（道路与铁道工程专业论文）下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥拱肋施工力学分析.pdf

摘要 摘要 钢管混凝土拱桥施工过程中，结构体系不断变化，主拱截面逐渐形成，且浇注的混凝土数量大， 技术要求高，保证旋工阶段结构构件的局部和整体稳定具有至关重要的作用。而国内外对成桥后的 稳定与受力研究较多。施工过程中的稳定性研究较少，特别是不对称泵送混凝土对拱肋变形及稳定 性的影响，国内尚无相关研究报道。 本文系统地研究了钢管混凝土拱桥从管内混凝灌注到旌工结束后，拱肋的变形、应力及稳定 性的变化规律。 首先，本文利用接触面单元，模拟混凝土与管壁的相互作用，同时利用有限元软件的“单元生 死”和“a p d l 语言编程”建立拱肋灌注混凝土的有限元模型，分析对称灌注及两边灌注高差为0 3 米、0 5 米和1 米三种情况下拱肋的变形及稳定性的变化规律。结果表明：混凝土灌注进行到中部时， 拱肋变形最大，应控制此时拱肋的变形量；不对称施工对稳定性影响重大，施工初期尤为突出，随 着施工的进行，不对称施工偏差造成稳定性降低的程度变小。 其次，利用“a p d l 语言编程”建立尖湖拱桥施工过程中九个工况的实体有限元模型，通过与 实际检测数据对比，论证了模型的有效性和可靠性。并利用该模型分析了施工过程中拱肋应力及稳 定性的变化规律，结果表明：拱肋下表面应力值均大于上表面应力值；两侧拱脚及l 4 与3 l 4 的应 力变化呈对称趋势；张拉系梁钢束n 5 时，拱脚附近应力达到最大值，l 4 、3 l 4 和拱顶应力最大值 出现在桥面系施工结束后；该拱桥稳定系数随全桥刚度的增大而增大，质量的增大而减小，弹性失 稳模态均为拱肋侧倾失稳。 根据研究结果，施工初期应控制拱肋从拱脚两侧灌注混凝土的高差不宜超过0 5 米；二次张拉吊 杆时稳定系数小于4 ，应加设临时风撑保证拱桥施工稳定性。该研究成果对同类桥型的理论研究和施 工监控有一定的应用价值。 关键词：钢管混凝土拱桥，单元生死，a p d l 参数编程，灌注混凝土，拱肋应力。稳定 东南大学硕士论文 a b s t r a c t t h es t a b i l i t i e so f a r c hb r i d g ei si m p o r t a n lb yf e a s o no f t h es t r u c t u r a ls y s t e mc h a n g e di n c e s s a n t l ya n d s e c t i o no fa r c hr i bg r a d u a l l yc o m i n gi n t ob e i n ga l o n gw i t hc o n s t r u c t i o n t h es t a b i l i t ya n a l y s eo ff i n i s h e d a r c hb r i d g eh a sb e e ns t u d i e df r e q u e n t l y , w h e r e a st h es t a b i l i t i e so fc o n s t r u c t i o np r o c e s si sa n a l y s e d s c a n t i l y , e s p e c i t i a l yt h er e p o r to ft h ed e f o r m a t i o n s ，f o r c es i t u a t i o n sa n dt h es t a b i l i t i e so fa r c hr i bd u r i n g a 1 1 i s o m e t o u sf i l l i n gc o n c r e t ei sn o tf o u n dy e t t h ed e f o r m a t i o n s f o r c es i t u a t i o n sa n dt h es t a b i l r i e so fa r c hr i bd u r i n gt h ej i a n h ua r c hb r i d g e c o n s t r u c t i o nw e r ea n a l y z e di nd e t a i li nt h ep a p e r f i r s t l y , b a s e do nt h e “b i r t ha n dd e a t he l e m e n t a n d a p d ll a l l g u a g , as e r i e so f3 - df i n i t ee l e m e n t m o d e i sw e r ee s t a b l i s h e dw i t hc u r r e n ts o f t w a r e ，a n ds u b s e q u e n t l yt h ed e f o r m a t i o n sa n ds t a b i l i t i e so ft h e f i l l i n gc o n c r e t ew e r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m et h ed e f o r m a t i o n sa n ds t a b i l i t i 部w e r ea n a l y z e di nt h ec a 5 e o f a r c hf o o ta l t i t u d ed i f f e r e n c es e p a r a t e l yb e i n g0 3 m 0 5 ma n dl m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n f l u e n c eo f a n i s o m e r o u sf i l l i n gc o n c r e t ei sm u c hg r e a ti nt h ei n i t i a ls t a g e sb u td e c r e a s e sg r a d u a l l ya st h ec o n t i n u eo f t h ec o n s t r u c t i o n s e c o n d l y , n i n e3 - df h l 妇e l e m e n tm o d e l so f j i a r l h ub r i d g ew e r ee s t a b l i s h e dw i t ht h ea p d ll a n g u a gi n c u r r e n ts o f t w a r e 。a n dt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y o f t h em o d e l sw e r ep r o v e db yc o m p a r i n gt h e o r e t i c a lr e s u l t s w i t ht h ep r a c t i c a lm o n i t o r i n gd a t a t h e nt h ef o r c es i t u a t i o n sa n dt h es t a b i l i t i e so ft h ej i a n h ua r c hb r i d g e u n d e rc o n s t r u c t i o nw e r ea n a l y z e dw i t ht h o s ea b o r em o d e l s t h er e s u i t ss h o wt h a tt h es t r e s so f u n d e r a r c l h i b c o n t r a s t e di sl a r g e rt h a nt h eu p a r c h r i b ，a n dt h es t r e s so fa r c h f o n ta sw e l la sm ，3 l 4o ft h ea r c h - r i b e x h i b i t ss y m m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di na d d i t i o n ，t h es t r e s so fa r t c hf o o tr e a c h a sm a x i m u mw h e n p m s t r e s s e ds t e e ln 5i ss t r a i n e d w h i l et h e s t r e s so fl ，4a n d3 l ，4a r c h - r i br e a c h e sm a x i m u mw h e nt h e c o n s t r u c t i o ni sc o m p l e t e d a n dt h es t a b i l i t yf a c t o ra u g m e n t sa st h er i g i d i t yi n c r e a s eb u td e c r e a s e sa st h e w e i g h tg e t su p t h ee l a s t i cl a t e r a lb u c k l i n go c c u rd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o ni nt h ef i r s tp l a c e t h ea l t i t u d ed i f f e r e n c eo ff i l l i n gc o n c r e t es h o u l dn o tb ei ne x c e s so f0 5 m , t h es t a b i l i t yf a c t o ro f s e c o n d a r ys u s p e n d e r t e n s i o n i s l e s s t h a n4 ，t h es t a b i l i t y o f a r c h b r i d g ec a na u g m e n t b ya d d i n g w i n db r a c i n g t h er e s u l t sc a nb eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rs e q u e n ts t u d ya n db r i d g ec o n t r u c t i o nm o n i t o r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：c f s ta r c hb r l d g ；b i r t ha n dd e a t he l e m o n t ；a p d ll a n g u n g e ；f i l l i n gc o n c r e t e ；s t r e s sa n a l y s i so f a r c hf i b ；t h ea t a b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 砷啪 签名：日期： 第一章绪论 1 1 钢管混凝土拱桥发展概况 第一章绪论 近十几年来，我国大力加强交通基础设施的建设，需修建大量的桥梁，对我国的桥梁设计、施 工、科研等工作提出了新的要求，也使得我国桥梁技术迅速发展。当前为了满足交通基础建设要求， 桥梁结构向大跨度的趋势发展。大跨度的拱桥往往是成桥状态能够满足结构安全受力要求，但施工 技术要求非常高，合理控制施工过程的受力状态是大跨度桥梁的关键。 1 1 1 拱桥的起源与发展 拱形结构的发展历史悠久，因其具有抗压能力强，空间利用率高，外形流畅美观和节省材料的 优点，被广泛应用于桥梁、隧道、堤坝和房屋建筑中，拱桥是其中的杰出代表。人们对拱的概念源 于天然拱，溪流穿过岩石缝隙，随着水流冲刷，自然风化，空隙不断扩大，逐步形成天然拱。如四 川涪陵的小溪天然拱，拱高4 5 米、跨度8 0 米、宽2 0 米，还有法国的阿尔代什、美国的列克敦都是 世界著名的天然拱。 从天然拱到人工建造的石拱桥，经历了漫长的岁月，而拱桥的祖先是石拱桥。1 9 4 6 年瑞典建成 的绥依纳松特石拱桥，跨经为1 5 5 米，为石拱桥的世界最大跨经。石拱桥在我国历史悠久，早在约 1 4 0 0 年前建造的河北赵县安济石拱桥是世界上最早地敞肩式拱桥，1 9 9 1 年被美国土木工程师学会 ( a s c e ) 选为世界第1 2 个土木工程里程碑；1 9 5 9 年建成的湖南黄虎港石拱桥在国内首次突破历史 上石拱桥的最大跨经，陆续创造了至少1 0 个世界历史记录；湖南乌巢河桥已经载入1 9 9 6 年世界 吉尼斯纪录大全 2 3 极大地显示了中华民族的聪明才智。 中国现代拱桥的发展，可以粗略地分为四个阶段”1 。 第一阶段是2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代中期，绝大多数是中小跨径石拱桥。 第二阶段是2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代，主导桥型是低配筋的双曲拱桥。 第三阶段是2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代，主导桥型是大中跨度预制钢筋混凝土箱型拱桥。在 这个时期，国外钢筋混凝土拱桥最大跨度己达3 9 0 m ，即前南斯拉夫于1 9 8 0 年建成的k r k 铁托大 桥。与之相比，中国拱桥虽然历史悠久、数量多，但在跨度与技术水平上却比较落后。 第四阶段始于2 0 世纪9 0 年代初，以1 9 9 0 年建成的四川宜宾小南门金江大桥为标志。该桥为中 承式钢骨钢筋混凝土拱桥，跨度2 4 0 m ，为当时钢筋混凝土中承式拱桥的世界第一。 1 i 2 钢管混凝土拱桥的发展与应用现状 拱桥的发展和其它桥型一样，始终受力学、材料科学和施工技术的制约。到公元1 8 世纪，工业 革命中钢铁的发展以及波特兰水泥的发明和钢筋混凝土的出现引发了桥梁的技术革命。钢、铁优越 的材料性能使其在拱桥的修建中广泛应用；桥因以受压为主，所以抗压强度高、抗拉强度低的混凝 土材料得以广泛应用于拱桥之中。钢拱桥具有承载力高、自重轻、易于施工等优点，但也有易于腐 蚀，养护工作量大等缺点。钢筋混凝土拱桥造价低，结构刚度大，养护工作量小，费用省等优点， 但自重大，跨径小，施工困难。随着计算力学与结构理论的发展，其他形式的桥梁得到迅速发展， 在大跨度方面拱桥几乎处于相对停滞状态。主要原因在于：混凝土等圬工拱桥虽然适合承压，但其 自重相对于允许应力而言较大，因而不适合大跨度桥梁，同时圬工拱桥的施工不便，周期长，工业 东南大学硕士论文 化程度低，相应的费用高。高强钢材尽管抗压、抗拉强度都很高，但在以受压为主的拱结构中，因 为高强钢材的弹性模量和普通钢材几乎无异，高强钢材在提高构件的稳定承载力方面无优势。1 8 9 7 年英国赛文铁路桥桥墩首次采用了钢管混凝土桥墩，但当时空钢管内灌注混凝土的目的主要是为了 防绣。1 9 0 1 年，s e w e l l j s 认为内充混凝土不但能防绣，还能提高刚度和承载力州。此后钢管混凝土 拱桥得到迅猛发展。 1 1 2 1 钢管混凝土拱桥的结构型式 钢管混凝土( c o n c r e t e - f i l l e d - s t e e l - t u b e ) 是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的一种介于钢结 构和钢筋混凝土结构之间的一种新型组合结构材料。它是套箍混凝土的一种特定形式，其基本原理 是借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具 有更高的抗压强度和更强的塑性变形能力，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，承载能 力得到较大提高。 钢管混凝土拱桥主拱圈的形式主要有肋式和桁式。肋式中又分单管、哑铃形。桁式又分横哑铃 形桁式、多肢桁式、混合桁式以及集束式。 钢管混凝土拱桥，按行车道位置可分为上承式、中承式及下承式。中承式和下承式拱桥过去常 出现在钢拱桥中，钢筋混凝土拱桥由于受吊装能力的限制多采用上承式，钢管混凝土的应用，使吊 装重量大大减轻，因而在中承式和下承式中应用较多。在已建成的8 0 余座钢管混凝土拱桥中，绝大 多数为中承式和下承式拱桥。 对于中承式和下承式的肋拱桥，根据横向联系情况，又可分为有风撑和无风撑两种。在已建成 的8 0 余座钢管混凝土拱桥中，绝大多数为有风撑的。对于中承式和下承式的肋拱桥，横向联系对拱 桥的横向稳定起着重要的作用，但横向联系布置过密时，行车空间的压抑感则增加。无风撑拱桥是 指中、下承式拱桥中，当桥面较宽而跨径又不大时出于经济和美观考虑，将两拱肋之间的风撑完全 取消的肋拱桥，也有称之为敞口拱桥。现已建成的无风撑钢管混凝土拱桥有浙江义乌篁圆桥( 8 0 r e ) 、 广州解放大桥( 8 3 6 m ) 、黑龙江依兰牡丹江大桥( 1 0 0 m ) 、安徽芜湖元泽桥( 7 5 m ) 、辽宁省庄河英纳河 大桥( 9 0 r e ) 。 下承式拱桥一般带有拉杆( 系杆拱) 。根据上下部结构的联接方式，系杆拱又可分两种：一种是 上下部之问刚接，系杆不参与桥面系的受力，为纯拉杆，称之为刚架系杆拱。此种结构拱墩固结， 横向稳定性好，如旺苍大桥、南海佛陈大桥。另一种是上部结构简支于墩台上，通常情况下系杆即 系梁，属弯拉结构，是一种拱粱组合体系，结构受力明确，为外部静定、内部超静定结构，如浙江 义乌篁圆桥。 对于中承式的肋拱桥，根据桥面行车道系的布置情况，又可分为刚构体系与漂浮体系。漂浮体 系的横向稳定问题不容忽视。 1 1 2 2 钢管混凝土拱桥的国内外应用 最早见到关于钢管混凝土在土木工程中应用的工程实例是1 8 7 9 年英国的s e v e r n 铁路桥桥墩， 其初衷是通过在钢管内填充混凝土以防止钢管内部锈蚀，后来才逐渐认识到混凝土可以承受压力并 提高结构的整体强度。1 8 9 7 年，美国的j o h nl a l l y 将混凝土填充于圆管作为房屋建筑的承重柱，并 申请专利，给出了圆钢管混凝土拄承载力的计算公式，它在许多单层和多层厂房中得到广泛应用。 至此。钢管混凝土在土木工程中的应用已有1 0 0 多年的历史。 将钢管混凝土运用于拱桥，始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 0 年在法国巴黎郊区的i b i s 地方曾建造了 一座跨度为9 米的上承式钢管混凝土拱桥。前苏联于1 9 3 7 年在列宁格勒( 现俄罗斯圣彼得堡) 用集束 的小直径钢管混凝土作为拱肋，建造了跨越涅瓦河跨度为1 0 1 米的下承式钢管混凝土拱拱；1 9 3 9 年 又在西伯利亚依谢季河上建成了跨度为1 4 0 米的上承式钢管混凝土铁路二铰拱桥，其施工方法是在 现场将钢管拱架分段预制并浇灌混凝土以后，在满堂支架上拼装成桥，因而钢管混凝土在施工安装 2 第一章绪论 方面的优越性能未得到应有的发挥。真正制约钢管混凝土应用于拱桥结构的正是旖工技术。2 0 世纪 8 0 年代后期，由于先进的泵灌混凝土施工工艺的发展，钢管混凝土技术又重获新生。 近年来国外建成了少量的钢管混凝土拱桥( 见表1 1 “7 3 ) ，但跨径并不大，钢管混凝土拱桥真正 的发展是在2 0 世纪9 0 年代的中国。 表1 1国外已建的钢管混凝土拱桥 跨经拱肋 桥宽 桥名结构型式 截面型式 ( m )( 管径厚)( m ) 俄罗斯圣彼得堡捏瓦河桥1 0 1下承式集束拱 俄罗斯西伯利亚依谢季河 1 4 0 上承式 法国a n t r e n a s 桥5 6空间桁架拱单圆拱1 2 0 0 x 21 5 法国凯泽莱尔桥2 2 0单圆拱 日本松岛桥 1 2 3 上承式 1 8 0 0 捷克赖赫拉德市高速公路拱桥 6 7 5上承式 单圆拱 9 0 0 3 01 0 9 美国芝加哥n e w d a m e n a v e n u e 桥7 4中承式无风撑单圆拱1 2 0 0 2 5 2 1 9 由于钢管混凝土结构在桥梁上的应用，同时解决了拱桥高强度材料应用和轻型化施工两大难题， 能够获得较佳的综合效益，适合我国国情，又恰逢我国近年来大力发展交通基础设施建设，需要修 建大量的桥梁，加之我国在钢管混凝土方面的理论研究和拱桥施工技术均处于世界前列，因此，钢 管混凝土拱桥在我国得到迅速发展，并处于世界领先水平 4 3 据不完全统计，我国总数达两三百座， 目前还在继续之中。具体有代表性的钢管混凝土拱桥在我国的修建情况见表1 2 。 其中下表中1 9 9 1 年建成的四川旺苍县东河桥是我国第一座钢管混凝土公路拱桥，跨度儿5 米，拱 肋截面为哑铃型；重庆万州长江大桥为跨度4 2 0 米的上承式劲性骨架钢管钢筋混凝土拱桥，在同类桥 型中居世界第一。 表1 2 国内已建的钢管混凝土拱桥 矢跨比建成 桥名跨经( m )结构型式截面型式 f l年代 四川旺苍大桥 1 1 5 下承式哑铃型 1 51 9 9 1 浙江新安望江大桥 1 2 0 中承式哑铃型 l 4 1 9 9 3 广东南海三山西大桥 2 0 0 中承飞燕式横哑铃 1 4 51 9 9 5 四川绵阳培江大桥 2 0 2 中承飞燕式四肢桁式 1 9 9 7 广珠线沙口大桥 2 2 4 中承式 哑铃型 1 3 5 1 9 9 9 浙江铜瓦门大桥2 3 8中承式单片桁式 l 4 8 22 0 0 l 湖北秭归青干河大桥 2 5 6 中承式四肢桁式 l ，41 9 9 8 广西三岸逸江大桥2 7 0中承式横哑铃 1 51 9 9 8 重庆嘉陵江大桥 2 7 0 中承式四肢单箱 l 52 0 0 2 重庆奉节梅溪河桥 2 8 8上承式 四肢桁式 2 0 0 2 浙江淳安南浦大桥3 0 8中承式四肢桁式1 5 52 0 0 2 湖北南里渡大桥 2 4 0 上承式单片桁式 l 52 0 0 2 广州丫髻沙大桥 3 6 0 中承飞燕六肢桁式 l 4 51 9 9 8 四川万县长江大桥 4 2 0上承式劲性骨架箱型 l 51 9 9 7 四川巫山长江大桥 4 6 0 中承式四肢桁式 1 ，52 0 0 3 广西南宁永和大桥 3 9 9 中承式四次抛物线 1 4 52 0 0 4 湖南南县茅草街大桥 3 6 8飞燕式四管桁式 l 52 0 0 6 3 东南大学硕士论文 1 1 3 钢管混凝土拱桥的优缺点及发展趋势 1 1 3 i 钢管混凝土拱桥的优点 钢管混凝土拱桥形态各异，它不仅具有力度之美，更具有轻巧、稳键、活泼欢跃和流畅美、色 彩美，钢管混凝土拱桥受到越来越多建设者的青睐，建起了大量线型优美的各类钢管混凝土拱桥。 钢管混凝土拱桥作为拱桥的后起之秀，是大跨度桥梁中应用高强混凝土的一种最有效和最经济的结 构形式，具有下列优点”一u ： ( 1 ) 拱肋是压弯构件，理论分析和工程实践表明，在结构的受压杆件中，采用钢管混凝土代替钢 筋混凝土和结构钢，可大幅度地节省钢、木、水泥和减轻结构自重，缩小杆件截面尺寸，使传统杆 系结构的性能大为改善。与普通钢筋混凝土柱相比，在保持钢材用量相近和承载能力相同的条件下， 构件的截面面积可减小约一半，从而建筑的有效面积得以加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相 应减小约百分之五十。 ( 2 ) 拱桥的拱肋是以受压为主的构件，其稳定性问题较为突出，在大跨度桥梁中需采用高强度材 料，而桥梁跨度的增加，就要求提高其抗振能力，从而要求结构具有较好的延性和恢复性能，钢管 混凝土用于拱桥中能很好满足以上问题。 ( 3 ) 采用钢管混凝土还可以很大程度上改善大跨度拱桥中抗风能力和抗震能力。大跨度拱桥的侧 向刚度一般较小，在风荷载作用下会产生较大的侧向变形，影响桥梁的运营，甚至导致破坏。钢管 混凝土拱肋可以根据需要做成合理型式的格构式曲桁架结构，同时获得所必须的结构刚度，在保证 构件的整体稳定性的基础上，使拱肋结构通透，阻风面积小，所受风荷载减小，从而改善其横向稳 定性能。另外地震分析表明，拱肋截面的变小，将减小地震作用下结构的地震反应和结构内力，从 设计上带来经济效益。 ( 4 ) 由于拱肋自重的减小，减轻了桥梁自重，使桥墩负担减小，可节省基础费用。 ( 5 ) 空钢管形成的拱肋可形成自架设体系，承受较大的荷载，且空钢管自重较轻，施工方便，跨 越能力大。 ( 6 ) 钢管作为混凝土的模板，便于泵送混凝土，从而采用先进的混凝土泵送施工。 1 1 3 2 钢管混凝土拱桥的缺点 尽管钢管混凝土拱桥有着优越的综合性能，但同样存在着不足之处和一些问题。 最明显的一点是钢结构的防腐蚀问题：裸露的钢结构表面极易受腐蚀，需要作涂装防锈，在营 运期间也需要作经常性的检查和维护，其维护费用比外表为混凝土的桥梁要高。 其次是钢管与管内混凝土的脱空问题：钢管混凝土的优越性要靠钢管和管内混凝土的牢固结合 形成整体共同受力才能体现，这就需要保证管内的混凝土与钢管内壁之间能紧密接触。要做到这一 点，除了从施工方面保证灌注密实外。结构受力也是值得关注的问题。拱肋为压弯构件，如果钢管 与混凝土之间没有足够的摩阻力，很难保证“平截面假定”的成立，此时虽能共同受力，但因无整 体性，承载能力就小多了。通常在这方面采取的措施是采用微膨胀混凝土，期望除补偿收缩值以 外，尚有余量使混凝土与钢管之间存在少量压力；二是加强检查补充压浆杜绝空隙。脱空现象对钢 管混凝土受力性能的影响程度，一方面取决于脱空范围的大小，也取决于造成脱空现象的原因，这 一问题尚待研究。 此外，钟善桐在文献”1 中指出了目前钢管混凝土拱桥设计施工中存在的几个问题，主要是截面 设计问题、吊杆的构造问题和施工问题： 1 ) 截面设计：认为在各类截面形式中，哑铃形及长椭圆形的截面设计不合理，主张双管以上截 面宜采用格构式或集柬式截面，而不应采用实腹式截面。 2 ) 吊杆构造：单管和哑铃形拱肋的吊杆穿过拱肋的构造会影响钢管混凝土的整体性，成为拱肋 的隐患，建议采用外挂式吊杆锚固构造，即设置外环来传递吊杆内力；对于三管以上拱肋，建议将 4 第一章绪论 吊杆锚固在横粱上。 3 珏告工闫题：管内不设置零部件，如内环、隔板等；混凝土应连续泵送，一次灌满拱肋；灌满 后将拱脚浇灌口封焊，内部混凝土也应饱满并与焊封钢板密贴；拱顶通气孔应敞口3 5 天，待管内 混凝土收缩后，用同一标号水泥砂浆填补密实，再加盖板焊封。 1 1 3 3 钢管混凝土拱桥的发展趋势 目前普遍认为影响拱桥跨径发展的因素主要是拱圈材料问题、施工工艺问题和基础工程量大等 问题，其中最关键的就是施工问题。要解决拱桥的施工问题，一是要提高材料的强度，以减轻主拱 圈的自重；二是要使主拱圈本身成为自架设体系，即劲性骨架法，便于无支架施工。由于钢管这种 新型材料的出现大大减轻了拱圈的自重，特别是我国拱桥施工方法与工艺的进步，目前修建的一些 钢管混凝土拱桥，特别是一些中、下承式的钢管混凝土刚架系杆拱桥，为解决前两个闯题提供了可 能，使钢管混凝土拱桥成为大跨径桥梁的一种发展方向“”。 1 2 钢管混凝土拱桥的研究现状及存在问题 1 2 1 钢管混凝土拱桥稳定性的研究 随着钢管混凝土结构在工程实践中的广泛应用，国内外对这种新型组合结构的力学性能进行了 大量实验和理论研究，其中，美国、涣大利亚、日本、新加坡以及西欧的研究体系比较完善；在我 国，从上世纪6 0 年代开始钢管混凝土结构的研究，虽然起步较晚，但发展很快，从8 0 年代开始。 根据建设部的科技发展计划，国内的建筑科学研究院、哈尔滨建筑工程大学、郑州工业大学及福州 大学等众多科研院校开展了较系统的实验和理论研究，已形成一套基本能满足实际设计需要的计算 理论和设计方法。 拱作为压弯结构，随着跨经的增大，杆件的长细比及所承受的荷载也随之增大，在施工阶段及 使用阶段稳定问题特别突出。拱的稳定问题从失稳空间形态上可分为面内失稳和面外失稳：从失稳 的性质上可分为一类稳定和二类稳定。拱桥多数是主要承受压力的空间曲杆体系。对于体系的稳定 分析理论，首先是从理想完善结构出发的第一类稳定理论( 弹性屈曲) ，随后逐渐发展到有初始缺陷 的非完善结构盼第二类稳定分析理论( 极限承载力) 。 1 2 1 1 拱的面内弹性屈曲 当较柔细的拱所承受的荷载达到某- - i i $ 界值时，在竖向平面内，拱轴线偏离初始纯压或主要受 压的对称变形状态，向反对称的弯压平面挠曲转化，称为拱的面内屈曲。拱的面内屈曲是从h u r l b r i n k ( 1 9 0 8 ) 和t i m o s h e n k o ( 1 9 1 0 ) 对均匀受压两端铰支圆弧拱屈曲研究开始的，他们导出了临界荷载 公式，奠定了拱的平面屈曲理论基础c t 3 od i n n i k ( 1 9 2 9 ) “4 1 研究了变截面圆弧拱，导出了拱的惯性 矩沿弧长线性变化时的屈曲临界荷载公式。t i m m o s h e n k o ( 1 9 3 5 ) 还研究了在均布竖向荷载作用下 两铰扁圆弧拱的“跳跃”问题。许多西方学者如s t u e s s i ( 1 9 3 5 ) “”、d i s c h i h g e r ( 1 9 3 7 ) l 1 6 j b u s h ( 1 9 3 7 ) 1 7 3 相继讨论了抛物线拱在均布竖向荷载下的平面屈曲问题。d i n n i k ( 1 9 5 5 ) “等人引进了有效屈 曲长度概念，对不同边界条件和拱轴线形状提出了拱平面屈曲计算的简化方法。对抛物线拱的研究 始于1 9 3 4 年，许多学者相继讨论了抛物线拱在均布竖向荷载下的平面屈曲问题，针对轴向力的非均 匀性、拱截面沿弧长的变化以及拱上建筑的共同作用，他们采用近似解析法、数值法或实验方法给 出了临界荷载的近似计算公式或系数表，供实际设计使用。w 砒t e r ja u s t i n ( 1 9 7 1 ) “”对拱的平面屈 曲作了较为详细的总结，使拱的平面届曲理论逐步走向实际应用。 1 2 1 2 拱的面外弹性屈曲 当作用在拱平面内的荷载达到一定的临界值时，由于绕拱纵轴的扭矩和侧向弯矩的复合作用， 东南大学硕士论文 拱也可能离开其平面向空间弯扭形式的平衡状态过渡，这称之为拱的面外屈曲或侧倾失稳。拱的面 外屈曲的研究始于t i m o s h e n k o ( 1 9 1 0 ) 对圆形弹性薄条在纯弯矩作用下的侧向屈曲研究，他在s a i n t v e m 曲杆小变形理论的基础上，得到侧倾屈曲的临界弯矩解。同时又用解析法求得了径向均布 荷载作用下圆弧拱的面外屈曲问题，研究了荷载方向指向圆弧中心的非保向力效应对提高侧向稳定 性的作用，用能量法对这一结果进行了论证。s t u e s s i “研究了上承式、下承式系杆拱考虑非保向 力效应的拱的侧倾问题，g o d d e n ( 1 9 5 4 ) ”考虑了桥面刚度的影响，用能量法讨论并给出了近似计 算公式。a l m e i d a ( 1 9 7 0 ) 0 3 将有限元方法用于分析组拼拱的侧倾问题。同济大学( 1 9 7 6 ) “提出 了用r i t z 法求解组拼双肋拱的侧倾临界荷载。吴恒立( 1 9 7 9 ) “”采用当量压杆方法对平行双肋拱进 行了研究，给出了使用计算表达式，但是忽略了拱的矢跨比、拱肋的抗扭刚度以及横撑绕顺桥向水 平轴线的抗弯刚度，偏于不安全，通常取较大的稳定系数，带有很大的盲目性。 1 2 1 3 钢管混凝土拱桥稳定性的有限元研究 吴尚杰、郑振飞0 6 3 对大跨度钢管混凝土肋拱桥侧向稳定性进行了有限元分析，分析中将钢管 混凝土本构关系应用于空间结构有限元法中，考虑了大跨度肋拱桥的几何非线性和拱在变形后吊杆 产生的非保向力效应。刘忠”7 1 ( 1 9 9 6 ) 采用复合梁非线性综合分析方法，针对大跨度钢一混凝土劲性 骨架拱桥的结构特点，对万县长江大桥的稳定与承载能力进行了分析，分析中假设结构材料非线性 受力以一维状态为主，着重分析了施工过程中结构的稳定性变化及成桥状态极限承载能力。颜全胜， 韩大建，骆宁安“”( 1 9 9 6 ) 对一座下承式无风撑钢管混凝土系杆拱桥的稳定性进行了几何非线性空间 有限元分析，着重分析了施工过程中的各阶段及成桥后的侧倾稳定。 p ia n d t r a h a i r ”( 1 9 9 8 ) 对工字型截面钢拱结构在均匀受压和均匀受弯时的面外非弹性弯扭屈曲 与承载能力进行了研究，研究中将拱的三维弹塑性行为由平面曲率、大变形、材料的非弹性、初始 弯曲与扭转变形、残余应力来确定，提出了圆弧工字型钢拱在均匀受压和均匀受弯时的承载能力计 算公式，研究表明用于钢梁、钢柱的计算准则不适用于钢拱结构的计算，拱的初始弯曲与扭转变形 对面外非弹性弯扭屈曲与承载能力影响比较显著，残余应力对拱在均匀受压时的承载能力影响比较 显著。p l a u t a n d h o u 【3 ”( 1 9 9 8 ) 对提篮拱式结构的挠度、振动与稳定进行了研究，研究中荷载按拱顶 作用一个竖向集中荷载、全结构竖向均布荷载、半跨均布荷载等六个荷载工况加载。胡大琳，艾夫哈 依姆，黄安录o ”( 1 9 9 8 ) 采用平均轴向应变模型在l a g r a n g e s r 坐标系下建立的三维粱单元切线刚度 矩阵，对钢管混凝土提篮拱桥进行了几何非线性分析，研究结果表明对于大跨度钢管混凝土拱桥仅 考虑几何非线性的影响是不够的，要精确分析需要考虑材料非线性等因素的影响。 1 2 2 灌注液态混凝土过程中拱肋力学性能的研究 施工过程拱肋的受力及稳定性，特别是泵送混凝土时的拱肋稳定性的研究较少。陈宝春。在 石潭溪大桥施工受力分析中，混凝土的自重荷载全部由空钢管拱肋承受，谢尚英”“考虑了液态混 凝土自身传递压力的能力，将泵送混凝土自重分解为径向和切向荷载，分别由钢管拱和泵送混凝土 承担。张治成1 则将泵送液态混凝土的自重分解为径向和切向，分别由已经泵送的液态混凝土、 钢管拱和钢管和液态混凝土的摩擦力共同承担。对于液态混凝土在泵送过程中的流动特性及浇注过 程中全桥的稳定性研究甚少。林初杰。”针对施工过程中哑铃型拱肋混凝土灌注顺序的问题进行有 限元分析，他将各施工工况看作相对独立，计算各工况下拱肋各控制截面的内力。而在混凝土灌注 中对其进行的假定一是分批灌注混凝土时，灌注一批混凝土，等其达到强度再灌注下一批混凝土； 二是混凝土本身无刚度，其重量由钢管和已达到强度的混凝土组合构件承受与实际状况有差异。同 时，没有考虑初始几何缺陷对拱肋受力的影响。罗月静”采用非线性分析程序只对吊装阶段进行 了稳定性分析，计算了主拱肋吊装过程中稳定安全性，得出各吊装施工阶段的稳定安全系数。同时 运用a p d l 编程，对结构施加初始缺陷，计算了成桥后的稳定极限承载力，但是没有分析混凝土浇 6 第一章绪论 注过程中对拱肋受力及稳定性的影响。 1 2 3 钢管混凝土拱桥研究中存在的问题 近十几年来，钢管混凝土在单层、多层厂房、高层建筑以及大跨度拱桥中的应用不断发展，也 为钢管混凝土的更广泛的应用奠定了坚实的理论和实践基础。目前，我国钢管混凝土的基础理论研 究已处于世界前列，并取得了可喜的成果。近几年也相继颁布了三本有关钢管混凝土结构的设计与 施工规程，分别为中国c e c s l 3 7 1 、中国j c j 3 ”和中国d u t 【”，而且钢一混凝土组合结构已被列入 国家科技成果重点推广项目。另一方面，虽然钢管混凝土拱桥在我国的应用和推广已有十几年的历 史，全国各地相继建成和通车的钢管混凝土拱桥己超过1 0 0 多座，但迄今为止还没有适合本行业系 统的钢管混凝土结构和钢管混凝土拱桥的设计与麓工规范，这是一项当前十分急切要做的工作，由 于以上三本规程所涉及的对象均以房屋建筑中的梁柱体系为主，没有钢管混凝土拱桥方面的内容， 其规程的体系为建设部行业标准的体系，与公路桥梁规范体系存在着较大的差异，这给桥梁工程的 技术与施工人员在实际应用中带来了诸多困难，因此，对钢管混凝土结构关键技术开展深入的理论 研究，为尽快制定出统一的钢管混凝土拱桥结构的设计与施工规范提供依据和参考，是很重要和必 要的一项研究工作。 同时钢管混凝土拱桥结构的理论研究滞后于工程实践，仍有许多问题值得研究，例如： ( 1 ) 施工稳定问题 钢管混凝土拱桥的破坏主要是拱肋的失稳破坏和强度破坏，构件和结构的失稳，通常是突然发 生的，事先没有弯曲的象征，其危害性非常严重。但是目前对成轿后的稳定分析多，而大跨度钢管 混凝土拱桥在施工中，侧向稳定问题突出，从很多桥例分析表明，在安装吊杆及其横梁、安装中部 定位粱及行车道板预制件时，因中部行车道未形成连续体系，此时稳定安全系数不到3 ，而按一般 的设计、施工经验，安全系数应大于4 。而在施工中，稳定破坏一般没有明显的征兆，带有很大的突 然性，因失稳而造成的事故，现代工程史上不乏其例。国外影响很大的有1 9 0 7 年加拿大魁北克一座大 桥在施工中破坏，9 0 0 0 吨钢结构全部坠入河中，桥上施工人员有7 5 人遇难。澳大利亚墨尔本附近 的w e s tg a t e 桥，于1 9 7 0 年在架设拼拢整孔左右两半( 截面) 钢箱粱时，上翼板在跨中央失稳，导 致1 1 2 米的整垮倒塌。因此，钢管混凝土拱桥施工期间稳定性非常重要，在工程设计、施工中应该 给予极大的重视。 ( 2 ) 计算模型及计算原则 根据现行的理论，可以利用有限元对大跨度钢管棍凝土拱桥进行受力及稳定分析，对拱肋的离 散处理模型主要有四种处理方法： ( a ) 钢与混凝土都分别生成单元并且模拟钢与混凝土之间的相互作用。 ( b ) 钢与混凝土生成共节点的单元，在节点处钢管与混凝土的位移相等，但不考虑在单元之中 的钢与混凝土之间的相互作用。 ( c ) 把钢与混凝土等效成一种材料( 比如是钢或混凝土材料) 生成一种单元，考虑钢管与混凝土 的完全粘结作用。 ( d ) 直接使用钢管混凝土材料，生成一种钢管混凝土单元 第二种方法与第三种方法是应用的比较多的，用这种方法生成的单元比较少，又可在一定程度 上反映实际情况，这在混凝土强度达到设计要求，在重力及行车荷载下是可行的，因为此时混凝土 和钢管粘结紧密，不会产生相对滑移。但是，在混凝土处于液态时，即泵送混凝土时，此时的液态 混凝土具有流动性，与钢管之间存在在滑移与摩擦。不能将其视为变形位移协调的共同体。只能应 用第一种方法。 国内外研究中大部分是分析成桥后的稳定性即拱肋与混凝土协调工作，对于拱肋施工过程中的 受力及稳定性研究较少。泵送拱肋内混凝土时，由于施工因素或者机械故障，很难保证对称灌注， 7 东南大学硕士论文 那么施工灌注过程中高差的存在对于稳定性的影响目前国内尚无相关研究报道。 总的说来，钢管混凝土拱桥施工过程中，结构体系不断变化，主拱截面逐渐形成，且浇注的混 凝土数量大，技术要求高，结构行为变化复杂，保证各个施工阶段结构构件的局部和整体稳定性具 有至关重要的作用。但是国内外对成桥后的稳定与受力研究较多，而施工过程中的稳定性研究较少， 特别是不对称泵送混凝土对拱肋变形及稳定性的影响，国内尚无相关研究报道。所以有必要研究拱 肋中液态混凝土灌注过程的力学行为，以及拱肋成型与桥道系形成过程全桥的稳定性。 1 3 本文的工程背景与主要研究的内容 1 3 1 本文研究的工程背景 尖湖桥位于盐都县境内，为省道$ 2 3 3 跨越v 级航道的咽喉工程，与河道成5 1 7 4 0 相交，计算 跨径为6 5 5 6 米的钢管混凝土下承式刚性系杆拱桥。桥面净宽为8 5 米，总宽为9 7 0 米。下部为桩 柱式桥墩，矢高为1 2 米，矢跨比为i 5 4 1 7 ，主桥拱轴线为二次抛物线y - - 4 f x ( l - x ) l 2 。桥梁设计荷 载：汽车- - 2 0 级+ 挂车一1 0 0 级。 系杆拱系梁为预应力混凝土工字型截面，梁高1 8 米，梁宽1 2 米，肋宽0 5 米，翼外端高为3 0 厘米，根部为4 0 厘米：拱肋采用单肋圆型钢管，全桥为等截面，内填5 0 号微胀混凝土，钢管厚度 1 6 毫米，钢管外径1 0 1 6 厘米，采用q 2 3 5 型材质；两拱间设有_ ”字型横撑；刚性吊杆沿纵桥向 每5 米设置一根，共2 4 根，外部用钢管套防护，钢管套外径2 0 3 厘米，壁厚1 2 毫米。 行车道板为2 5 e m 厚的预制实心板，在顶面浇筑l o e m 整体化钢筋混凝土面层。该桥立面图和平 面图分别见下图1 和图2 。 1 3 2 本文主要研究内容 针对目前钢管混凝土拱桥拱肋受力及稳定性的研究现状，本文研究的内容主要有以下几点： ( 1 ) 根据接触力学数值分析方法中的接触面单元法原理，利用有限元中的接触单元模拟钢管内 壁与液态混凝土的相互接触关系。 ( 2 ) 在拱的弹性届曲稳定理论以及拱的侧倾稳定理论的基础上，利用有限元软件的“单元生死” 和“a p d l 语言编程”建立拱肋灌注混凝土的有限元模型，对灌注过程中拱肋变形及稳定性的变化 规律进行仿真分析。 ( 3 ) 探讨两边灌注高差为0 3 米，o 5 米和l 米三种情况下拱肋的变形及稳定性，分析灌注过 程中高差的存在对于拱肋变形以及稳定性的影响大小。 ( 4 ) 利用“a p d l 语言编程”建立尖湖拱桥施工过程中九个工况的实体有限元模型，并通过与 实际监测数据对比，论证了模型的有效性和可靠性。利用该模型分析施工过程中拱肋应力及稳定性 的变化规律。 8 匝咖恬喧蜷器歌n匝 l 叩l 睡 ；一一一一一一；：日 l - ， l , j 【 h ，以 。7 b 峭” ： 7 罐 一，巍 匝嘲梏阻科蜷器球h匝 _ 葛n 东南大学硕士论文 第二章拱的稳定理论及接触力学数值分析方法 2