（市政工程专业论文）钢筋混凝土刚架拱桥的内力分析模式与对比.pdf

钢筋混凝土刚架拱桥的内力分析模式与对比 摘要 钢筋混凝土刚架拱桥作为一种轻型桥型，由于其外形轻巧、结构美观、受 力合理，在我国七八十年代修建较多，是适用于软土地基的一种重要的桥型。 论文首先介绍了钢筋混凝土剐架拱桥的结构特点和受力特点，概述了刚架拱桥 的基本计算理论与分析方法，介绍了桥梁结构有限元程序，重点介绍了韩国的 m i d a s c i v i l 有限元分析软件及其在桥梁上的应用。论文以合肥市长丰路刚架 拱桥为工程实际背景，利用m i d a s c i v i l 有限元分析软件，分别分析了拱轴线 形、乎面分析法与空间分析法、新旧规范下的两种设计荷载等几种内力分析模 式对刚架拱桥的内力影响。通过以上分析，可以看出，刚架拱桥的拱轴线形对 其主要控制截面的内力没有什么影响；采用空间分析法与平面分析法对其内力 影响较大；新规范下刚架拱桥的内力与旧规范下也有较大的差距。论文最后介 绍了钢筋混凝土刚架拱桥的设计要点以及要重点设计的部位。论文结合工程实 例进行了分析和总结，具有一定的参考价值。 关键词：刚架拱桥拱轴线形平面分析法空间分析法规范 i n t e r n a lf o r c ea n a l y t i c a lm o d ea n dc o n t r a s to fr i g i d - f r a m e a r c hb r i d g eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e a b s t r a c t a sak i n do f l i g h tb r i d g et y p e ，b e c a u s eo f i t ss h a p ea g i l e ，t h es t n l c t u r eb e a u t y ，i t s r e a s o l l a b l es t r e s sc o n d i t i o n ，r i g i d f r a m ea r c hb r i d g eo f r e i n f o r c e dc o n c r e t es e t su pm o r ei n t h es e v e no re i g l l t1 0 一y e a rg e n e r a t i o n si no u rc o u n t r y i ti sak i n do f i m p o r t a n tb r i d g et y p e t h a ti sa p p l i c a b l et ot h es o rs o i lf o u n d a t i o n f i r s t 。t h i sp a 口e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d s t r e s sc h a r a c t e r i s t i c so f r i g i d - f r a m ea r c hb r i d g ee l m i n f o r e e dc o n c r e t e ，c a y st h eb a s i c c a l c u l a t i o nt h e o r i e sa n dt h ea n a l y s i sm e t h e d so f a r c hb r i d g e ，i n t r o d u c e sp r o c e d u r e so f t h e b r i d g es 咖c t u r e t h ep o i n ti n t r o d u c e sa na n a l y s i so f m i d a s c i v i ls o r w a r eo f k o r e a t h i s p a p e rw i t hm a t c ht h ec h a n g f e n gm a db r i d g eo f h ef e ij u s ta na r c hb r i d g ef o ra c t u a l b a c k g r o l l i l do f e l l g i n e e r i n g ，m a k e su s eo f l i m i t e dd o l l a ro f m i d a s ，c i 访la n a l y s i ss o f t w a r e ， a n a l y z e si t si n t e r n a lf o r c e sa f f h tt oa na r c hb r i d g ei nt h ed i f f e r e n to fa n a l y t i c a lm o d ea b o u t a r c ha x i sl i n e t y p e ，m e t h o do f p l a n e a n a l y s i sa n dm e t h o do f s p a c ea n a l y s i s ，t w od e s i g nl o a d s o f n e wa n do l dc r i t e r i o n a b o v et h ea n a l y s i s ，w ec a nk n o wt h a tt h ea r c ha x i sl i n e t y p eo f a n a r c hb r i d g eh a sn oi n f l u e n c et ot h em a i nc o n t r 0 1s e c t i o n si ni t si n t e r n a lf o r c e s ；a d o p t i n gt h e m e t h o do fs p a c ea n a l y s i sa n dt h em e t h o do f p l a n ea l l a l y s i si n f l u e n c e sg r e a t l yt oi t si n t e m a l f o r c e s ；u n d e r n e wc r i t e r i o n ，t h e i n t e r n a l f o r c e so f a r c h b r i d g e a r ea l s og r e a t l y d i f f e r e n t o f t h e o l dc r i t e r i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g ni m p o r t a n tp o i n ta n dt h ei m p o r t a n tp a r to f d e s i g no ft h er i g i d - f r a m ea r c hb r i d g eo f r e i n f o m e dc o n c r e t ef i n a l l y t h ep a d e rc o m b i n e st h e e n g i n e e r i n ge x a m p l et oc a n yo nt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r y ，h a v e st h ec e r t a i nr e f e r e n c e v a l u e k e yw o r d s ：r i g i d f r a m ea r c hb r i d g e ；a r c ha x i sl i n e t y p e ；m e t h o do f p l a n ea n a l y s i s ；m e t h o d o f s p a c ea i l a l y s i s ；c r i t e r i o n 插图清单 图1 1刚架拱桥的基本构造2 图2 1刚架拱桥计算图式8 图3 1长丰路桥半立面图1 5 图3 2 长丰路桥半横断面图1 5 图3 3 拱肋各截面尺寸1 5 图3 4 大节点处理图式1 6 图3 5 拱肋单元划分1 6 图3 6圆弧线拱轴计算图式1 8 图3 7 悬链线拱轴计算图式1 8 图3 8 组合截面图1 9 图3 9刚架拱桥简化模型( 无节点) 2 0 图3 1 0 刚架拱桥简化模型( 有节点) 2 0 图3 n 刚架拱桥实际模型2 0 图3 1 2 自重下轴力比较图2 2 图3 1 3 自重下弯矩比较图2 2 图3 1 4 均布荷载下轴力比较图2 4 图3 1 5 均布荷载下弯矩比较图2 4 图3 1 6 弹性支承连续梁简化法计算图式2 6 图3 1 7 刚架拱桥空间分析简化模型2 8 图3 1 8 剐架拱桥空间分析实际模型- 2 9 图3 1 9 旧规范下汽车荷载纵向排列图3 3 图3 2 0f 日规范下汽车荷载横向布置酉3 4 图3 2 1 旧规范下挂车荷载图式3 4 图3 2 2 车道荷载计算图式3 5 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 l 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 车辆荷载横向布置3 5 车辆荷载立面布置与平面尺寸3 5 旧规范下荷载工况l c b l 下弯矩内力图3 8 旧规范下荷载工况l c b 2 下弯矩内力图3 9 旧规范下荷载工况l c b 3 一l 下弯矩内力图3 9 旧规范下荷载工况l c b 3 2 下弯矩内力图4 0 旧规范下荷载工况l c b 4 1 下弯矩内力图4 0 旧规范下荷载工况l c b 4 2 下弯矩内力图4 l 新规范下荷载工况l c b l 下弯矩内力图4 l 新规范下荷载工况l c b 2 下弯矩内力图4 2 额规范下荷载工况l c b 3 一l 下弯矩内力图4 2 新规范下荷载工况l c b 3 2 下弯矩内力图4 3 新规范下荷载工况l c b 4 - 1 下弯矩内力图4 3 新规范下荷载工况l c b 4 2 下弯矩内力图4 4 表格清单 表1 1 主要桥型上部构造经济指标4 表l 。2 部分已建刚架拱桥上部构造经济指标4 表3 1 悬链线拱轴系数厨值表1 8 表3 2 不同拱轴线形时自重下内力汇总表2 l 表3 3 不同拱轴线形时自重下内力比较表2 l 表3 4 不同拱轴线形时均布荷载下内力汇总表2 3 表3 5 不同拱轴线形时均布荷载下内力比较表2 3 表3 6 平面分析法下各控制截面内力表2 9 表3 7 空间分析法一偏心加载下各控制截面内力表3 0 表3 8 空间分析法一对称加载下各控制截面内力表3 l 表3 9 空间分析法与平面分析法各控制截面内力值比较表3 1 表3 1 0 新规范下各控制截面内力表4 4 表3 1 1 新旧规范下各控制截面内力值比较表4 5 独创性声明 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。据我所 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 金照王些太堂或其他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谢意。 学位论文作者签名： 肄i 罂丧签字日期：稚厶月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权佥胆王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：抹i 嚣莨 签字日期：w 萨“月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师虢易科 签字日期：以年中月r 日 电话 邮编 致谢 在此论文完成之际，我的硕士研究生生活也即将结束。在这里，首先要感 谢我的导师王国体教授! 在这三年的学习、研究和生活期间，王老师自始至终给予我莫大的关怀和 帮助。在文献检索、资料收集、论文选题和论文撰写过程中，王老师给予了悉 心的指导，提出了许多宝贵的意见和建议。他严谨的治学态度，理论联系实际 的指导思想，兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使我深受启迪，受益匪 浅。在此谨向王老师致以最诚挚的敬意和深切的感激之情! 在天津城建设计院安徽分院，我有幸得到了张庆群高工、吴玉有总工、张 涛、束波峰和沈贤琴工程师的指导、鼓励和帮助。在此，向他们表达诚挚的谢 意! 在论文的撰写过程中，我的师兄赖焕锋、陈登伟等同学给了我很大的帮助 和支持：研究生的两年多来，我的同学刘燕飞、刘美兰、刘志楠、马乙一等一 直对我的学习、工作和生活上帮助很多，在此向他们表示感谢! 同时也要感谢 我的女朋友金伟伟几年来对我的学业的支持。 感谢父母和亲人多年来的支持和教诲。 感谢所有关心、帮助过我的老师、同学、朋友和亲人们 最后，我还要由衷地感谢答辩委员会的全体老师以及莅临答辩现场的各位 老师和同学，感谢大家在百忙之中抽出时间参加和指导我的毕业论文答辩工作。 作者：朱浩良 2 0 0 6 年3 月2 0 日 第一章概述 1 1 引言 大力发展交通运输事业，建立四通八达的现代化交通网络，对于发展我国 的国民经济、加强全国各族人们的团结、促进不同地区的文化交流以及巩固国 防等方面，都具有非常重要的作用和意义。从经济上来讲，桥梁工程在工程规 模上大约占公路总造价的1 0 2 0 ，是交通运输的咽喉，同时也是保证全线 早日通车的关键。我国幅员辽阔，大小山脉和江河湖泽纵横全国，在公路线路 中有大量桥梁需要修建，城市建设更是如此。改革开放以来，我国桥梁建设事 业突飞猛进，已建成的各类现代化桥梁在桥梁跨径排名表上都进入了重要名次， 甚至是名列前茅。一座美观实用的桥梁，不仅会带来巨大的经济效应，甚至可 能会成为一个城市的重点标志和风景景观【卜甜。 作为我国最常见的一种桥梁型式一拱桥，其式样之多，数量之大，为各种 桥梁之冠，特别是考虑到美观性而应用在城市桥梁中。我国最早出现的是石拱 桥，大约在公元前2 8 2 年就有关于石拱桥的记载。建于公元6 0 6 年的河北赵州 安济桥( 即赵州桥) 是现今世界上尚存的跨度最大的古代石拱桥。在现代，我 国也修建了一定数量| ；勺石拱桥，例如1 9 7 2 年建成的四川九溪沟大桥、1 9 9 1 年 建成的湖南风凰乌巢大桥、1 9 9 9 年建成的山西省晋城丹河新桥。但是，石拱桥 自重大、要搭支架施工、人工费用高，因此现代应用较少，不能推广使用。 随着混凝土和钢铁材料在桥梁工程中的应用，大大丰富了桥梁建筑，拱桥 也随之得到了发展。由于拱结构主要受压，采用混凝土做拱桥是非常合理的和 经济的，因此接着就出现了钢筋混凝土拱桥，它在世界桥梁上发展的很快，跨 度也在不断增加。据不完全统计，在我国公路桥粱中，拱桥占据7 之多。拱 桥也是大跨径桥型之一，2 0 世纪初得到迅速发展，5 0 年代左右达到全盛时期。 其后由于梁式桥无支架施工方法的采用及斜拉桥的出现，相对减少了大跨径拱 桥的应用范围。6 0 年代初随着拱桥无支架施工方法的应用和发展，拱桥又恢复 了竞争能力。得到了一定发展。我国建造的钢筋混凝土拱桥的型式更是繁花似 锦，式样之多当属世界之最。其中建造得比较多的是箱形拱、双蓝拱、肋拱、 桁架拱、刚架拱等，它们大多数是上承式桥梁，桥面宽敞，造价低廉【引。 刚架拱桥是我国7 0 年代发展起来的一种新型拱桥。它是在我国传统的双曲 拱桥、桁架拱桥的建筑经验基础上结合斜腿刚构的特点发展演变而来的一种桥 型。刚架拱桥出现后，在我国得到了迅速的发展。其中最大的是1 9 8 5 年建成的 广东清远北江大桥，它是国内较长的多跨连拱大跨度刚架拱桥全长1 0 5 8 0 4 m ， 跨度为3 4 5 m + 8 x7 0 m + 4 4 5 m 。单跨跨度超过i o o m 的刚架拱桥有建于i 9 8 5 年 的江苏省无锡市近郊的金城桥。它跨越京杭大运河，跨度1 0 0 m ，矢跨比为l 1 0 ， 拱肋为工字型主拱腿为等截面，实腹段是变截面。建于1 9 9 3 年3 月的江西省 德兴铜矿区的跨越乐安江的太白桥，是一座刚架拱公路桥，该桥跨度1 3 0 m ，采 用转体施工，先在岸边的简易支架上组装钢管土骨架和现浇l o c m 底板混凝土， 通过张拉4 2 中2 5 拉杆钢筋，使桥体与支架脱离形成转动体系，转动体系是支承 在桥台基础上的钢筋混凝土磨心球铰上，转动体系重1 8 1 0 0 k n 【4 l 。 刚架拱桥既有传统拱桥的特色，又有现代化桥梁的时代气息，其结构上部轻 盈，下部庄重稳定。可变拱腿直线为圆顺的高次抛物线，外形优美且与周围环境 相协调。应用在城市桥梁中，采用对称的小纵坡和大半径竖曲线，使桥型流畅柔 和，而且能降低桥梁高度。刚架拱桥跨径适用范围大，建筑高度大，自重小，适 合于山区公路桥梁建设，尤其在深且窄的河流上和软弱地基上更适合修建该类 型桥梁1 5 6 1 。 1 2 刚架拱桥构造简介 传统拱式桥的拱上建筑繁杂，且未与拱圈组成整体共同受力，拱上建筑仅 是单纯传递荷载，对全桥的整体性和刚度没有贡献，而刚架拱则吸取了斜腿刚 构的特点，用弦杆和支撑在桥梁墩台的斜撑组成拱上建筑，整个桥梁上下部各 构件相固结形成坚固的整体结构，共同受力抵抗外荷载。因此，桥梁的整体性 和刚度均得到提高，并大大削弱了组成构件的内力蜂值而使构件受力较小，使 得构件变得轻巧和纤细。所以，刚架拱桥从力学性能和经济性上都比传统的梁 式和拱式结构为优越。而其承重结构由拱肋( 圈) 构成，拱上建筑取斜腿刚架 的形式，可以说是拱与斜腿刚架的复合结构，因而其受力兼有拱与梁式刚架的 特性，充分利用和发挥了斜腿刚架和拱在力学性能上的各自特点和优势。 i - i f 譬 图1 1 刚架拱桥的基本构造 刚架拱桥的基本组成是由主拱腿与实腹段合拢后组成裸肋，在裸肋的基础 上架设弦杆及斜撑形成刚架拱片，然后在刚架拱片之间设置横系梁安装预制 的肋腋扳( 或微弯板) 和悬臂板，现浇混凝土填平层和桥面铺装组合而成。其 构造图见图1 1 。 主拱腿、实腹段和弦杆三部分的交接处称为大节点，弦杆和斜撑的交接处 称为小节点。主拱腿及斜撑一般分别固结或铰接于桥梁墩( 台) 内，称为主拱 腿支座和斜撑支座，弦杆一般支承于墩( 台) 的立墙上，称为弦杆支座。也有 不设弦杆支座，将竖杆与弦杆固结相连。 刚架拱桥的构造如下p j ： ( 1 ) 矢跨比。刚架拱桥的矢跨比选择，无需像一般拱桥那样，去追求拱轴 线与拱的恒载压力线一致，但应尽量使恒载弯矩较小一些，特别是采用无支架 施工的刚架拱桥，应考虑拱轴线与恒载压力线尽量接近，还应结合具体情况综 合考虑，一般以选用l 7 1 1 0 为宜，最小不宜小于1 1 2 ，最大不宜大于1 6 。 矢跨比增大，有利于减小抗推刚度，对下部构造的刚度要求相应降低，因此在 条件许可时，应选较大矢跨比，以减少下部构造的工程数量。 ( 2 ) 拱片数目及间距。刚架拱桥的横向拱片数根据桥梁的宽度、跨径、设 计荷载标准、施工能力等作技术经济比较后确定。一般情况下，跨径较大时， 宜采用较少的拱片数。当然，如采用预制吊装施工方法时，拱片的起吊重量会 相应大一些，并且拱片间距越大，荷载横向分布就越不均匀，甚至会影响荷载 的横向传递。所以拱片净距不宜超过3 5 m ，对于双车道公路桥，当跨径在2 5 7 0 m 时，可用3 4 个拱片，拱片间距约2 3 5 m 。 ( 3 ) 节点位置的确定。节点位置应根据结构的受力及桥梁外观来确定，大 节点一般在跨径的四分之一附近，小节点一般在弦杆中点附近。 ( 4 ) 杆件截面尺寸的确定。刚架拱的构件截面一般采用矩形、工字形、箱 形等。当跨径较大，拱腿的轴压力亦较大，拱腿可采用变宽截面，一般从拱腿 第一或第二横系梁开始向拱腿逐渐加宽。采用这样的构造，对减小拱腿支承压 力的效果，比增加拱腿高度要好得多，而且可以增加拱片的横向刚度。 ( 5 ) 横向联结系构造。为把各刚架拱片横向联成整体，使之共同受力，并 保证其纵、横向稳定，需要在刚架拱片之间设置横向联结系。横向联结系一般 为横系梁，设在跨中、大、小节点、弦杆端部等处，在其间可视跨径大小或肋 腋板( 微弯板) 长度而定，一般每隔3 5 m 设置一道横系梁，并使肋腋版的尺 寸类型最少。斜撑上一般不设横向联结系。横系梁高度与拱顶凸形截面下部同 高或矮1 2 c m ，大节点处因实腹段截面高且受力大，横系梁亦需增高。横系梁 宽度一般为1 5 2 0 c m ，截面形式可为矩形和空心截面。横系梁在实腹段和弦杆 段应竖直安放，有利于活载的横向传递：拱腿段应卧式安放，有利于加强横向 刚度。横系梁中的钢筋不得少于4 根，直径一般为1 6 2 2 m m ，沿周边放置并设 簧箍筋。大跨径的刚架拱桥在大节点附近位置宜设置剪刀撑。 1 3 刚架拱桥的应用和发展 由于钢筋混凝土刚架拱桥的整体性、刚度和承载能力等力学性能都比它的 组合单元( 斜腿刚架和拱) 要优越，而且结构形式简洁美观、上部构造重量轻、 材料用量指标较低、经济效益明显，因此，这种桥型一经推出，即在我国得到 了广泛的应用。由下表i 1 可以看出，刚架拱桥与其他桥型相比较，具有较大 的经济优势。我国先后修建了大量的钢筋混凝土刚架拱桥，部分己建刚架拱桥 的工程概况如下表1 2 。 表1 1 主要桥型上部构造经济指标 跨径矢跨桥面用钢量桥面用砼 桥型 荷载标准 桥宽( m )备注 ( m )比( k g i )量( m 3 ) 刚架拱 5 0 汽- 2 0 、挂一1 0 01 1 0 7 + 2 o 2 54 1 5 80 4 8 刚架拱定型图 桁架拱 5 0汽- 2 0 、挂一1 0 0 1 1 0 7 + 2 x 0 2 54 4 ，1 9o 5 2 桁架拱标准图 双曲拱 5 0 汽- 2 0 、挂一1 0 0i 6 9 + 2 x i 0 2 5 81 0 2 双曲拱标准图 肋拱 4 5 汽- - 2 0 、挂一1 0 0i 8 1 2 5 + 2 1 0 6 3 7 o 6 2 清远北江大桥设计图 连续粱 5 2汽- - 2 0 、挂一1 0 01 6 + 2 1 5 2 5 i 4 9 8 o 5 8 浙江省京杭运河桥 刚架拱 7 0 汽- - 2 0 、挂一1 0 01 91 2 5 + 2 x 1 55 5 7o 5 2 清远北江大桥施工图 箱型拱 7 0 汽一2 0 、挂一1 0 0t 8 9 + 2 1 03 8 1 3o 8 8 清远北江大桥设计图 连续粱 7 0 汽一2 0 、挂一1 0 0 2 1 2 4 7 7 0 0 6 3 甘肃省兰州黄河大桥 t 构 7 0 汽- - 2 0 、挂一i 0 0 9 + 2 i 0 1 9 1 1 6 9 8 9 o 6 7 t 构标准图 肋拱7 0汽一2 0 、挂一1 0 0 1 6 9 + 2 1 58 5 8 6o 6 2 表1 2 部分已建刚架拱桥上部构造经济指标 矢跨比桥面用钢桥面混凝土 桥名跨径组合桥宽 量o c 曲 用量( m 3 ) 河南新乡卫共桥 1 2 2 0l s 9 + 2 1 52 8 3 20 4 2 8 山东泰安河桥 2 2 5i 81 8 + 2 1 02 2 6 0 0 3 3 0 湖北通城隽水桥 3 2 + 3 3 + 3 2i 89 十2 i _ 54 7 3 30 5 5 6 河南周口沙河桥 5 4 21 ，61 2 + 2 1 54 5 6 00 4 7 9 i 8 广东东莞万江桥 4 0 + 5 0 + 4 09 十2 x 1 53 6 8 00 4 5 2 i 1 0 湖北应城杨河桥3 5 0i 87 十2 1 o3 7 2 60 4 8 9 黑龙江呼玛河大桥6 6 0i 1 07 + 2 0 7 55 3 1 00 4 9 0 i 8 广东清远北江大桥 3 4 5 + 8 7 0 + 4 x 4 51 2 5 十2 x1 54 5 8 ，5 5 70 4 5 9 0 5 “ l ，9 广东佛山澜石大桥 2x4 5 + 7 0 + 8 5 + 7 0 + 2 4 5 1 ，6 1 1 6 3o 6 广东阳山花溪犬桥 1 9 0i 79 + 2 1 56 5 9 0o 5 7 注：分子为4 5 m 跨径的经济指标，分母为7 0 m 跨径的经济指标。 刚架拱桥推广应用三十多年来，在理论计算方法上、簏工方法上、跨径的 增大上均有了长足的发展，具体说来，表现在以下几个方面【7j ： ( 1 ) 随着计算机技术的普及和应用，桥梁结构计算理论的不断发展和完 4 善，刚架拱结构体系复杂的分析计算大大简化了，而且工程设计人员不再受刚 架拱超静定次数的制约，其外形构造也可由计算机的电算进一步优化设计和选 择。 ( 2 ) 随着工程机械化的施工，刚架拱桥的施工方法有很多种，也更加完 善。刚架拱桥的施工方法有支架现浇法、分段预制少支架安装法、无支架缆索 吊装法、转体施工法、悬臂拼装法、劲性钢管混凝土骨架法等多种。这些施工 方法的出现使得刚架拱桥的建造简单易行。 ( 3 ) 在跨径方面，剐架拱桥逐渐由中小跨径向大跨径转变。如江苏省无 锡市的金城桥，跨径l o o m ；江西省德兴的太白桥，跨径1 3 0 m 。 ( 4 ) 我国目前在软土地基上修建了多座刚架拱桥，其中江苏省无锡市的 金城桥就是其中一座。在软土地基上修建拱桥的关键是解决拱桥桥台的有害位 移，我国在这方面修建刚架拱的成功经验有：采用组合式轻型桥台，采用“顶 推调整拱脚水平位移工艺”。 因此，随着计算机技术的飞速发展和桥梁结构设计计算理论的成熟，以及 新型材料的应用，我们有理由相信刚架拱桥作为一种轻型桥型，必然将在我国 公路和城市道路交通网中发挥更加重要的作用和散发出强大的生命力。 1 4 刚架拱桥的病害 刚架拱桥作为一种轻型拱桥，我国在2 0 世纪7 0 8 0 年代修建较多，这在 当时交通量不太大，超重车较少的情况下尚可适用。进入9 0 年代以后，交通量 剧增，超重车频繁，这种轻型拱桥就显露出某种不适应当前交通需要的弱点。 随着交通建设的迅速发展，交通量的增加，修建的刚架拱桥逐渐出现了一 些病害进而危害到刚架拱桥的运营，这些病害主要表现在以下几个方面 8 1 2 】： ( 1 ) 主拱腿、斜撑根部( 即拱脚处) 上缘有裂缝。 ( 2 ) 实腹段跨中下缘裂缝条数较多，宽度较窄。 ( 3 ) 弦杆、大节点、小节点结合部位有裂缝。 ( 4 ) 徽弯板裂缝、穿孔、断裂甚至塌陷，其主要裂缝发生在微弯板底面及 板肋下缘。 ( 5 ) 桥面裂缝。桥面裂缝比较严重，大部分裂缝属于微弯板接缝开裂或 板本身裂缝反射到桥面上，形成有规则的纵、横向网状裂缝。同时，桥面负弯 矩区也产生较严重开裂。 因此，鉴于刚架拱桥出现的大量病害，我们有必要对刚架拱桥进行重新分 析，况且交通部又公布了新的桥涵设计规范，就更加有必要对刚架拱桥出现病 害的原因进行分析，为以后的工程实际设计提供指导。 1 5 本文工作内容 本文的主要内容是依托合肥市2 0 0 2 年9 月底南淝河长丰路桥这个工程实 例，利用m i d a s c i v i l 桥梁结构有限元分析软件来讨论钢筋混凝土刚架拱桥内 力计算分析模式的不同对其各主要控制截面的内力影响，具体来说，本文做了 以下几方面的工作： ( 1 ) 明确了钢筋混凝土刚架拱桥的结构特点和受力特性。 ( 2 ) 阐述了刚架拱桥的基本计算理论和分析方法，并简要介绍了桥梁结构 上常用的几种有限元分析软件，重点介绍了韩国的m i d a s c i v i l 有限元分析软 件在桥梁结构上的应用。 ( 3 ) 利用m i d a s c i v i l 有限元分析软件分析了刚架拱桥拱轴线形的不同对 其主要控制截面内力的影响。 ( 4 ) 分析了刚架拱桥的两种结构分析方法对其内力的影响，并结合刚架拱 桥加固的一些病害说明了采用空间分析法的重要性。 ( 5 ) 分析了新旧规范下，由于设计荷载的改变对刚架拱桥的内力影响。 ( 6 ) 介绍了在进行钢筋混凝土刚架拱桥设计时的设计要点以及要重点设计 的部位。 ( 7 ) 对钢筋混凝土刚絮拱桥的应用和前景进行了展望。 6 第二章刚架拱桥的分析理论和方法 2 1 刚架拱桥的结构特点 刚架拱桥作为拱与斜腿刚架的复合结构，其构造特点不同与这两者，具体 如下【3 】： ( 1 ) 结构上，钢筋混凝土刚架拱桥为多次超静定结构。结构杆件大部分 为偏心受压构件，无纯拉构件，从而，能充分利用混凝土抗拉能力弱抗压能力 强的特点，使其具有较大潜力的承载能力。其主结构由拱肋通过横系梁构成主 拱，而拱上建筑则取斜腿刚构的形式，是拱与斜腿刚构的复合结构，故名刚架 拱。在顺桥方向，刚架拱桥将常规拱桥的主拱圈与拱上建筑组成整体受力结构， 因而拱上建筑不再是单纯的传递荷载作用，而是参与承受荷载，与整个结构共 同受力；在横桥方向，通过肋腋板或微弯板将拱肋与现浇桥面组成整体。 ( 2 ) 钢筋混凝土刚架拱桥结构轻巧，具有足够的承载力，而且其自重约为 双曲拱桥的6 0 ，这就使恒载推力大大减少，并对下部结构和地基承载力的要 求相对降低一些，便于基础的型式选择和软土地基上建桥。 ( 3 ) 钢筋混凝土刚架拱桥桥型适用性强。刚架拱虽然为拱式体系，但恒载 推力较常规拱桥小。为控制桥梁建筑的高度，可将矢跨比选择得小些，一般采 用l 7 1 1 0 之间。刚架拱桥也容许桥台发生适量的位移( 位移量控制不大于 l 。3 0 0 0 ) 。刚架拱桥施工方法的适用性也较强，可用预制吊装，有支架现浇， 悬臂拼装，转体施工法等。 ( 4 ) 钢筋混凝土刚架拱桥结构线条简单，造型美观、构件吊装重量小，施 工方便，预制装配化程度高( 如按体积比，预制装配率达8 0 以上) ，安装速 度快，工期较短。 ( 5 ) 钢筋混凝土刚架拱桥材料用量指标较低，经济效益明显。2 0 6 0 m 跨 径的刚架拱桥上部构造的桥面用钢量一般为3 8 4 5 k g m 2 ，混凝土用量为0 4 0 5 m 3 m 2 。若以同跨径、同荷载标准与其他桥型相比，刚架拱桥的上部构造混 凝土用量较双曲拱桥减少约4 0 左右，用钢量约增加1 0 左右；与桁架拱桥比 较，混凝土用量和钢筋用量均可减少，具体可参见表1 1 。 2 2 刚架拱桥的受力特征分析 刚架拱桥是拱与斜腿刚架的复合结构，因而在受力方面兼有拱与梁式网架 的特性，其受力特征分析有1 1 副： ( 1 ) 由于刚架拱桥斜撑的存在吸收了大部分的竖向荷载，因此其弦杆轴向 力减小很多，同时轴向力减少的比值只与斜撑在弦杆上支点位置有关，与矢跨比 大小关系不大。 ( 2 ) 刚架拱桥随着矢跨比的减少，弦杆轴力增大较多。1 6 、l 8 、1 l o 三 7 种矢跨比的轴向力比值约为l ：i 3 ：1 6 ，而弯矩的变化则比较复杂。 ( 3 ) 刚架拱桥斜撑可吸收约1 2 的竖向荷载，尽管如此，刚架拱桥的主拱 脚处水平推力较桁架拱桥的拱脚水平推力减少甚小。当斜撑在弦杆的支点1 2 处时。拱脚水平推力可减少约l o 。 ( 4 ) 刚架拱桥的拱顶下表面受拉且斜撑弯矩较小，较为有利，不利的是弦 杆节点弯矩较大。 ( 5 ) 对刚架拱桥来讲。温度变化在结构内部引起的内力都不大，惟在拱顶和 拱脚引起的内力稍大，而且往往是同号叠加，设计中要予以考虑。 2 3 刚架拱桥计算理论和方法 2 3 1 刚架拱桥计算图式 刚架拱桥的结构计算是根据其施工阶段来划分的，具体的结构计算过程如 下【3 l ： ( 1 ) 在恒载作用时，假定主拱腿支座和斜撑支座均为铰接( 即施工时不封 固) ；在活载作用时，主拱腿支座已封固，假定主拱腿支座为固结状态：弦杆支 座无论恒载、活载，均作为允许水平位移的竖向链杆。 阶 结构圈武和荷戴 内力计算项目 段 co 1 7棵；拱 裸拱自重内力 e abco 2 引i 拱 瘦孔弦杆和斜撑t 量产生的内 力 e 桥面重 桥面重量产生的内力 3 钐 4 夕外绷弋 活戴和附加力产生的内力 图2 1 刚架拱桥计算图式 ( 2 ) 恒载全部由裸肋( 裸肋系指除桥面以外由主拱腿、实腹段、腹孔弦杆、 斜撑和横系梁组成的结构) 承担。考虑到施工过程中结构体系的变化，应按图 2 1 的次序分阶段计算恒载内力，然后叠加。 ( 3 ) 活载和其他附加力由裸肋与桥面组成的整体结构承担，它的计算图式 采用图2 1 阶段4 的图式。 2 。3 2 刚架拱桥内力计算 由于在进行刚架拱桥的设计计算时，主要考虑控制截面弯矩的作用，而弯 矩的峰值大多出现在杆件的端点，故选取所有杆件的端点作为计算截面。刚架 拱为高次超静定结构。其内力和变形一般采用平面杆系有限元法电算，亦可采 用位移法手算或其他方法计算。刚架拱桥属于肋拱体系，其横截面分成多片拱 片。通常情况下，刚架拱桥的计算，一般选取一片拱肋进行分析，即简化成平 面杆系结构。以下恒载和活载的内力计算均为考虑成一片拱肋的计算。 ( 1 ) 恒载内力计算 在裸肋自重作用下( 图2 1 中的图式1 与图式2 ) ，刚架拱桥的计算简图为 一次超静定的两铰拱，但它的拱轴线不是一条光滑的曲线。计算它的恒载内力 时，同样取主拱脚的水平推力为赘余力。忽略轴向力对变位的影响后，水平推 力日由下式确定： = 一= 堡 ( 2 一1 ) 以2 式中：，一基本结构在外荷p = 1 作用下支点的水平位移： = 学+ 学a 学 z ) 最，一基本结构在赘余反力作用下支点的水平位移： 耻警+ 睁“匦e i ( 2 _ 。) 其中，m ，是恒载作用于桥梁基本结构时的截面弯矩。 求出赘余力之后，就可以利用静力平衡条件求解各截面的内力。 当桥面的恒载作用于裸肋时，各支承均按铰接计算( 图2 1 的图式3 ) 。此 时刚架拱桥为7 次超静定结构。但是由于荷载和结构均为对称，实际上全桥 只有4 个未知数，即为4 次超静定结构。 ( 2 ) 活载内力计算 计算活载内力时，应考虑桥面系与拱肋的共同作用，同时。主拱腿支座与 桥梁墩台为固结( 图2 1 的图式4 ) ，故全桥为9 次超静定结构。 在分析刚架拱桥的内力时。由于考虑了桥面与拱肋的共同作用，因而，也 应考虑活载在横桥向不均匀分布的影响。试验表明，实测的横向分布曲线，与 9 按弹性支承连续梁简化法计算的分布曲线比较接近。因而刚架拱桥的荷载横向 分布系数，目前常用弹性支承连续梁简化法计算。 求出刚架拱桥的横向分布系数后，就可以利用影响线按最不利位置来布载， 求得其活载下的内力。 2 4 几种桥梁结构有限元程序 2 0 世纪6 0 年代初，随着计算机技术的不断发展，有限元法( f e m ) 在众多数 值分析方法中脱颖而出，成为科学研究人员和工程设计人员在分析解决复杂问 题时主要使用的方法。大量的有限元商业软件也如雨后春笋般涌现出来，使有 限元法的功能变得更加强大，使用更加便捷，也进一步推广了有限元法的应用。 因此，计算机技术的推广和结构分析有限元法的应用，使桥梁结构分析得以向 程序化发展【i ”。 用于桥梁结构分析的有限元软件主要有s a p 程序、a n s y s 软件、桥梁博士 软件、公路桥梁结构设计系统g q j s 、桥梁通、m i d a s c i v i l 软件等。 2 4 1s a p 程序 在2 0 世纪7 0 年代，由美国加州大学伯克利分校的k j b a t h e 、e l w i l s o e 和f e p e l t e r s o n 首先推出结构分析通用程序系统s a p ，并在航空、机械、土 建等领域得到广泛应用。2 0 世纪8 0 年代初由北京大学曲圣年教授等移植到微 机上。该程序系统经历了多次改版，现工程界广泛使用的是新版s a p 2 0 0 0 。s a p 程序系统拥有几十种实用的单元类型，可用于分析梁、杆、壳、管、三维实体 等各种构件组成的结构体系的动、静力响应s a p 2 0 0 0 还拥有杆、薄壳等几种 单元的几何刚度矩阵，并能完成几何、材料非线性的力学分析问题。 2 4 2a n s y s 软件 世界有限元界著名的a n s y s 公司所研制开发的a n s y s 软件是融结构、热、 流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。从2 0 世纪7 0 年代开始， a n s y s 软件就率先在有限元分析中引入了图形技术以及交互式操作方式，使有 限元分析进入崭新阶段。1 9 8 3 年，a n s y s 又充分预计了p c 机的发展，开发出世 界上第一个p c 机上的分析程序。 现在该程序具有完备的前处理器，强大的计算处理器、方便的后处理器， 并提供宏语言、用户界蕊设计语言、用户编程特性和参数设计语言等几种工具。 对于前处理，a n s y s 提供了功能强大的建模和网格划分工具。其中，建模主要 包括了从下而上( 点一体) 和从上而下( 体一点) 的建模法，即直接建模和实体 建模，同时还有大量的数据库和布尔操作，为建模提供了很大的方便。而网格 划分除了定义节点直接生成单元以外，a n s y s 还根据不同的需要提供了自由、 1 0 映射和扫掠网格划分方法，并能对所生成的单元优劣进行评价，为后期精确求 解提供了保障。对于后处理， n s y s 除了可以通过图形显示，直观定性地判断 计算结果的合理性外，还能通过各种列表定量分析计算数据。同时，a n s y s 还 可以产生独立的结果动画文件，动态模拟模型的变化过程，十分生动形象。a n s y s 的误差估计结果可以对计算结果的精确程度提供参考。 a n s y s 提供了近十种求解器，包括隐式求解器和显式求解器，可以根据模 型单元数的多少和分析计算的特点来选择。同时a n s y s 还提供了近1 9 0 种单元 类型，除了可用于模拟各种线弹性材料外，还能用于模拟特殊类型的几何以及 材料非线性问题，与之相匹配的还有各种本构模型和屈服准则。这些都为研究 共同作用提供了很好的建模和计算的工具。 2 4 3 以上软件局限性 这些软件程序系统应用于桥梁结构分析有一定局限性，主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 结构的描述繁复。由于要兼顾到各种组合结构的分析，通用程序对结 构的数据描述有很严格的规定。因此，即使描述最简单的平面杆系结构，也要 填写很繁复的数据文件，既花时间又容易引起数据描述出错。 ( 2 ) 无法仿真桥梁施工过程进行计算。桥梁结构一般都有一个逐阶段形成 的施工过程，即施工阶段。在这个过程中，常常伴有支座增减、几何特性改变、 荷载变化、体系转换等结构的改变。这就要求结构分析程序具有仿真桥梁旌工 过程的计算功能。然而一般的通用程序都不具备这一功能。 ( 3 ) 不具备活载自动加载功能。桥梁结构的空间活载分析要求对关心截面 物理量的影响面进行自动加载，而平面活载分析要求对影响线迸行自动加载。 一般的通用程序通过改进后可以完成影响面或影响线的计算，但仍无自动加载 的功能。 ( 4 ) 无法进行结构调值分析。现在的桥梁结构常常利用强迫应变产生的应 力( 如斜拉索、预应力索张拉等) 来调整结构体系的受力分配。按设计者的意 图，指定一种期望的受力状态，用调整原理计算应旄加的强迫应变量。虽然有 些通用程序可以完成装配误差应力的分析，但不具备结构调值分析的功能。 ( 5 ) 处理桥梁结构的徐变、收缩及预应力有关的问题时显得无能为力。钢 筋混凝土桥梁结构徐变、收缩的发展贯穿于燕个施工过程和成桥状态。混凝土 徐变与构件应力历史有关。随着施工阶段的向前推进，后期结构荷载对前期结 构徐变、收缩及预应力损失都有影响。大部分结构分析通用程序无法处理混凝 土徐变、收缩等问题。也有部分结构分析通用程序，虽然能分析金属蠕变的功 能对混凝土徐变进行分析，但这些程序无法模拟施工过程，无法得到各施工阶 段构件的应力历史，也就无法真正处理桥梁结构的徐变、收缩及与预应力相关 的一系列问题。 2 4 4m i d a s c i v i l 桥梁结构有限元分析软件 桥梁结构专用程序与通用有限元分析程序是适用范围不同的两种分析工 具。桥梁专用程序紧密结合桥梁设计分析需要，不仅可用于分析桥梁结构加载 施工过程中的性能，并能实现对桥梁结构特有的预应力及徐变、活载效应的分 析，而且还能用于确定桥梁成桥内力状态( 如斜拉索调索和