钢率较高。单管拱肋除常用的圆管外，还有圆端形截面，圆端形截面横向抗弯惯性 矩较大，主要用于无风撑拱中。圆端形截面钢管对核心混凝土的套箍作用比圆钢管要小的 多。因此目前这类结构设计一般不考虑钢管对混凝土的套箍作用，而将其视为钢筋混凝土 进行设计计算，含钢率较高，只适用于跨径较小的城市桥梁中。 钢管混凝土哑铃形拱肋：肋拱桥中绝大部分为哑铃形拱肋，哑铃形截面较之单圆管截 面，截面抗弯刚度较大，哑铃形断面的特征是由两管组成，且腹腔较薄，两根圆管一般为 竖向排列，类似工字型拱肋。缀板内的混凝土主要用于防止钢缀板局部失稳和增大截面抗 剪能力。本设计研究的桥梁拱肋属于钢管混凝土哑铃形拱肋。 桁式拱肋：桁式拱能采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴 力为主，能够发挥材料的特性。对跨径超过1 0 0 米的拱肋，桁拱是一个比较合适的截面形 式。近年来采用较多的是多肢桁式拱肋，在多肢桁式断面中，四肢最为常见。钢管混凝土 6 多肢桁式截面，由于取消了钢管间的横向缀板和缀板内的混凝土而采用缀条，节省了钢量 和混凝土用量，减轻了自重，使钢管混凝土拱桥具有更强的跨越能力。同时各肢由于以受 轴向力为主，更易于采用钢管混凝土理论进行计算，整体受力方面则可参照格构柱的计算 方法。 拱肋主要有钢材和混凝土组成。组合结构中钢管主要承受拉力，混凝土以承受压力为 主。钢管混凝土中的钢管多采用q 3 4 5 钢b 级或以上的钢材制成，也有部分桥梁采用q 2 3 5 钢。其钢管又可以分为卷制焊接管和无缝钢管。 混凝土多采用低水灰比、高流塑性、低收缩、低水化热、缓凝早强的混凝土。其强度 等级多半都在c 3 0 c 6 0 之间口1 。拱肋作为钢管与混凝土作为一种组合材料合成的受力体 系。结合其受力特点两种材料应该合理搭配。即避免不合理的搭配又避免不必要的浪费。 拱肋结构是结构中重要的受力体系，其承受着拉杆的拉力和系梁的拉力。属于弯拉构 件。 为充分发挥钢管混凝土的材料性能，拱肋的拱轴线应接近压力线。在我国建成的钢管 混凝土桥梁中，拱轴线多半为悬链线和抛物线，以悬链线最多。上承式拱全部采用悬链线， 而抛物线多应用于中下承式之中，只有少数桥梁才用其他的函数的曲线。本论文研究的桥 梁拱肋采用的是抛物线。此外矢跨比也是衡量拱桥的一个重要的参数。矢跨比小，拱所受 的水平推力大。矢跨比大，拱所承受的水平推力约小，不过拱的建筑高度越大。 2 2 2 横撑 横撑也称风撑。钢管混凝土桥随着跨径的增大和宽跨比的减小，由于其自身的结构的 刚度随着跨径的增大和宽跨比的减小会随之减小。这样维持其横向稳定性，防止桥梁失稳。 这就需要在拱肋之间布置横向联系以此来增加结构的刚度。这个横向联系本文称之为风 撑。也有的桥梁不设置风撑，如宽跨比较小的桥梁将其两肋内倾而成提篮拱。也有一些景 观桥梁通过其他的方式增加其横向稳定性而不设置横撑的。 对于平行拱肋的系杆拱桥，横撑得布置对结构横向稳定性的影响大于其自身刚度的影 响。其按照布置的形式大体可以分为一字撑、k 撑、以及x 撑。 横撑多采用空钢管结构，如果拱肋为单圆管，横撑也多为单圆管。当拱肋为腹腔填筑 混凝土的哑铃型的时候横撑可以为单圆管。而如果拱肋为腹腔不填筑混凝土的哑铃型，横 撑大多也采用哑铃型的钢管。 为充分发挥钢管混凝土的材料性能，拱轴线应接近压力线。在我国建成的钢管混凝土 桥梁中，拱轴线多半为悬链线和抛物线，以悬链线最多口1 。上承式拱全部采用悬链线，而 抛物线多应用于中下承式之中，只有少数桥梁才用其他的函数的曲线。本论文研究的桥梁 采用的是抛物线。此外矢跨比也是衡量拱桥的一个重要的参数。矢跨比小，拱所受的水平 推力大。矢跨比大，拱所承受的水平推力越小，不过拱的建筑高度越大。 2 2 3 吊杆、系梁 吊杆在下承式拱桥中多采用柔性的，其受力特点要求它有很高的承载力，并且有很高 的不易变形。吊杆连接主拱肋和桥面系，从结构上说属于传到力结构。受力方式多半属于 7 受拉。本文说的吊杆指钢架系杆拱桥中的吊杆为预应力拉索，只受拉力的作用。吊杆受力 中活荷载占有很大的比重，所以设计荷载直接关系到吊杆的受力。 系梁主要承受吊杆的拉力和桥面板的压力，系梁和拱角以及横梁交接处受力比较复 杂。 2 2 4 横梁、桥面板和其它 纵向铺桥面板式的横梁多出现在城市桥梁或者大跨径的桥梁中，因为桥面比较宽，横 梁的受力问题尤为突出。横梁所承受的荷载长度为两吊杆之间的间距。根据受力的情况和 跨径的大小横梁可以分为：普通钢筋混凝土横梁、预应力混凝土横梁以及钢一混凝土或钢一 预应力混凝土叠合梁构造的作法。 桥面板按照跨径的大小可采用实心板、空心板、槽形板以及t 型板凳多找那个形式。 一般采用普通钢筋混凝土结构，但是当桥面板跨径较大时也可采用预应力混凝土结构。对 于下承式的桥面板都直接布置在吊杆连接的横梁之上，传递车辆和人群荷载。 对于混合交通的城市或公路桥梁，为了降低跨中的弯矩，横梁一般做成伸臂式，将非 机动车道和人行道挑臂，也有不将横梁做成简支的。当桥梁较宽时可以把两个拱肋做成多 个拱肋进而缩短横梁的间距改善受力。 为了减少伸缩缝的数量进而改善行车舒适性，纵向设置的桥面板可以做成结构简支、 桥面连续或者结构连续的。其中桥面采用先简支后连续的作法能明显改善结构受力性能要 比结构的桥面连续要好。 2 3 钢管混凝土工作原理 2 3 1 概述 ( 1 ) 核心混凝土的本构关系嘲 核心混凝土的本构关系实质上是承受侧压力的混凝土本构关系。考虑钢管混凝土侧压 力的特点，文献提出的本构关系为： 口o l a c e , , 4 0 ) - b c 善；4 0 ) 2 氆舂) ( 1 一q ) + g o q ( 善c 彘) o j fg l 1 孑候 彘) ( 2 1 ) ( 受彘) ( 关岛一1 ) 2 + ( 磊彘) g 1 1 9 式中： 铲厶 1 1 9 4 + ( 1 3 f a ) 0 4 5 ( - o 0 7 4 8 孝2 + o 5 7 9 孝) 彘= 乞+ 1 4 0 0 + 8 0 0 ( 厶一2 0 ) 2 0 严( 心) 厶= 1 3 0 0 + 1 4 9 3 厶( 心) a = 2 一茁，b = 1 一彭，r = 0 1 孝o 7 4 5 q = ( o 2 + 0 1 孝) p = 2 2 3 6 1 0 - s ) 眈5 + 触5 妇髭5 1 0 - 4 毛= a s ls a c lc 式中f 称为套箍指标：厶为混凝土抗压强度标准值。 核心混凝土的横向变形系数以为： f 0 1 7 3 胪1 0 1 7 3 + 0 7 0 3 6 ( a a o - o 4 ) ( 2 0 厶) o 5 5 + 0 2 5 ( o t 一3 3 5 ) 3 3 5 o 5 5 + 0 2 5 l - ( z , 一3 3 5 ) 3 3 5 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 ) 钢材的本构关系 一般把钢材变形分为弹性、弹塑性、塑性、强化以及二次塑流等几个阶段，分别给出 其本构关系。 弹性阶段( o i ) 在此阶段，钢材的应力一应变关系为线性，可写为如下的增量形式： 式中： d p = 【d l d m 踹 对 h t l 一心 p s 1 一以 l 称 o0 ( 2 5 ) 式中：巨= 2 0 6 1 0 5 m p a ，以= 0 2 8 3 。 弹塑性阶段( q ) 在此阶段，钢材的切线模量e 。由弹性阶段的e s 衰减到进入屈服阶段的零，采用 f b l e i s h 的公式计算： f ，= 等考疋 眈卅 弹塑性阶段的泊松比，按下式计算 9 丝 n ” 孔 以一以 o o o o o 一炉 一 o o o丝耻 一 o z 瓦 尚， ，l ，= o 1 6 7 ( a _ f f ) c f , 一) + o 2 8 3 该阶段的应力一应变关系写 d p ) = d m 黜 增量形式 纠 乞l 点：f 彘，i 磊。j 1儿 1 1 一， l 对 称 ( 2 7 ) ( 2 - - - - - 9 ) 塑性、强化以及二次塑流阶段儿 根据经典力学，此阶段屈服应力与塑性应变的关系为： q = 日( j 叱p )( 2 - 1 0 ) 式中： 5 ，等效的塑性部分； h 与第有关的函数。 假定钢材屈服时满足v o n m is e s 屈服准则，经推导可得弹塑性矩阵为 1 0 q，1 6 口 j 下 l 如 p 成 = 历西以巩以乃 。 。 。 。 似一m 一烈 。差 一烈 。差一烈 从一m止一m。 式中 【。】印= 南 i一国蹄1 i 一2 从 “ 对 而1 - , u , 一墨，如而1 - , u j 一国昌t 马，一国墨- 墨：一国s - 一缈s t 蜀， 而1 - , u 5 一缈砭而1 - , u , 一彩是z 岛， 一彩岛z 墨：一国：岛，一缈最：墨。 函1 - , u 瓦一s 惫一s 赢一伪s 3 3 s 珏吲s 鼎 1 2 _ c o s 。2 ：一国墨：0 ，一缈墨：墨， 1 2 _ c o s 。2 一吗3 墨3 称 1 ，_ c o s 。2 ， c o = 9 g 2 0 ( h + 3 g ) g = 巨 2 ( 1 + 从) 】 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 当采用三个主应力形式时，只要将上列矩阵的4 - - 6 行和4 - 6 列中的元素去掉即可。 系数h 和0 。，的确定方法如下： ( 1 ) 一次塑流阶段 h l 0 a t = 。 ( 2 ) 强化阶段 h = e 、( 1 一e i | e j 互= ( 无一工) ( 色，一乞：，) q = 工+ e ( 毒一乞：，) ( 3 ) 二次塑流阶段 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) h = o ，q = ( 2 1 7 ) 在确定了钢材和核心混凝土的应力一应变关系模型的基础上，利用数值方法，可计算 出钢管混凝土荷载一变形全过程关系曲线。 2 3 2 钢管混凝土构件的极限承载力 荷载一变形关系曲线全过程分析虽然能从理论上准确的描述钢管混凝土的工作性能， 但计算复杂，不便与实际应用。文献确定了组成钢管混凝土的钢材和混凝土的应力一应变 模型，基于纤维模型法，分析了钢管混凝土的荷载一变形关系曲线，并结合试验给出了圆 钢管混凝土受压、抗弯、压弯构件的简化计算方法b 1 。 ( 1 ) 钢管混凝土柱的极限承载力 钢管混凝土受压柱的极限承载力设计公式为 心= 烈。= 鸱厶 ( 2 1 8 ) 式中： 心一钢管混凝土轴心受压构件临界压力； m 一钢管混凝土轴心受压强度承载力； n 。= a 。c 以一钢管混凝土截面面积； 厶一钢管混凝土抗压屈服极限； = ( 1 2 1 2 + b 孝+ c 善2 ) 二 b = o 1 7 5 9 ( f y 2 3 5 + 0 9 7 4 ) c = 一0 1 0 3 8 ( f 。k 2 0 ) + 0 0 2 1 6 厶一混凝土抗压强度标准值； 工钢材屈服极限； f ：辱冬，称为套箍指标； a c ) c 一轴心受压构件稳定系数： f 1 0( 五矗) 伊2 a 2 2 + b 2 + c ( 凡 以 式中： a ，b ，c ，d 为系数a = d e ，b = - 2 0 ( d p ) 气2 ， d = 5 0 0 0 + 2 5 0 0 ( 2 3 5 ) ( 乃以朋翰计) ，e = ( 2 p 一凡) 2 以2 ； 名。、厶分别为钢管混凝土轴压构件发生弹性和弹塑性失稳的界限长细比； 九p = 氕遗es c lls ：p 式= 冗- es c h f s c 3 ， e s c = f s 印| 芎3 窄 z 印和分别为轴压比例极限及其对应的应变； 厶= o 1 9 2 ( f y 2 3 5 + 0 4 8 8 ) f , o , 考s 单= 3 2 5 1 0 越，p e 幽= 4 2 0 孝+ 5 5 0 ( m p ) ( 2 ) 纯弯构件的极限承载力 抗弯承载力m 。的简化计算公式为： m 。= 7 灏s 貅 时 = 一0 4 0 4 7 考：+ 1 7 6 2 9 x f 手 形硎一构件截面抗弯模量。 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 3 ) 压弯构件 压弯构件承载力公式为 7 。巢一h | n s 净 式中： 叫老) 3 - 6 ( 老) 2 - c 列n 卅( 2 - - 2 1 ) 胍，分别为弯矩和轴向压力； 虬= 万：k 屯名，为轴压构件的欧拉临界力； a = h l h ，b = h 2 a ，c = h 3 h ； a = , 7 0 0 7 0 1 ) 2 l = ( 厶一1 ) ( 2 2 r o ) 一r o a 2 = 2 r 0 3 + ( 3 r 0 3 - 1 o ) ( 氢一1 0 ) a 3 = ( 2 r o - 3 r 0 2 ) ( 氏一1 o ) 3 一瑶 叩。= 牺。， 氨= ( 氕。厂) 尹 r o ，= 1 5 1 6 磊- 1 ) ( 半一了0 0 0 8 7 0 0 1 5 ) 一丁0 0 0 0 5 2 5 + 了0 0 2 3 3 + 0 1 3 5 o l = 1 5 1 6 ( 一去) ( 鼍竽+ 了0 0 0 2 3 4 + 0 0 3 1 ) + 了0 0 0 0 4 4 8 + 半+ o 叭 口= 彳。4 ，钢管混凝土构件截面含筋率； y = 1 一( 1 + 正6 7 ) ( 7 t 一1 ) = 1 5 1 6 ( 1 - 工2 3 5 ) ( 0 0 2 2 0 0 6 3 5 ) + 1 0 2 6 0 3 1 6 a 目前，对单纯轴压和扭转受力构件的基本性能已有比较全面的了解，建立了统计回归 本构公式；而对弯、扭、压共同作用的复杂受力行为的研究，尚限于对承载力的分析计算。 3 新通扬运河大桥结构计算 3 1 新通扬运河大桥概况n 力 3 1 1 设计采用的技术标准 ( 1 ) 通航等级：按六级通航标准设计。净宽2 2 米，净高4 5 米。最高通航水位3 3 4 ( 黄 海高程) 。 ( 2 ) 设计荷载：机动车道公路一i 级；非机动车道公路- i i 级；人行道3 l ( n m 2 。 ( 3 ) 地震：地震动峰值加速度系数：0 1 9 ，地震基本烈度度。 ( 4 ) 纵坡：本桥位于r = 2 0 0 0 m 凸型竖曲线上，转坡点位于跨中，两侧双向纵坡2 5 。 ( 5 ) 横坡：双向横坡机动车道2 ，非机动车道一2 ，人行道一2 。 ( 6 ) 设计时速：6 0 i ( 1 i i h 。 ( 7 ) 桥面铺装：主桥主车道采用5 c m a c - 1 6 + e a 一1 环氧沥青防水粘结层+ l o c m c 5 0 水泥混凝土桥面铺装( 内置d 8 焊接钢筋网) ；主桥慢车道采用5 c r o a t - 1 6 + e a - 1 环氧沥青 防水粘结层+ 6 c m c 5 0 水泥混凝土调平层( 内置d 6 焊接钢筋网) 。 3 1 2 总体布置 本工程按照“结构安全、功能完善、造价合理、施工维护方便和兼顾造型美观”的原 则，根据桥址河床断面的状况，为节省造价，加快施工进度，尽可能减少水中桥墩，满足 航道要求及避免水中桥墩施工，同时考虑驳岸结构及桥墩本身的结构要求，主跨跨径定为 8 0 m 的双提篮式钢管混凝土系杆拱桥，直接跨越通扬运河。 桥梁跨径组合： 南引桥：l l x 2 0 = 2 2 0 m 北引桥：1 0 x 2 0 = 2 0 0 m 主桥：8 0 m 桥梁总长：5 0 0 m 1 4 图3 1 桥梁立面图 3 1 3 横断面布置 桥梁全宽：主桥4 9 米= 0 5 米( 护栏) + 6 米( 慢车道) + 3 米( 分隔带) + 1 2 2 5 米( 车 行道) + 5 5 米( - - h 隔带) + 1 2 2 5 米( 车行道) + 3 米( 分隔带) + 6 米( 慢车道) + 0 5 米 ( 护栏) n 7 1 。 j、5 昂杆 风撑直 ，一 i i- c l 牛9 0 0 2 = 2 4 5 04 9 0 0 2 = 2 4 5 0 r 5 c r n a c 一16 中鞋沥青l 嫌土轿_萎 e a - 1 环氧i 猎防水 措层 1o c m c 5 0 球麟臁士桥_ 辱堆装 系梁2 2 c m 瓣_ 襁e 士扦藿 芦 ， ， 端横粱r l 鑫皂 匡 、 直在 靠1 月 一旧 止。- j i 一 、卜 笙丝 牛 iii 哔告畔书浊 li l 愀面面ej 出出出出出出c 图3 2 桥梁侧面图 3 1 4 桥梁结构设计 ( 1 ) 主桥上部结构 主桥上部结构为钢管混凝土系杆拱桥。 本桥主桥为1 - 8 0 m 系杆拱，拱轴线为二次抛物线，计算跨径8 0 m ，跨中计算矢高1 6 米，矢跨比1 5 。计算拱轴线抛物线方程为：y ：a x 2 + b x ，a = 一1 1 0 0 ，b = 8 l o 。拱肋截面 为哑铃型，拱肋高度2 3 m ，拱肋由两根外径l o o c m 壁厚1 6 m m 钢管中间以缀板连接构成， 拱肋钢管及缀板材料采用q 3 4 5 钢，钢管内灌注c 4 0 微膨胀混凝土，拱肋上横向设置3 道 “k ”字型风撑，风撑材料采用q 3 4 5 钢。主桥系杆采用箱形截面，系杆高度2 m ，宽度1 5 m 。 系杆和拱肋之间采用吊杆作为传力结构，吊杆每5 米设置一个。主桥系杆之间采用横梁相 连接，横梁与桥面板为整体结构，其整体性较好。 ( 2 ) 主桥下部结构 桥下部结构采用普通钢筋混凝土桥墩盖梁，盖梁下接2 m x2 m 和2 5 m x2 5 m 方形立柱， 基础采用巾1 2 0 c m 和巾1 5 0 c m 群桩基础，基础与立柱之间采用2 5 m 厚承台连接。 3 1 5 主要材料 ( 1 ) 混凝土 主桥 。系杆、中横梁、端横梁、拱脚、桥面板湿接段、桥面铺装均采用c 5 0 混凝土； 钢管拱肋填充混凝土采用c 4 0 微膨胀混凝土； 交接墩盖梁、交接墩墩身采用c 3 0 混凝土； 交接墩承台和交接墩群桩基础采用c 2 5 混凝土。 引桥 2 0 m 空心板及其桥面铺装、铰缝采用c 5 0 混凝土； 桥墩盖梁、台帽、背墙、立柱、搭板采用c 3 0 混凝土； 板端封头混凝土、系梁、承台、钻孔灌注桩采用c 2 5 混凝土。 ( 2 ) 普通钢筋 设计采用钢筋为r 2 3 5 钢筋和h r b 3 3 5 钢筋( g b l 3 0 1 3 1 9 9 1 和g b l 4 9 9 1 9 9 8 ) 。 ( 3 ) 预应力钢材 预应力钢绞线应符合标准预应力混凝土用钢绞线g b t5 2 2 4 - 2 0 0 3 ) 低松弛高强 度钢绞线由8 1 5 2 0 钢绞线，f p k = 1 8 6 0 m p a ，单根钢绞线直径由3 1 5 2 0 r a m ； 吊杆采用f p e s ( ) 5 7 3 超高强度平行钢丝拉索，ob = 1 7 7 0 m p a ，符合g b t1 8 3 6 5 2 0 0 1 斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件标准。 ( 4 ) 钢板、钢管 拱肋钢管、钢板、风撑采用q 3 4 5 c 钢，吊杆采用无缝钢管，以上所有钢板、钢管均须 符合g b t 7 1 4 - 2 0 0 0 和无缝钢管工艺设计规范g b 5 0 3 9 8 2 0 0 6 的规定。 1 6 ( 5 ) 伸缩缝、支座 伸缩缝采用型钢伸缩缝；本册桥梁主桥采用盆式橡胶支座，引桥桥墩、桥台支座均采 用圆板式橡胶支座。 3 2 新通扬运河大桥主要施工步骤 一般钢管混凝土拱桥的主要施- r l 顿序为架设空钢管、浇筑管内混凝土形成钢管混凝土 拱肋、架设纵横梁、架设桥面板、进行桥面铺装。 在实际的设计计算中，往往不同的施工方法会对结构的应力产生非常大影响，所以， 什么样的施工方法就应该采用什么样的计算方法。所以有必要介绍下此桥的计划施工步 骤，如有不合理之处计算完成后再根据结果做一定的调整。 3 2 1 施工步骤一 - 3 i li 刽l x d n x d n x d 口日x d d d 目日x d 位日d a ) 日d x d 匝日x i x d x x 盯i l ii i 气5 。o i il | j 一 堕 1 、莲业2 i 田毳蛔l1 3 4 碡盘! | ! = 图3 3 施工步骤一 施工步骤说明： ( 1 ) 主墩( 1 1 # 、1 2 刳t ) 桩基础、承台、盖梁施工； ( 2 ) 临时墩上搭建贝雷架( 一个系杆临时墩顶力：l 号、4 号2 8 0 0 k n ，2 号、3 号6 2 0 0 k n ) ，架设支架必须有效控制支架的沉降，并预压最后连续三天沉降不超过l m m 天；现浇 系