钢桁架桥的极限承载力

1、大跨度钢桁架拱桥的极限承载力研究专业：09软件+桥梁3班学号：20092110060314姓名：谢麟摘要：在强地震设防区或桥梁承受铁路荷载且地质条件良好时， 钢桁架拱桥是理想的大跨度桥梁选择方案。以朝天门大桥和大宁河大 桥为背景，从边界条件、初始状态、荷载要素等几个关键影响参数着 手，对大跨度钢桁架拱桥的极限承载能力进行参数研究，指出活载的 布置形式、侧向风荷载及不同的约束条件对钢桁架拱桥的极限承载力 有较大影响。关键词：钢桁架拱桥；参数分析;极限承载力；研究1刖言钢桁架拱桥和钢斜拉桥相比，具有刚度大，稳定性和抗震性好 等优点。当桥址处于风速或地震烈度较大的地区，或桥梁承受铁路荷 载且地质条件

2、良好时，钢桁架拱桥是一种理想的大桥度桥梁选择方 案。国内外学者采用解析法、数值分析法和试验法对影响钢拱桥极限 承载力的因素进行了大量的研究，为实际设计和制定规范提出了具 体建议14。但其中的主要研究对象大多是钢箱拱桥，有关钢桁架 拱桥的研究很少。本文以大宁河大桥（主跨400m钢箱桁架上承式拱 桥）和朝天门大桥（190m+ 552m+190m中承式钢桁连续系杆拱桥）为 背景，应用大型有限元分析软件ANSYS从边界条件、初始状态、荷载 要素等几个方面对大跨度钢桁架拱桥的极限承载能力进行参数研究，找出影响钢桁架拱桥极限承载力的主要因素，为实际设计提供有益 的帮助。2边界条件对承载力的影响不同的边界条

3、件将直接影响拱肋的力学性能。铰接拱脚相对于固 接拱脚而言，由于不产生弯矩而使基础部分的材料用量降低，但可 能会导致拱肋轴力增加并降低结构的刚度。为研究改变边界支承条件 对钢桁架拱桥极限承载力的影响，取3种不同的边界条件进行计算。 边界条件一：两侧拱脚处固接；边界条件二：两侧拱脚处铰接；边 界条件三：拱脚处一侧为铰接，另一侧为滑动。计算结果如图1所 示。段顶竖向倪移、(a)大宁河大桥0. 4 0- 8 1. 2 L 6 2.0 2.4 2+8边界条件一，边界条件二边界条件三拱顶竖:向位移血(b)朝天门大桥图1不同边界条件时荷载位移曲线计算结果表明，对于大宁河大桥(上承式钢桁架拱)，拱脚固接比 拱

4、脚铰接的全桥极限承载力高出近8%，在极限荷载下的结构变形响 应也要多出近50%。而对于朝天门大桥(连续拱梁组合体系)，拱脚 铰接与固接差别不大，在1%以内，采用边界条件三时，朝天门大桥 的极限承载力高出其它2个边界条件近7. 5%，其变形能力亦为最大。 综合可见，当以稳定控制桥梁设计时，上承式拱桥采用拱脚固接的 形式为宜；对于中承式连续拱梁组合体系而言，采用边界条件三最 为合适。本文后续计算分析中，大宁河大桥采用拱脚固接的约束形式, 朝天门大桥采用的是一侧铰接一侧滑动的约束形式。3初始几何缺陷对承载力的影响大跨度钢桁架拱桥在架设过程中，多采用杆件或节段拼装的施 工方法，由于拼接的节点多，施工中

5、容易产生线形误差，使拱肋在 平面内、外均存在一定的初始挠度，在结构自重及外荷载作用下，拱 肋将产生附加的内力和变形，这势必会影响成桥以后的桥梁承载能 力。为分析初始几何缺陷对大跨度钢桁架拱桥极限承载力的影响，在 计算模型中，分别取弹性稳定计算的面内和面外1阶屈曲模态作为 初始几何缺陷构形，给结构施加L/ 4000L/ 1000 的初始缺陷幅值。计算结果如表1、2所示。表1面内缺陷（反对称）对钢桁架拱桥承载力的影响力71芯仙昭W缶1估大宁河大桥朝天门大桥_舐+T形才安全系数拱顶竖向位移/m安全系数拱顶竖向位移/m不计缺陷3.569 0L7342. 8832 494面内正对称 4 0003.530

6、 8L4672.7352 037LI 3 000L/ 2 0003.521 73.471 41.4321. 3882.7342. 7332 0362 036面内反对称LI 1 0003.461 21. 3002. 7332 036表2面外缺陷（对称）对钢桁架拱桥承载力的影响初始缺陷比例值-安全系数大宁河大桥拱顶竖向位移/m 拱顶横向位移/m安全系数拱顶曜斜黄拱顶横向位S破坏形式不计缺陷3. 569 01.7340. 0002. 8832.4940.000L/4 0003. 568 81.7320. (B02. 8702.4070.051LI3 0003. 568 61.7130. 0392.

7、8602.3770.070面内正对称L/2 0003.568 61. 7060. 0592. 8572. 3690.114L! 1 0003.568 31. 6590. 1192. 7572.0470.171从表中结果可以看出，对于大宁河大桥，考虑面内初始缺陷为L/ 1000时，其恒载稳定安全系数降低了 3%;考虑面外初始缺陷为L/ 1000时，其恒载稳定安全系数几乎没有降低；对于朝天门大桥, 考虑面内初始缺陷为L/ 1000时，其恒载稳定安全系数降低了 5%;考 虑面外初始缺陷为L/ 1000时，其恒载稳定安全系数降低了 4%。总 体来看，2座桥的极限承载力对几何初始缺陷并不敏感，相对较小的

8、 初始扰动对结构承载力影响较小，设计计算时可以忽略不计.4荷载要素对承载力的影响在实际结构中，拱桥不仅仅承受恒载也要受到其它荷载的作用， 依据桥梁设计中常用的荷载形式,选取活载、温度荷载和横向风荷载 来研究其对钢桁架拱桥极限承载能力的影响。4. 1均布荷载利用均布荷载来模拟活载的不同布载形式对钢桁架拱桥极限承 载力的影响。在计算中选择了 3种布载方式，工况一：全桥均布荷载; 工况二：半侧均布荷载；工况三：半跨均布荷载。为了保证3种工况 下所加的均布荷载总量相同，工况一的均布荷载大小取为30kN/ m, 工况二和工况三取为60kN/ m。同时在计算中考虑了单倍桥梁自重的 作用，计算结果如表3所示

9、。表3均布荷载形式对钢桁架拱桥承载力的影响工况大宁河大桥安全系数朝天门大桥 拱顶竖向位移/m拱顶横向位移/m破坏形式安全系数拱顶竖向位移/m拱顶横向位移/m工况一16. 9231. 592014. 6042. 1370面内正对称工况二15. 1621. 5190. 5115.7481. 5741. 366弯扭耦合工况三：6. 9451.40928. 1721. 5130面内反对称计算结果表明，无论是面内还是面外的非对称荷载，相对于对 称荷载来说，都将大大地降低桥梁的极限承载能力。鉴于桥梁自身不 同的刚度特点，对于大宁河大桥，其面内非对称荷载产生的面内弯 矩对结构极限承载力的影响最为显著；对于朝

10、天门大桥，由于面内、 外刚度比较相近，在偏载产生的面内、外弯矩耦合作用下会导致拱桥刚度急剧减小，拱桥极限承载能力大大降低。4. 2温度荷载温度荷载是钢桥设计中需要着重考虑的因素。温度荷载的大小将 直接影响结构内力、竖向变形、水平反力等。在计算中选择5种工况, 工况一：恒载+升温60 ;工况二：恒载+升温30 ;工况三：恒 载；工况四：恒载+降温30 ;工况五：恒载+降温60。其中温度 荷载作第一个荷载步先作用于结构上，然后逐级施加恒载直至结构达 到极限承载力。计算结果如图2所示。EDCBAC工况三I I I I I _ r0 0,5 LO 1,5 2.0 2.5 10拱顶暖向位移An拱顶竖同位

11、移An(a)大宁河大桥(址朝天门大桥图2受不同温度荷载作用时荷载位移曲线计算结果表明，在进行全桥极限承载力分析中，温度荷载的作用 类似于对结构施加一定的初应力及初始变形，导致结构的刚度发生 少量的变化而影响到桥梁的极限承载能力。总之，无论有推力还是无 推力钢桁架拱桥，环境温度的升高或降低对整个桥梁的极限承载力 影响不大，当温度在60 变化时，承载力影响在7%以内。4. 3横向风荷载随着拱桥跨径的增加，拱桥在静风荷载作用下的稳定性问题也 引起了人们的关注.刘煜通过对卢浦大桥的静风稳定分析，认为随着 风速的增加,大跨度钢箱拱桥极限承载力的下降幅度越来越大。在风 速达到80m/ s时，卢浦大桥恒载+

12、满跨均布荷载作用下的极限承载 能力将减少40. 6%。根据!铁路桥涵设计基本规范（TB10002. 1-99） 中4. 4. 1条的规定，桁架拱桥横向风力的受风面积取值很大，其横 向风荷载对桥梁极限承载能力的影响亦不容忽视。为研究横向风荷载 对钢桁架拱桥极限承载能力的影响，分别取以下3种工况进行研究。 工况一：恒载；工况二：恒载+横向风荷载（风速30m/ s）;工况三: 恒载+横向风荷载（风速60m/ s）。每一种工况中横向风荷载作为 初始荷载首先作用于结构上，然后只是增加恒载直至结构破坏。计算 结果如表4所示。表4不同风荷载对钢桁架拱桥承载力的影响工况大宁河大桥朝天门大桥安全系数拱顶竖向位移

13、/m拱顶横向位移/m破坏形式安全系数拱顶竖向位移/m拱顶横向位移/m破坏形式工况一3. 5691.7340. 000面内 正对称2. 8832.4940. 000面内正对称工况二3. 566L 6990. 0492. 6642. 0870. 756弯扭耦合工况三,3. 5631.6760. 1?62.0951.9862. 932弯扭耦合从表4计算结果可以看出，横向风荷载对大宁河大桥恒载下的极 限承载能力影响较小，在风速达到60m/ s时，其承载力仅降低了 0. 2%,在设计时可以完全忽略其成桥状态下的横向静风影响。对于朝天 门大桥，横向风荷载的影响则不容忽视，在风速达到60m/ s时，其 承载

14、力降低了 27%。相对于横向初始几何缺陷而言，横向风荷载的影 响更应当引起设计者的注意。为了追踪2座钢桁架拱桥在60m/ s风 荷载作用下其恒载承载能力极限状态的破坏形式，图3中分别列出 大宁河大桥和朝天门大桥主要屈服截面在加载过程中的内力相关曲 线（My:面内；Mz :面外）。00. I 0.2 0.3 0.40 0.02 0.04 0, 06 0.08MMM/Mp（a）大宁河大桥（b）朝天门大桥从图3可以看出，随着荷载的增加，大宁河大桥主要屈服截面 的面内弯矩达到全截面塑性弯矩（My）的约0. 4倍后形成塑性铰, 迅速卸载，而面外弯矩在结构达到极限承载力时增幅也不大，可见 面外弯矩对结构的

15、承载能力并没有起到特别重要的作用。因此尽管有 60m/ s的横向风荷载作用，大宁河大桥在发生全桥的失稳破坏时， 还是以面内对称失稳为主。而对于朝天门大桥，由于横向风荷载的作 用，使其在面外产生了较大的变形，随着荷载的增加，主要屈服截 面的面内和面外弯矩都开始大幅提高，在达到最大值后同时卸载， 形成双向塑性铰。可见朝天门大桥的破坏形式是面内、面外失稳同时 发生，以弯扭耦合为主。两桥破坏形式不同的主要原因在于：大宁河 大桥的拱脚为固接，同时横向连接系及拱肋弦杆的面外刚度较大， 面外的梁柱效应并不突出,而朝天门大桥的内.外面刚度相差不大，在 横向风荷载和恒载的作用下，面内面外的梁柱效应特别显著，因此

16、发 生相互耦合的空间失稳形式，加剧了结构承载能力的降低。5结论通过对边界条件、初始状态、荷载要素等几个影响钢桁架拱桥极 限承载力的参数研究，得到以下结论：拱脚固接有助于提高上承式钢桁架拱桥的极限承载能力；对于连续钢桁拱梁组合体系，拱脚处一侧铰接、一侧滑动对提 高极限承载力更有帮助；初始几何缺陷在规范允许范围内时对钢桁架拱桥的极限承载能 力影响较小，在设计计算中可以忽略不计；不对称的均布荷载会使结构的极限承载力下降很多，设计计算 时应加以注意；侧向风荷载对于宽跨比小、横向刚度较柔的中承式钢桁架拱桥的 承载力影响不容忽视；(6)温度荷载对极限承载力的影响可以忽略。 参考文献： 1 Robert K Wen, KhaledMedallah. Elastic Stability ofDeck Type ArchBridges J. Journal of The Structural Division, 1987, 113(4): 757- 768. 2 A S Nazmy. Stability and Load Carrying Capacity ofThree Dimensional Long Span Steel Arch Bridges J . Computers &Structures, 1997