（固体力学专业论文）大跨度不对称钢管混凝土拱桥受力特性研究.pdf

摘要 宜万铁路为我国迄今为止最复杂的一条山区铁路，地质地形条件 极为复杂。野三河大桥位于深切河谷，两岸地形陡峻，高差较大。结 合地形特点，宜万线野三河大桥设计为半中承半下承式钢管混凝土不 对称拱桥。主拱跨度1 2 4 m ，两拱脚高差为1 5 8 5 m 。桥面系采用纵横 梁格构式飘浮体系，主梁跨径组合为3 9 7 5 + 1 1 2 5 + 1 0 9 7 5 ( 共 1 3 8 m ) 。该桥型为国内外铁路桥梁建设史上首次采用，桥式结构新颖， 技术含量高。 本文采用有限单元法对野三河大桥全桥受力特性进行了较全面 系统的分析。主要完成了以下研究工作： 1 - 研究了不对称拱桥的结构体系特点、受力特性和适用范围等 问题。研究表明：在桥址地质地形条件较复杂、两岸高差较大的地方 修建不对称拱桥比较合理、经济。 2 确定了野三河大桥合理的拱轴线和梁体、拱肋、拱上立柱的 合理刚度范围。结果表明：左右半拱拱轴线分别取鸭= 1 9 ，肼，= 1 7 比 较合理；梁体刚度、拱上立柱刚度范围在设计刚度7 5 到1 2 5 比较 合适，设计中所选拱肋刚度比较合理。 3 研究了主力作用下全桥受力特性，结果表明：全桥刚度满足 要求；拱肋钢管和管内混凝土大部分处于受压状态，且应力水平不高； 中间纵梁拉压应力比其他纵梁要小；各吊杆索力远小于其破断索力； 几何非线性的影响较小。 4 研究了横向摇摆力、制动力、温度变化和混凝土徐变作用下 全桥受力特性。结果表明：横向摇摆力、制动力对内力和位移等的影 响较小；温度荷载、混凝土徐变对拱肋和纵横梁内力、位移影响较大， 对吊杆影响很小。 本文的研究成果为野三河大桥的设计提供了参考，其基本思想和 方法也可供其他拱桥和钢管混凝土结构的设计、受力特性研究参考。 关键词：钢管混凝土，野三河不对称拱桥，空间有限元模型，受力 特性分析，荷载工况 a b s t r a c t g e o l o g i c a la n dt o p o g r a p h i c a lc o n d i t i o n so fy i c h a n g - w a n z h o u r a i l w a ya r ee x t r e m e l yc o m p l i c a t e d i ti st h em o s tc o m p l i c a t e dm o u n t a i n r a i l w a yi nc h i n a s of a r y e s a nr i y c e rb r i d g ei sl o c m e di nd e 印f i v e r v a l l y , w h e r et h et o p o g r a p h yi ss t e e pa n dh e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e nt w os i d e so f t h eb r i d g ei sc o n s i d e r a b l e c o m b i n i n gw i t ht h et o p o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c s ， y e s a nr i v e r b r i d g e i s d e s i g n e d a sa n u n s y m m e t r i c a ll a r g e s p a n h a l f - t h r o u g ha n dt h r o u g hc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a ra r c hb r i d g e n e m a i ns p a ni s1 2 4 ma n dh e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e nt w oa r c hs p r i n g si s 1 5 8 5 m l a t t i c e - t y p ef l o a t i n gs y s t e mw i t hl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lb e a m s i sa d o p t e do nb r i d g ed e c ka n dt h es p a na s s e m b l yo fm a i ng i r d e r si s3 9 7 5 + 1 1 2 5 + 1 0 9 7 5 ( t h et o t a ll e n g t hi s1 3 8 m ) 1 h ea d o p t e dt y p eo f t h i s b r i d g ei sf l r s ta p p l i e di nr a i l w a yb r i d g ec o n s t r u c t i o na th o m ea n da b r o a d i t san e w t y p ew i t hh i g ht e c h n i c a lc o m e m m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fy e s a nr i v e rb r i d g ew a sa n a l y z e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d n l em a j o rt a s k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s t r u c t u r ef e a t u r e s ，m e c h a n i c a lb e h a v i o ra n da p p l i c a t i o ns c o p eo f u n s y m m e t r i c a l a r c h b r i d g e s w e r es t u d i e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w t h a t , u n s y m m e t r i c a la r c hb r i d g e sb u i l t i ns u c hp l a c e si sr e a s o n a b l ea n d e c n o m i c a l ，w h e r e a st h eg e o l o g i c a la n dt o p o g r a p h i c a lc o n d i t i o n sa r c c o m p l i c a t e da n dh e i g h td i f f e r e n c eb e l f w c e nt w os i d e so ft h eb r i d g ei s c o n s i d e r a b l e 2 r a t i o n a la r c ha x i sc u r v ea n dr i g i d i t yr a n g e so fb e a m s ，a r c hf i b s , a n dv e r t i c a lc o l u m n so na r c ho fy e s a n 斑v e rb r i d g ew e r ed e t e r m i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , i ft = ，所。=，z 1 91 7t h ea r c ha x i sc u r v ei sr a t i o n a l ； r a t i o n a lr i g i d i t yr a n g e so fb e a m sa n dv e r t i c a lc o l u m n so na r c hi s7 5 t o 1 2 5 o ft h ea d o p t e d r i g i d i t yi nd e s i g n , a n dt h ed e s i g n e dr i g i d i t yo fa r c h r i b si sr a t i o n a l 3 m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eb r i d g eu n d e rm a i nl o a d sw a ss t u d i e d 啊1 er e s u l t ss h o wt h a t , s t i f f n e s so ft h eb r i d g ei sl a r g ee n o u g h ；t h et u b e r a n dc o n c r e t eo fa r c hr i b si nm o s ta r e a sa r ei nc o m p r e s sc o n d i t i o n , a n d s t r e s s e sa r e1 0 w ；s t r e s s e so ft h em i d d l el o n g i t u d i n a lb e a ma r el o w e rt h a n t h eo t h e r s ；f o r c e si nh a n g e r sa r em u c hl e s st h a ni t ss t r e n g t h ；i n f l u e n c eo f g e o m e t r yn o n - l i n e a re f f e c ti ss m a l l 4 m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eb r i d g eu n d e rl a t e r a ls w a y i n gf o r c e ， b r a k i n gf o r c e ，t e m p e r a t u r e ，s h r i n k a g ea n dc r e e po f c o n c r e t ew a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , i n f l u e n c eo fi n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o nu n d e r l a t e r a ls w a y i n ga n db r a k i n gl o a d si ss m a l l ；i n f l u e n c eo fi n t e m a lf o r c ea n d d e f o r m a t i o n0 1 1a r c hf i b si sl a r g eu n d e rt e m p e r a t u r e ，s h r i n k a g ea n dc r e e p o fc o n c r e t e 。i n f l u e n c eo nt h eo t h e r si ss m a l l t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no f y e s a nr i v e rb r i d g e ，t h eb a s i ci d e a sa n dm e t h o d sc a np r o v i d er e f e r e n c e s f o r t h ed e s i g na n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n a l y s i so fo t h e ra r c hb r i d g e sa n d c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b es t r u c t u r e s k e yw o r d s ：c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lm b e ，a r lu n s y m m e t r i c a la r c hb r i d g e o v a y e s a nr i v e r ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，m e c h a n i c b e h a v i o ra n a l y s i s 1 0 a dc a s e s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：之 堕盆日期：皇堑孕牡月丑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：望乒年上月4 日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢管混凝土拱桥发展概况 1 1 1 钢管混凝土拱桥在国外的发展 钢管混凝土结构在土木工程中的应用至今已有1 0 0 多年的历史“苏联是 最早将钢管混凝土结构应用到大跨度拱桥结构的国家之一啪，在2 0 世纪3 0 年代 就建成了两座跨度在百米以上钢管混凝土拱桥哪嗣；1 9 3 7 年在苏联列宁格勒( 圣 彼得堡) 用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋，建造了横跨涅瓦河1 0 1 m 跨度的下 承式拱桥”瑚；1 9 3 9 年又在西伯利亚h o e t b 河上建成了跨度1 4 0 m 的上承式钢管 混凝土铁路拱桥傍m l o 】但其施工方法是在现场将钢管拱架分段预制并浇灌混凝士 以后，在满堂支架上拼装成桥，因而钢管混凝土在施工安装方面的优越性未能得 到应有的发挥。真正制约钢管混凝土应用于拱桥结构的是施工技术。2 0 世纪8 0 年代后期，由于泵送混凝土施工工艺的发展，钢管混凝土技术又重获新生o ”。 近年来国外建成了少量钢管混凝土拱桥( 见表1 - i ) ，但跨径并不大潞。 表1 - i 国外已建的钢管混凝土拱桥 跨径截面拱肋( 管径 桥名结构形式桥宽 ( m )形式 壁厚皿) 俄罗斯圣彼得堡涅瓦河桥 1 0 1 下承式集束拱 俄罗斯西伯利亚h o e t b 河桥 1 4 0上承式 法国a r i t r e n a s 桥+ 5 6 空间桁架拱组合结构 单圆拱1 2 0 0 3 21 5 法国凯泽莱尔桥 2 2 0单圆拱 日本松岛桥 1 2 6 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 wd a m e na v e n u e 桥 7 4中承式单圆拱 1 2 0 0 2 52 1 9 注+ ：为钢管与钢管混凝土复合拱桥。注。：拱肋与桥面板形成三角形。 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 钢管混凝土拱桥在我国的发展 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究和开发应用钢管混凝土结构，至今有约4 0 年的历史，并已取得重大进展，一批有代表性的专著相继出版“”。近十几年来， 我国钢管混凝土基础理论研究处于世界前列，钢管混凝土在厂房、高层建筑、地 铁工程和输变电工程中的应用不断发展，为钢管混凝土应用于拱桥奠定了坚实的 理论基础和工程实践基础“”。 钢管混凝土拱桥在我国真正的发展是在2 0 世纪9 0 年代卿1 。据不完全统计， 近十多年中在我国已建的和在建的钢管混凝土拱桥( 不包括钢管混凝土劲性骨架 拱桥) 已达一百多座”“，半数以上跨度超过百米，跨度在1 5 0 m 以上的约占四分 之一，表i - 2 列出了部分跨度在1 5 0 米以上的钢管混凝土拱桥。 该桥型发展如此迅猛的原因主要有以下几点： 第一、近年来，我国大力加强交通基础设旌建设，需修建大量的桥梁，对我 国桥梁设计、施工、科研工作提出了新的要求，钢管混凝土拱桥的应用给拱桥的 发展注入了新的活力。 第二、我国工程技术人员和科研人员针对施工中存在的困难，展开了行业联 合攻关，使许多施工关键技术得以解决。 第三、我国从2 0 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 进展很快。近十几年来，我国钢管混凝土基础理论研究处于世界前列，为钢管混 凝土结构应用于拱桥奠定了坚实的理论和工程实践基础” 第四、随着我国经济建设的发展，社会劳动生产率不断提高，人工费用上涨 较快另一方面，冶金业的发展，钢产量不断上升，适当增加钢材用量，提高机 械化、装配化水平，加快施工进度，可以获得较佳的综合效益。 第五、桥梁美学日益受到重视。拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式，在我 国又有深厚的文化基础，钢管混凝土结构的应用使拱桥更加轻巧，表现力也更强。 第六，金属材料的腐蚀和防护问题得以有效解决，防腐技术的进步，使钢管 混凝土拱桥发展有了保证。 2 硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 2 国内部分跨度在1 5 0 米以上的钢管混凝土拱桥 序 桥名 建成跨度 矢跨比结构形势拱肋截面 号年份( m ) 1 广州丫髻沙大桥 2 0 0 03 6 01 4 5 飞鸟式六肢桁式 2 广东南海三山西桥 1 9 9 52 0 01 4 5飞鸟式四肢桁式 3广东深圳北站大桥2 0 0 01 5 01 ，4 5下承式刚架系杆拱四肢桁式 4 广西桂林石家渡漓江大桥2 0 0 31 7 01 4 5中承式四肢桁式 5 广西南宁三岸邕江大桥 1 9 9 82 7 01 5 中承式四肢桁式 6 广西南宁那莫右江大桥 2 0 0 31 9 0l 4 5 中承式 四肢桁式 7 广西南宁永和大桥2 0 0 43 3 81 4 5下承式四肢桁式 8广西梧州桂江大桥2 0 0 01 7 51 4飞鸟式四肢桁式 9 广西六景郁江大桥 1 9 9 92 2 0 1 5中承式四肢桁式 1 0 贵州水柏铁路北盘江大桥 2 0 0 22 3 61 4 上承式提篮拱四肢桁式 1 1湖北武汉汉江二桥2 0 0 02 8 01 5下承式刚架系杆拱四肢桁式 1 2湖北三峡下牢溪大桥 1 9 9 61 6 01 5 上承式四肢桁式 1 3 重庆奉节梅溪河桥 2 0 0 1 2 8 8上承式四肢桁式 1 4 四川巫山长江大桥 2 0 0 54 9 21 5 中承式四肢桁式 1 5 四川旺苍东河大桥 1 9 9 01 1 51 6 下承式刚架系杆拱 哑铃形 1 6四川高谷乌江大桥 1 9 9 7 1 5 01 5中承式混合桁式 1 7 浙江新安江望江大桥 1 9 9 31 2 0 1 4中承式哑铃形 1 8 浙江铜瓦门大桥 1 9 9 92 3 8 1 4 8 2中承式提篮拱单片桁式 1 9 浙江淳安县南浦大桥 2 0 0 33 0 81 5 5 中承式四肢桁式 2 0河南安阳文峰路立交桥1 9 9 51 3 51 5下承式刚架系杆拱混合桁式 2 1 西安公路学院人行桥 1 9 9 61 0 01 丹6 中承式提篮拱单管 2 2 黑龙江依兰牡丹江大桥 1 9 9 71 0 01 4 中承式三管桁式 注：飞鸟式为带双悬臂半跨钢筋混凝土拱的中承式钢管混凝土拱桥。 1 1 3 钢管混凝土拱桥的类型 钢管混凝土拱桥类型十分丰富：按结构的支承形式划分，有上承式、中承式 和下承式。上承式一般为有推力拱，下承式一般为带拉杆的系杆拱，中承式可以 是有推力拱，也可以是带两个悬臂半拱的无推力刚架系杆拱，采用何种支承形式 依地形地质以及交通要求等客观外在条件决定嘧枷；按横向结构分，有平行肋拱、 提篮拱和无风撑拱，主要视桥体的整体横向稳定情况而定。按拱肋结构形式，可 分为实体拱肋和桁式拱肋，实体拱肋又分单管、哑铃形及集束式截面，桁式拱肋 分横向哑铃桁式、混合桁式和多肢全桁式嘲。 实体拱肋在1 6 0 m 以下跨径应用较多。单管截面主要用于8 0 m 以下跨径；集束 管由一根以上钢管组成，各管之间用钢箍箍住来保证共同受力，集束式截面应用 较少。目前建成的仅有四川的峡门口乌江大桥( 1 4 0 ，集束五管) 、洪雅青衣江洪 硕士学位论文第一章绪论 州大桥( 1 0 0 m ，集束三管) 和白马石梁河大桥( 8 0 m ，集束二管) ：实体拱肋中哑铃 形截面得到应用较多，跨径从几十米l i j l 6 0 m ，以l o o m 附近为多，跨度最大的为湖 北三峡黄柏河大桥和下牢溪大桥，均为1 6 0 m 上承式竖哑铃形四肋钢管混凝土拱 桥。哑铃形截面的腹腔内填混凝土最初目的是为了增加截面的抗弯刚度和腹腔内 部防腐。由于哑铃形截面腹腔内的混凝土受力机理较复杂，两侧钢板对腹腔混凝 土的套箍作用不明显，缺乏相应的计算理论，施工中也特别容易出问题删，吊 杆设置也不方便，哈尔滨建筑大学教授钟善桐认为这种哑铃形截面不合理嘲。 桁式拱肋多用在1 3 0 m 以上跨径的钢管混凝土拱桥，而跨径超过1 6 0 m 的基本为 桁式拱肋。最初出现的桁拱断面为横向哑铃形，这种截面形式应用最为广泛。后 来出现混合桁式断面，即上弦为横哑铃形，下弦钢管贝采用钢管下平联连接；由 于横哑铃形腹腔混凝土受力与圆钢管混凝土相差较大，同样存在计算上不能采用 套箍理论的问题。近年来多肢全桁式有应用增多的趋势，这种拱肋的弦杆采用钢 管混凝土材料，而腹杆和平联均采用空钢管嘲。 钢管混凝土拱桥拱肋一般从拱脚到拱顶的钢管内全部填充混凝土，近年来我 国还出现了一种拱脚段填充混凝土而拱顶段为空钢管的钢管与钢管混凝土复合 拱桥的桥型嘲，并已成功地修建。这种桥型在国外已有实例，如法国的a n t r e n a s 桥。 1 2 不对称拱桥特点 1 2 1 概述 无论是在山区、平原，还是在乡村、城镇，若处于纵坡路段，为了与路线相 适应，或与地形景观相协调，一般有必要修建不对称拱桥。所以不对称拱桥成为 了我国一支重要的桥梁结构群体。 一般的拱桥多数都以拱顶竖直线为对称轴，两边拱轴线对称。不对称拱桥则 打破了这一常规，拱轴线可以适应河床横断面结构特点，随河床横断面形状特点 变动，同时可以减少墩台的圬工体积。桥面也可以根据需要任意设置纵坡，改善 桥头引线，减少桥头两端路线高填或深挖土石方，经济效益显著。因此不对称拱 桥的设计计算及施工工艺的研究被交通部以新型桥型的研究列为“七五通达计 划”的重点科研项目。 在国内已经建成了为数不多的几座不对称拱桥”。重庆市南铜矿井专用不 对称拱桥，净跨7 0 m ，纵坡3 6 4 ，拱脚高差1 6 2 3 m ，如图i - i 。贵阳市潭眉冲 公路不对称双曲拱桥，总长6 7 4 4 m ，主孔净跨3 1 m ，两拱脚高差4 。8 7 m ，如图卜2 。 贵州省印江县车家河大桥，为三跨不对称石拱桥，拱脚高差3 8 m 。这三座不对 4 硕士学位论文第一章绪论 称拱桥均比同跨径对称拱桥节约造价1 0 以上 关于不对称拱桥在国外应用的资料较少。从有关文献m ，可知，日本曾在源藤 山泽一座输水专用桥中采用了该桥型。该桥为两跨( 2 4 6 m ) 无铰钢筋混凝土板 桥。桥长1 2 0 m ，桥宽7 7 m ，两边拱脚高差7 m ，如图1 - 3 。 不对称拱桥主要是适应路线纵坡和协调地形、地物、地貌与景观，同时又具 有一般拱桥古朴大方、形如玉带、势如彩虹的曲线美，而且桥孔布置灵活，不苟 求伸缩装置和支承条件嘲。它不仅能够很好的利用当地的地形条件，同时有利于 减小下部工程数量，节约工程造价。 图1 - 1 重庆市南铜矿井专用不对祢拱桥( 单位：m ) 图1 - 2 贵阳市潭眉冲公路不对称双曲拱桥( 单位：_ ) 硕士学位论文第一章绪论 曩 o 图1 - 3e l 本源藤山泽不对称拱桥( 单位：岫) 1 2 2 结构体系特点 一般的拱桥多数都以拱顶竖直线( 矢高方向) 为对称轴，不仅拱圈截面和拱 轴线线形对称，而且拱上建筑的布置与形式也对称 与对称拱桥相比，不对称拱桥的结构体系特点主要体现在以下几个方面： 1 拱顶位于拱圈最高点，拱顶正截面位于通过拱顶的竖直线上，左右两半 拱的拱顶切线重合，并为一条水乎直线。 2 桥面纵坡的大小可根据需要设置，一般情况下与线路纵坡相同。 3 拱圈以拱顶为界，左右两半拱的拱跨不等，矢高不等，矢跨比和拱轴系 数也不同。 1 2 3 受力特性 合理的拱轴线不仅是美观上的需要，更加重要的是合理的拱轴可以使拱肋的 受力合理，能充分利用材料的性能，又能提高拱肋的强度和稳定性。当不计弹性 压缩影响时，主拱圈在恒载作用下主要是承受压力，剪力和弯矩较小。另一方面， 竖直均布荷载作用于主拱圈时，若不计制动力、土压力等水平力作用影响，尽管 左右两拱脚的高程不同，但两拱脚的水平推力仍等值异号。另外，由于左右两半 6 硕士学位论文 第一章绪论 拱结构不对称，恒载和竖向活载作用时荷载也不对称，所以两拱脚的竖向反力不 相等。 在结构稳定上，不对称拱桥的主拱圈在拱平面内( 顺桥向) 的失稳机理仍符 合曲杆受压理论，只是反弯点不在拱圈长度的1 忍处，而是位于长短两个半拱圈 的分界面( 即拱项) 附近，平均轴力需按长半拱计算。拱圈平面外的稳定性计算 与对称拱桥相同。 1 2 4 适用范围 不对称拱桥的主要适用范围包括以下几个方面： 1 地形的限制，一边较低，一边较高或地形陡峭。野三河大桥位于宜万铁 路巴东县境内，桥址处峡谷深窄，山坡陡峭，稳定性较差，结合地形特点，设计 为半中承半下承式钢管混凝土不对称拱桥，主要也是从这个方面考虑的。 2 适应路线纵坡，如图1 1 中的重庆市南铜矿井专用不对称拱桥。 3 适应桥下净空和桥头标高的要求，通常是为了满足通航要求等。 4 有时为了降低桥面标高，或是桥面标高受限制，或者是从美学角度和协 调景观考虑而采用不对称拱桥，如图l - 4 。 驱 孵篓翻 j 二夕 l s , o 0 0 3 念5 0 0i f 3 巳 嚼 0 5 0 0 0 i 图卜4 适应桥头城市标高控制的公路不对称拱桥( 单位：盈) 1 3 野三河不对称钢管混凝土拱桥 宜万铁路为我国迄今为止最复杂的一条山区铁路，沿线穿越崇山峻岭，地质 地形条件极为复杂，顺层、滑坡，岩堆、岩溶、暗河等不良地质随处可见，而拱 桥具有跨越能力强，刚度大，施工方便，设计施工技术比较成熟，造型美观等特 点，尤其适合宜万线谷深崖陡的山区地形。 野三河大桥位于宜万铁路巴东县境内，桥址处峡谷深窄，山坡陡峭，稳定性 7 硕士学位论文第一章绪论 较差，结合地形特点，设计为半中承半上承式钢管混凝土非对称拱桥，为国内外 铁路桥梁建设史上首次采用，桥式结构新颖，技术含量高。 野三河大桥为不对称平行双肋复合钢管混凝土拱桥，主拱跨度1 2 4 m ，主梁 跨径组合为3 9 7 5 + 1 1 2 5 + i o x 9 7 5 = 1 3 8 m ，桥跨结构基本情况见图卜5 。拱轴 线为悬链线，宜昌侧拱轴系数m = 1 9 ，矢高4 0 m ；万州侧拱轴系数m = 1 7 ，矢高 2 4 。1 5 m ，两侧起拱点高差为1 5 。8 5 m ；拱肋采用4 - 48 0 0 钢管组成的桁架式结构， 肋高3 8 m ，肋宽2 2 m 。主拱钢管及腹腔、平联内采用c 5 0 微膨胀泵送混凝土： 弦管钢管厚度采用变厚度形式：从两侧拱脚至拱顶分别由2 4 m 、2 0 m 、1 6 m 过 渡，缀板厚度也有2 0 唧、1 6 锄两种形式。拱肋截面情况见图卜6 。两片拱肋横 桥向中心距1 3 1 0 m ，横向采用6 片桁架横撑。 桥面系采用纵横梁格构式飘浮体系，1 0 根横梁直接悬吊于吊杆下，5 根纵梁 与横梁连接。纵梁采用等高度，粱高为1 5 m ，全长1 3 8 6 5 m ( 含两侧支座中心至 粱端各o 3 o 3 5 m ) ，横梁梁高2 o m ，纵梁均采用部分预应力结构，横粱采用预 应力结构。纵横梁采用c 5 5 混凝土。吊杆间距9 7 5 m ，采用双吊杆以利于换索及 安全储备。吊杆均采用双肢p e s m 7 8 5 型高强钢丝 图卜5 全桥总体布置图 8 硕士学位论文 第一章绪论 半实腹段截面 图1 - 6 拱肋截面尺寸图 半桁榘段截面 i “1 5 | 撕 i s s 2 半 - 董面 (鋈)(萋7。 一 | l 饧貌黟另劣 曩接肇7 飘横囊攫蔷肇： j j jz ；乡幺考- - 乡乡幺移隽钐钐乡缈- 一盘 珍劣彰缓缈 ：卜二 置j f 雩 土 _ _ 型 夕么 ， l ， j 、 l 邱 n 1 1 2n 2 l 1 4 6 0 2 丰b - b 藿面 图1 - 7 野三河桥纵横粱平面图 9 萋t j 引i i - 硕士学位论文 第一章绪论 o 鼬在1 日7 - l ，i $ 抒 图1 - 8 野三河桥绒横粱立面图 1 4 本文研究内容和思路 野三河大桥为大跨度不对称钢管混凝土拱桥，受力情况复杂，结构也非常复 杂：既有拱肋，又有纵横梁、桥面板等桥面系结构，还有吊杆、肋间横梁、拱上 立柱、拱座。但是目前不对称钢管混凝土拱桥国内外的研究比较少，公开发表的 资料比较少，因此有必要对野三河大桥进行全桥空间受力特性研究。 本文以野三河不对称钢管混凝土拱桥为研究对象，主要完成了以下工作： 1 研究了不对称拱桥的结构体系特点、受力特点和适用范围等内容。确定 了合理的拱轴线和梁体、拱肋、拱上立柱的合理刚度范围。 2 建立了野三河钢管混凝土拱桥空间有限元计算模型，详细介绍了单元类 型选择，支撑条件，钢、混凝土材料特性和荷载工况的确定。 3 完成了主力作用下全桥受力特性研究。 4 完成了附加力作用和考虑混凝土徐变全桥受力特性研究。 1 0 一 b 射 横秉十心发 硕士学位论文第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 2 1 平面简化计算模型 野三河桥为不对称平行双肋复合钢管混凝土拱桥，两拱脚高程不一致，拱肋 以拱顶为界，分长、短两半拱。左右两半拱的拱跨不等，矢高不等，矢跨比和拱 轴系数也不尽相同，这种不对称性加大了设计的难度。 采用桁式拱肋，桥面系为纵横梁格构式飘浮体系，通过纵梁的加劲作用增大 桥面刚度、加强其整体性。立柱与吊杆是拱肋与桥面系之间传力的联系构造，立 柱与吊杆的刚度取值会影响拱肋与桥面系的受力状态。 空间分析能较好的模拟实际情况，信息量完整，能反映横梁、横撑等构件的 性能，但前、后处理工作量巨大，计算分析用时长，不适用于初步设计。所以采 用平面计算模型进行合理梁、拱结构形式研究，模型包括横桥向所取一半桥面系 ( 桥面、纵粱) 和单片拱肋，不计横撑、横梁。钢管混凝土拱肋的模拟方法、支 承条件、荷载、非线性的考虑、材料参数、计算步骤均与空间分析中相同，2 1 为平面有限元计算模型。 2 2 合理拱轴线 图2 - 1 平面简化计算模型图 合理的拱轴线不仅是美观上的需要，更加重要的是合理的拱轴可以使拱肋的 受力合理，能充分利用材料的性能，又能提高拱肋的强度和稳定性。目前普遍采 用悬链线作为拱轴线。 确定合理拱轴线的具体计算方法常用“五点法”“五点法”是通过少数几个点 硕士学位论文第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 ( 拱脚，l 4 ，拱顶) 来逼近压力线，然后利用假定荷载调整内力。依据桥规采用恒 载及全桥均布一半列车静活载的压力线，且将此荷载作为调整内力的假定荷载。 拱轴线的形状直接影响截面内力分布和大小。选择拱轴线的原则是尽可能的降低 由荷载产生的弯矩值。 在总跨度和左右拱脚高差确定的情况下，左、右半拱的拱轴系数、左右半跨 的跨度和矢高都可以有不同的组合。只在已经确定的左、右半跨跨度和矢高等的 基础上，取不同的左、右拱轴系数组合进行多次试算，然后对结果进行分析比较， 得出左右半拱合理的拱轴系数组合。计算中m ：表示左半拱拱轴系数，m 。表示右 半拱拱轴系数，两者的取值范围都在1 0 到3 0 之间。五个截面分别取为：左侧 拱脚、左半拱跨中、拱顶、右半拱跨中、右侧拱脚。 表2 1 为不同拱轴系数组合下五个截面的弯矩以及拱肋最大弯矩，图2 2 图2 - 9 分别为左右半拱拱轴系数不同组合时的纵梁挠度曲线。由以上图表可知： 1 拱轴系数的变化对纵梁的挠度变化影响有限，但是对拱肋受力有非常大 的影响，不同的朋，和m 。组合会引起拱肋弯矩较大的变化。 2 当提高拱轴系数m 值，同时保持m ：和m 。的差值不变，会使得： a 左侧拱脚负弯矩有所减小，拱顶的正弯矩也会有相应的减小，但是右侧 拱脚的负弯矩会有比较大的增加。而且当拱轴系数超过2 0 时，左侧拱脚的弯矩 将会反号，成为正弯矩，拱肋中部钢管以及混凝土的弯矩会增加。 b 提高拱轴系数m 值，会使纵梁的挠度增加，但是增加的幅度不是很大， 一般不超过1 3 当提高拱轴系数m 值，同时将m ：和m ，的差值加大，会使得： a 左侧拱脚的负弯矩会减小，逐渐变成正弯矩，拱顶的正弯矩也降低，而 右侧拱脚的负弯矩会持续加大，因此加大左右半拱拱轴系数的差值不合理。 b 纵梁挠度也会有所加大，增加的幅度相对于提高拱轴系数引起的变化幅 度要小。但是由于挠度的绝对值比较大，尽管增加幅度的比例不大，但是所增加 的绝对挠度还是不能忽略的。 4 当拱轴系数m 整体偏大时，虽然拱顶受力减小，但是左右两侧拱脚受力 都有所加大，对拱脚更不利。 5 当拱轴系数m 整体偏小时，左右半拱跨中截面的弯矩值偏大，并且左侧 拱脚负弯矩也很大，左侧拱座所承受的内力非常大。 通过以上的分析，从拱肋五个截面内力变化、纵梁挠度变化这两个方面综合 考虑可以得出当聊。= 1 9 ，m ，= 1 7 时，野三河桥的拱轴线是比较合理的。 硕士学位论文第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 挠度( m ) 、 、 、 厂 、 、 卜 ， 、l o2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 挠度( 口) 1 0 o - 1 0 2 0 - 3 0 4 0 一5 0 - 6 0 - 7 0 图2 - 2 鸭= 1 9 = 1 7 时纵梁挠度 、 、 ， 、 1 、i _ r x ( i ) 02 04 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 挠度( ) 1 0 o - 1 0 2 0 - 3 0 - 4 0 5 0 6 0 - 7 0 - 8 0 图2 - 3 鸭= 1 5 ，鸭= 1 3 时纵梁挠度 、 、 y 、 x ， 0 2 0 4 06 08 01 0 01 2 0l 如 图2 - 4 鸭= 2 3 ，m y 一2 1 时纵梁挠度 x ( i ) x ( _ ) m o哪啪哪枷蜘嘲啪咖 堡主兰垡丝塞苎三童墅三塑至墅整堡塑堡塑垡塑型塞 挠度( _ ) 、 、 ， 、， 、， x， 、 02 04 06 08 01 0 01 2 0 1 4 01 6 0 挠度( _ o 图2 - 5 鸭= 2 7 ，= 2 5 时纵梁挠度 、 ， 、7 、 、 i x ( - ) x ( 皿) 02 06 08 0l 1 2 01 4 01 6 0 挠度( m ) 圈2 - 6 _ | z l - 9 鸭- 1 6 时纵梁挠度 、 j 、， 、， 、 、- 。，7 02 04 06 08 01 0 0 1 2 0 1 4 01 6 0 图2 - 7 鸭；2 7 ，鸭= 2 4 时纵粱挠度 1 4 x ( 曲 加o删芎；枷枷枷啪枷芎： 加o m啦i；啦删咖啪枷 m o m啪i枷哪枷m枷辱 硕士学位论文第二章野三河不对称拱桥拱轴线和剐度 挠度( m ) 、 、 、 ，r 、 ， x ( _ ) o 2 04 06 0 l 1 2 01 4 0l 挠度( 时 图2 - 8 吼= 1 9 ，= 1 4 时纵梁挠度 、 、 j ， 7 ， ， 、 ， l 、 x 02 04 06 08 0。1 0 01 2 01 4 0l z 5 2 l5 1 o 5 o 图2 - 9 = 2 7 ，f f i 2 2 时纵梁挠度 、 k 、 2 6 42 6 62 6 82 7 2 7 2 2 7 4 2 7 62 7 8 图2 1 0 梁体位移随梁体刚度变化 加o m啦i；哪哪嘲哪哪 o m啦i啪瑚哪啪哪 硕士学位论文第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 刚度倍数 2 5 2 1 5 l 0 5 0 、 、 、 、 、 位移( m ) 1 21 2 11 2 21 2 31 2 41 2 51 2 61 2 71 2 81 2 9 2 5 2 1 5 l o 5 0 图2 1 l 拱肋位移随梁体刚度变化 。 。、 、一 、 - 一 2 02 22 42 62 83 03 23 4弼 z5 2 1 5 o 5 o 图2 - 1 2 梁位移随拱肋刚度变化 、- ， 691 2l f i1 82 12 图2 - 1 3 拱肋位移随拱肋刚度变化 位移( m ) 硕士学位论文第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 拱轴系数左半拱 右半拱 钢管最大管内混凝土 左拱脚拱顶右拱脚 差值m 跨中跨中弯矩最大弯矩 t 9l | 78 8 93 8 2 37 1 3 72 1 8 6 2 s 79 6 - 6 2 5 2- 2 6 4 7 2 1 51 31 6 2 2 74 7 3 27 97 62 3 1 3 3- 1 5 4 5 2- 6 5 4 9 0- 2 5 9 9 3 o 2 2 32 12 8 4 72 9 7 06 4 1 0- 2 0 7 0 2 - 3 9 4 1 7 6 2 7 7 l- 2 6 9 8 9 2 。72 57 4 5 92 1 7 7”1 9 6 4 s- 4 9 2 4 46 7 2 9 4- 2 7 5 4 3 2 92 7l 柏3 6 1 7 9 5 5 4 3 81 9 1 5 1 巧3 6 3 8 6 9 3 5 92 7 7 8 7 1 51 21 6 3 5 s4 7 5 48 0 5 72 3 3 8 31 2 0 4 6- 6 5 4 9 - 2 5 9 6 4 t 9 1 6 1 0 1 l3 8 4 5 2 0 72 2 0 8 l - 2 5 9 5 4 舵7 5 7 2 6 3 9 4 0 3 2 32 02 7 3 82 9 9 06 4 7 2_ 2 喊0 43 6 9 4 56 2 7 5 82 醒8 3 2 7 2 47 3 5 4 2 i 9 1 5 8 3 31 粥3 2 - 4 7 0 0 4 6 7 2 8 42 7 4 2 4 1 91 5“3 83 8 6 77 2 8 l_ 2 2 3 1 02 3 0 1 2- 6 2 7 6 4- 2 6 2 6 4 0 4 2 72 37 2 4 52 2 1 65 8 9 1- 2 0 0 2 14 4 7 5 06 7 2 7 32 7 3 1 3 1 91 41 2 6 93 8 9 07 3 5 7_ 2 2 5 ，4 71 9 3 7 26 2 7 ，7 l- 2 6 1 9 7 o 5 2 ，72 27 i 3 3 2 2 3 7 5 9 5 0_ 2 0 2 1 4 4 2 4 1 6 6 7 2 6 02 7 2 o l 2 3 合理刚度范围 2 3 1 梁体合理刚度范围 为考察梁体刚度变化对结构位移、梁拱内力分配和吊杆索力的影响，按以下 两种工况进行分析计算：- r 况1 ：恒载d ；工况2 ：卜l l ( 恒载加全桥满布双 线活载) 。在设计资料中所给梁体、拱肋、立柱刚度的基础上，取梁体刚度k ( 1 2 9 1 0 s m 4 ) 的o 5 倍、0 7 5 倍、l 倍、1 2 5 倍、1 5 倍和2 倍分别进行计算。 表2 - 2 为随梁体刚度变化l 作用下主梁、拱肋最大挠度和发生位置。图 2 - 1 0 图2 1 1 为主梁、拱肋最大挠度随梁体刚度变化曲线。由图表可知：梁体 刚度由岛增大到2 倍丘，主梁、拱肋最大挠度都变小，变化趋势逐渐变小；梁 体刚度由，霎减小到0 5 倍k ，主梁、拱肋最大挠度都变大，变化趋势逐渐加快。 表2 - 3 为随梁体刚度变化，工况2 ( d 屹i ) 作用下拱顶截面轴力和弯矩以及 主梁对应截面的轴力和弯矩。由表可知：随着梁体刚度变大，主梁在拱项对应截 面的轴力会变小，分配的弯矩会变大；拱顶上弦截面轴压力变小，而弯矩会变大， 但增加不明显：拱顶下弦截面轴压力会变大，而弯矩会变小。 表2 - 4 为随梁体剐度变化，工况2 ( d 忆1 ) 作用下吊杆索力。由表可知：随 着梁体刚度变大，吊杆1 吊杆7 索力会变小，吊杆8 吊杆9 索力会变大，吊 杆l o 的索力会先变小后变大。 由以上分析可知，合理梁体刚度选择范围是将梁体k 控制在设计刚度 ( 1 2 9 x 1 0 s m 4 ) 的7 5 到1 2 5 范围内比较合适。 硕士学位论文 第二章野三河不对称拱桥拱轴线和刚度 表2 - 2 梁体刚度