有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析
钢管混凝土拱桥的极限承载能力分析
桥作文之大跨度钢拱桥结构极限承载力分析
大跨度钢拱桥结构极限承载力分析摘要：随着拱桥跨径的不断增大，拱桥的极限承载力问题已引起了人们的广泛重视。
本文从分析理论、试验研究及极限承载力分析方面介绍拱桥结构极限承载力研究现状与发展趋势。
关键词：大跨度拱桥；承载力；分析随着拱桥跨径的不断增大，拱桥的极限承载力问题将会变得更为重要。
过去，人们对拱桥的极限承载力分析主要采用线性方法，其中具有代表性的是线性屈曲法，由于该方法未考虑结构非线性和结构“初始缺陷”的影响，因此，仅适用于较理想的结构。
随着计算机的日益发展和广泛应用，非线性有限元分析方法不断兴起，并逐渐成为结构极限承载力分析中强有力的工具。
由于结构材料非线性的复杂性，目前缺乏相应的分析软件，精确考虑结构几何非线性和材料非线性的方法在拱桥极限承载力分析中一直未得到应用。
此外，我国对拱桥极限承载力的研究主要集中在钢筋混凝土拱、钢桁架拱以及钢管混凝土拱，对大跨度钢拱桥极限承载力分析研究较少。
然而，随着国民经济的迅速发展，拱桥跨度的不断增大，开展对大跨度钢拱桥极限承载力的研究已势在必行。
1 现状1.1 分析理论和方法现状人们对拱桥结构极限承载力的认识是与其计算理论的发展紧密相连的。
早期的拱桥极限承载力理论为线弹性理论，该理论是首先假定结构的不同失稳模态，建立起相应的屈曲平衡微分方程，然后求解得到结构的极限荷载或者是通过求解特征值的方法计算出相应的屈曲临界荷载，因此，该理论属于第一类稳定理论的范畴。
随着拱桥跨径的增大，人们逐渐发现采用线弹性理论会过高地估计结构的承载能力，是偏于不安全的。
因此，建立了拱桥结构极限承载力分析的挠度理论，该理论是建立在结构第二类稳定的基础上，考虑了结构几何非线性对极限荷载的影响。
随后，更为精确的弹塑性分析理论被建立起来，并被运用到拱桥结构极限承载力分析中去。
由于该理论综合考虑了结构几何、材料非线性的影响，因此，采用该理论计算出的临界荷载能较真实地反映结构的承载能力。
拱桥极限承载力理论的发展离不开其分析方法的发展。
刚构拱桥极限承载力分析
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
·2 ·
山 第 30
200
卷 第 20 4年10
期 月
西
建
筑
是梁单元 。
3. 2 材料模型
1) 素混凝土 、钢管混凝土和拱的缀板假定为多线性等向强化 材料 (Von Mises 屈服准则) 。
素混凝土密度 :ρ= 2. 625 t/ m3 ;素混凝土泊松比 :μs = 0. 16 ; 钢材密度 :ρ= 7. 85 t/ m3 。
目前土木工程中常采用大型通用有限元软件建立工程结构 的有限元模型并进行计算分析 ,如果模型能尽可能地反映实际情 况 ,建模时单元的选择 、结构的简化和模拟 、约束条件和荷载的施 加以及材料的确定都得到充分的考虑 ,则计算结果更接近工程实 际情况 ,能更好地进行结构分析以及方案的选取 。
现分析以某 110 m + 2 ×300 m + 110 m 跨度刚构拱桥为例 , 采用有限元软件 ANSYS 建立全桥有限元模型 ,对该桥在两种荷 载工况下进行极限承载力分析 。由于结构在承受极限荷载时有 很大变形 ,变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应 ,分析 中考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题 。由于加载历 史 (如在弹塑性影响状况下) 、环境状况 (如温度) 、加载的时间总 量 (如在蠕变响应状况下) 等因素影响材料的应力应变性质 ,使材 料呈现非线性的应力应变关系 ,很可能导致结构的非线性响应 , 分析中考虑材料非线性 。具体而言就是在 ANSYS 求解选项中进 行几何非线性和材料非线性设定 。本分析在 ANSYS 求解选项中 采用弧长法来求解非线性方程组 ,弧长法求解不仅速度快 ,而且 稳定性好 (平衡收敛) 。
几何初始缺陷对斜拉扣挂法施工的钢管混凝土拱桥稳定影响分析
收 稿 日期 ：０７—１ — ９； 回 日期 ：０ ７一ｌ ２０ １ ０ 修 ２０ ２—２ ０ 作者简介 ： 李桂 玲 （９ ９ ） 女 ， 理 工 程 师 ， 业 于 石 家 庄 铁 道 学 院 ， １７ 一 ， 助 毕 工学硕士。
凝 固 ， 线部 分 为前 几 个 阶 段 浇 筑 的混 凝 土 ， 斜 已经 凝
图 １ 东莞水道特大桥 （ 单位 ： ｍ）
已经 凝 固 ， 高 了拱肋 的刚 度 ， 提 而本 阶段浇筑 的混 凝土
尚未凝 固 ， 只作为 荷载施 加 到拱肋 上 ， 并没 有提 高拱肋
刚度 。 图 ２所示 网格 部分 为本 阶段 浇 筑 的混 凝 土 ， 未
徊羽 Ｉ ｌｌ － Ｉ 腹 管 板 ｌ ｌ Ｉ ＿ ｉ ｌ
—
且
．
～
＝
Ｂ３ ＋Ｂｚ ＝Ｂ￣
ｅ
—
Ｃ＝ ＋ ３ Ｃ１ Ｇ
图 ３ 几 何 初 始 缺 陷 工况
２ ０ｍ， ８ 计算 跨径 为 ２ １５ｍ， ７ ． 计算 矢 高为 ５ ． 计 算 ４ ３ｍ，
矢 跨 比为 １５ ／ 。两条 主拱拱 肋 间在 拱 顶 处设 １道 平行
风 撑 ， 顶两 边共设 １ 拱 ２道 Ｋ形 风 撑 。 ４ 有 限 元 模 型
《 路桥 涵施 工 技 术 规 范 》 Ｊ Ｊ４ — ２ ０ ） 公 （ Ｔ０ １ ０ ０ 规定 ，
钢管混 凝 土拱肋 线形 的安 装 偏 差侧 向 ≤Ｌ ４０ ０ 竖 向 ／ ０ ，
≤Ｌ ３ ０ 。 以此算 得 东 莞 大桥 的初 始 偏 位 规 范值 为 ／ ０ ０
倾 向 ７ ｍ， 向 ９ ｍ。 ０ ０ｍ 竖 ３ｍ ３ 几何 初始缺 陷情 况
大跨度钢管混凝土系杆拱桥极限承载力分析
程结 构设计取 用的临界荷载。
． Ｊ 早期拱桥极限承载力 的分析采用线 弹性理论 ， 中具 有代表 １ ２ 几何 非线性 分析 其 该方法的前提是假 定结 构材料为线弹性 的 ， 对大跨 度结构 针 性的是弹性屈 曲法 ， 弹性屈 曲分析 是将 拱桥理想 化为仅受 轴 向压
质 灾害与防治学报 ，０４，５ ３ ：３８ ． ２ ０ １ （ ） ８ —７
［ ］ 黎 良盎 ， 鸡直， ３ 钱 李树剐． 断层 突水机理 分析 ［ ］ 煤炭 学报 ， ［ ］ 张运标 ． Ｊ． ８ 深埋复杂岩溶 区地质 灾害分析 与治理 ［ ］ 中 国地 Ｊ．
１９ ，１ ２ ：１ —２ ． ９６ ２ （ ） １９１３
大 跨 度 钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 极 限 承 载 力 分 析
黄
摘
峰 章芳芳
（． １ 中国市政工程中南设计研 究总院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ； ２ 武汉科技大学城市学院土木系 ， ３０ ４ ． 湖北 武汉 ４ ０ ８ ） ３０ ３
要 ： 用线弹性 、 采 几何 非线性、 双重非线性三种方法 ， 大跨 度钢管混凝土 系杆拱桥极 限承载 力进 行 了分 析 ， 讨论套 箍效应 对 并
［ ］ 岩 土工程 学报 ，９５ １ （ ）５ —２ Ｊ． １９ ，７ ６ ：５６ ． ［ ］ 白明洲 ， 兆义， ２ 许 王
１ ６． ２
［ ］ 邓仁 清． ６ 高压富水隧道注浆堵 水施 工技术 及应 用［ ］ 地 下 Ｊ．
空间与工程 学报 ，０６ ２ ２ ：６ －６ ． ２ ０ ， （ ） ２ ３２ ７
在弹性极限阶段 ， 对结构 建立平衡方程 ： （ ］＋ ］ ｛ ８ ＝ ［ Ａ［ ） Ａ ｝ ０ 其 中， ］ 弹性 刚度矩 阵 ； ］ ［ 为 ［ 为几何 刚度矩 阵； Ａ为结构
系杆拱桥力学性能分析
系杆拱桥力学性能分析姓名：翟硕学号：73 专业:机电系杆拱桥作为拱桥家族中的一员，具有拱桥的一般特征，又有自身的独有特点。
它是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，可以充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用。
一、拱形形状系杆拱桥通过细杆与桥体相连，减少桥体由于自重而产生的变形，增加桥体承重能力。
通过合理的设计拱形形状可以使每根细杆所受应力相同，达到最大承重的效果。
如图2所示，为系杆拱桥的简图。
L为桥拱的跨度。
图 2图 1由于桥体重力分布均匀，而每根细杆给桥体力相同，因此可以认为桥体受到均匀载荷q。
受力分析如图3所示。
图 3两只支脚所受力F=qq2⁄在桥面上任意一点所受到的弯矩M=qq(q−q)2假设挠度为ω，转角为θ。
q2q qq =q qqθ=qqqq =∫qqqqq+q解得ω=−qq24qq(q3−2qq2+q3)由胡克定律，每根杆所受应力σ=E qq q其中Δy=−ω由此可知，桥拱形状y=qq24qq(q3−2qq2+q3)当x=q2时，q qqq=5qq 4384qq 二、桥拱简单强度计算对桥拱受力分析，如图4所示图 4其中q 1是桥拱受系杆拉力所等效的均匀载荷，F与q q 分别为桥体给桥拱垂直与水平方向的拉力。
由于桥拱垂直方向受力平衡，故 F =q 1q2在A 点列桥拱右部分力矩平衡q q ∗q qqq +∫q 1qqqq 2⁄0=q ∗q /2解得 q q =48q 1qq5qq 在（x,y ）点处受到的力矩为Mq q ∗q +∫q 1qqq q=q ∗q +q解得 M =q 1(4q 4−8qq 3+5q 2q 2−q 3q )10q 2当 x=(12±√24)q 时， q qqq=−q 1q 2160假设桥拱截面形状为圆形，直径为d 则桥拱所受最大正应力 q 1qqq=q qqq q=q 1q 25qq3三、桥体简单强度计算对进行桥体受力分析，如图5所示图 5假设桥体截面为宽度为b，厚度为c的正方形。
大跨度钢管砼拱桥考虑初始几何缺陷对极限承载力影响的计算机模拟
代 ， 每个 载 荷增 量 步 达到 平衡 ， 使 是一 种用 于 得到 不稳 定 或 负刚 度 矩 阵 问题 的数 值 稳 定 解 的 方 法． 以 可
求 解 不带 突 然歧点 的平滑 响应 问题 ， 因此 也 适合 模拟 肋拱 的受力 全过 程 ．
弧长 法 是引入 载荷 因子 （ ＜ １ ， 一１ ＜ ） 可在 Ｎｅ ｏ — ａ ｈ ｏ ｗｔｎ Ｒ ｐ ｓ ｎ方 法 中对 载 荷 与 位移 同时 求 解 ， 它借 助 一条 圆弧 将 载荷 因子 增 量 △ 和 位移 增 量 △ 联 系起 来 ， 制 Ｎｅ ｏ — ａ ｈ ｏ 强 ｗｔｎ Ｒ ｐ ｓｎ迭代 沿 着 平 衡 路 径相
２ 分 析 实 例
２ １ 工 程 概 况 ．
南 宁市永 和大桥 主桥 为单 跨Ｌ一３ ８ 下承 式钢 管混 凝 土桁拱 桥 （ 图１ ， ３ ｍ 见 ） 桥面 宽３ 为 四车道城 ５ｍ，
１ １ 力学 模型 ．
钢 管结 构相贯 节 点和 内加 劲 节点 的 变形具 有 大挠 度 、 应 变 的特 点 ， 小 应用 仿 真技 术 模 拟其 极 限承 载
力 应 考虑结 构 的几何 非线 性 和材 料 非线 性 的 双重 效应 ， 照 双重 非 线 性理 论 模 拟 钢 管 结 构 相贯 节 点 和 按
明 显 的 ， 实 际 工 程 中 应 予 以重 视 ． 在
关 键 词 ： 管 混 凝 土 ； 桥 ； 限 承 载 力 ； 始 几 何 缺 陷 钢 拱 极 初
中 图 分 类 号 ： Ｕ３ １ Ｔ １ 文献标识码 ： Ａ
钢管混 凝 土应 用 于拱 桥 ， 同时解 决 了拱 桥材 料 高强化 和 拱圈 施工 轻 型 化 的两 大 问题 ［ 使 得 拱 桥 的 ，
有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析
关键 词 ： 凝 土 系 杆 拱 桥 ； 限 承 载 力 ； 何 非 线 性 ； 料 非 线 性 ； 始几 何 缺 陷 混 极 几 材 初
中图分类号 ： ４．２ Ｕ４ ８ ２ ５ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６７ ３ （ ０ ０ ０ －０ ４ ０ １ ０ — ９ ０ ２ １ ） １０ ５ — ６
劲梁 、 撑 以及立 柱 采用 空间 梁单 元模 拟 ； 横 吊杆 以及 系杆 采 用 空 间杆 单 元模 拟 ． 基 采 用 空 间 杆单 元 及 桩 阻尼 弹簧单 元模 拟． 文 中考 虑地 面下 桩基 和上 部结 构 共 同受 力 ． 底 进行 固端 约 束 ， 面线 处 的桩 周 本 桩 地
摘
要 分别采用线 弹性分析方法 、 几何非线性分 析方 法、 材料非线性分 析方法及 双重非线性 （ 几何非线性和
材料 非线 性 ） 四种 不 同分 析 方 法 对 某 系 杆 拱 桥 进 行 极 限 承 载 力 分 析 ． 过 比较 四种 方 法 的分 析 结 果 ， 究 非 线 通 研 性 对 于分 析 结 果 的 影 响 ． 用 考 虑 双 重 非 线 性 的 分 析 方 法 对 存 在 初 始 缺 陷 的 系 杆 拱 桥 进 行 极 限 承 载 力 分 析 ． 采 结 果 表 明 ： 类 拱 桥 应 以双 重 非 线 性 分 析 方 法 进 行 极 限 承 载 力 分 析 计 算 ； 内 初 始 几 何 缺 陷 对 极 限 承 载 力 的 此 面
图 ２ 三维有 限元模 型局 部放 大 图
Ｆｉ ｇ．２ Ｐａ ｔ ｌｅ ｌ ｒ ｅ ｅ ａ ｌｏ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｒｉ ｎ ａ ｇ ｄ ｄ ｔ ｉ ｆｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓ ｏ ａ ａ
ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｄ ｌ ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍｏ ｅ
系杆拱桥常见质量问题分析及养护措施
系杆拱桥常见质量问题分析及养护措施作者：傅钢来源：《科技创新导报》 2013年第29期傅钢（江苏高速公路工程养护有限公司江苏淮安 223005）摘要：该文根据某地方公路北橙子河大桥系杆拱桥病害情况，结合某高速京杭运河特大桥系杆拱桥实际情况，对吊杆采用了多重防水处理技术，初步实现了预期效果。
关键词：系杆拱桥质量问题分析应用中图分类号：TU375文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)10(b)-0071-012012年，本人在某地方公路北橙子河大桥系杆拱桥更换吊杆项目进行了参观学习，目睹了如何更换吊杆情况，其中印象最深刻的是：本桥的安全隐患竟是原有吊杆多处带预应力的钢绞线连接片出现松动或滑落。
1 某地方公路北橙子河大桥系杆拱桥质量问题原因分析针对该桥安全隐患情况，我个人认为该桥系杆拱桥质量问题责任不在施工方，而在交工后的管理方，管理方在营运期间，未实行必要的养护是本桥梁安全隐患出现的关键！1.1 本桥的质量问题不在施工方的原因(1)施工单位或生产厂家钢绞线连接片占用项目的成本很小，安全质量成本却很高，一般来说，不会出现质量问题（规范要求1批钢绞线连接片3%以内合格，才算合格品，否则将报废）。
(2)钢绞线张拉实行应力、应变双控，钢绞线连接片如出现松动或滑落,作为桥梁施工单位不会对此重大安全质量问题熟视无睹的。
(3)施工期间，施工单位、监理单位现场人员对于本桥出现钢绞线连接片如此之多的松动或滑落现象不会无所发现或警示。
1.2 本桥的质量问题在营运期间的管理方的原因(1)吊杆锚头防水层易出现老化失效，对于聚氨酯类防水层一般3～5年就会失效，容易产生钢构件的积水锈蚀。
(2)钢构件在积水锈蚀情况下，特别是高应力条件下，连接片及其接触的钢绞线会加剧锈蚀，进而产生松动甚至滑落。
众所周知，钢绞线及其连接片在高应力情况下，对水、水汽十分敏感，在锚头防水（一般采用聚氨酯防水的老化寿命很短）存在缺陷的情况下，如同骆驼身上最后根稻草，更是加速其锈蚀速度，锈胀加上应力集中，使得连接片及其接触的钢绞线出现松动甚至滑落。
系杆拱桥结构受力分析
系杆拱桥结构受力分析作者：***来源：《中国水运》2021年第12期摘要：系杆拱桥兼具拱桥的跨越能力和简支梁桥对地质基础的适应能力的优点，故而广泛应用于国内外的桥梁建设。
本文以某系杆拱桥为研究背景，用有限元软件Midas/Civil对桥梁进行模拟，分析其吊杆和拱肋结构受力，得出以下结论：（1）恒载引起吊杆和拱肋的内力比活载较大;（2）在恒载和活载作用下，拱肋在拱脚处弯矩较大;（3）对于有纵坡的系杆拱桥，其纵向的不对称性会对拱肋弯矩产生影响。
研究结果可为同类桥梁设计与后期加固提供参考依据。
关键词：系杆拱桥;Midas/civil;受力分析中图分类号：U448.22+5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）12-0151-03系杆拱桥是主要由拱肋、吊杆和系梁组成的一种复合结构体系，因其内部超静定外部简支的受力特性，故兼具有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强两大特点。
当桥面高程受到严格限制而桥下又要求有较大的净空，或当墩台基础地质条件不佳但又要保证较大跨径时，系杆拱桥是一种较优越的桥型[1-4]。
由于系杆拱桥设计和施工技术逐渐趋于成熟，在许多城市建设和公路修建上得到大量运用，如广州南沙凤凰三桥、扬州大运河桥等，均为系杆拱桥结构[5-6]。
但随着时间推移，许多系杆拱桥均存在服役过久，使用负荷较大现象，而且当时设计和施工技术不完善，导致目前部分系杆拱桥仍存在许多问题，如出现裂缝，变形等病害，甚至直接发生倒塌，危及人民生命财产安全[7-8]。
为减少此类情况发生，笔者以某系杆拱桥为研究背景，以此桥的受力情况分析其内力作用机理。
具体方法为，使用有限元软件Midas/Civil 对桥梁进行数值模拟，以软件模型模拟桥梁真实受力情况，并读取其各部件在荷载作用下的内力情况，分析其吊杆和拱肋结构受力，本文研究结果可在同类桥梁设计以及后期加固过程中提供一定的参考依据。
1工程概况桥梁全长179米，全宽40米，按整幅桥设计。
钢管混凝土系杆拱桥拱脚结点受力分析的开题报告
钢管混凝土系杆拱桥拱脚结点受力分析的开题报告
一、研究背景
钢管混凝土系杆拱桥是近年来在拱桥领域发展较快的一项技术，它是将钢管作为主结构，混凝土填充于钢管内，再通过系杆进行受力传递的一种桥梁结构，具有自重轻、刚度大等优点。
然而，钢管混凝土系杆拱桥的拱脚结点是整座桥梁的关键部位，应力集中，易发生开裂、变形等问题，因此对拱脚结点受力的研究显得尤为重要。
二、研究目的
本文旨在对钢管混凝土系杆拱桥拱脚结点受力进行分析研究，揭示其内部力学机制，明确其强度破坏机制及受外载荷作用下的变形情况，为拱桥结构的设计、施工和维护提供参考。
三、研究内容
本文将采用数值模拟的方法，利用有限元软件ANSYS对钢管混凝土系杆拱桥拱脚结点进行受力分析研究，具体研究内容包括：
1. 桥梁结构及拱脚结点的建模：根据实际工程所建的钢管混凝土系杆拱桥进行三维建模，将拱脚结点处的系杆、钢管和混凝土等材料分别建立为单元模型，确定初始边界条件。
2. 静态分析：对钢管混凝土系杆拱桥进行静态分析，分别分析单、双向车道的情况下，拱脚结点的受力状态及变形情况。
3. 动态分析：模拟不同荷载下的拱脚结点响应，分析其动态特性，识别结构共振和动态稳定等问题。
4. 建议及结论：根据分析结果，提出针对拱脚结点受力的改进建议，并对此类拱桥的设计、施工和维护进行可行性评估。
四、研究意义
钢管混凝土系杆拱桥作为一种新型桥梁结构，已经得到了广泛应用。
本文将对拱脚结点受力进行深入的分析研究，将对其结构设计、施工以及后期的维护提供重要的技术支持。
同时，本文的研究成果可为其他类似桥梁结构提供经验和借鉴。
探讨钢管混凝土拱桥的稳定性及极限承载力
探讨钢管混凝土拱桥的稳定性及极限承载力一直以来，在公路和城市桥梁的建设过程中，钢管混凝土拱桥都因其具有造型优美、跨越能力大、工程造价低、以及维修养护费用少等显著特点而被广泛的应用。
然而，钢管混凝土拱桥也具有一定的局限性，尤其是应用于大跨度钢管混凝土拱桥中时，由于其宽跨小，且刚度弱，所以非常容易出现不稳定现象，或超出极限承载力的现象。
鉴于此，本文运用了有限单元法建立了相应的计算模型，以此为基础，分析了钢管混凝土拱桥的失稳模态和临界荷载，以期为更好地设计钢管混凝土拱桥贡献一份力量。
标签：钢管混凝土；拱桥；稳定性；极限承载力0 前言随着科技的不断发展和进步，尤其是计算机技术的发展，将其应用于桥梁结构工程中，不仅有助于缩减劳动力成本，而且还有助与提高效率和精确度。
其中，有限元技术就是计算机应用于桥梁结构工程中的一种现代计算方法[1]。
钢管混凝土拱桥结构稳定性问题即结构失稳，主要是指其在外界干扰的影响下，导致结构变形、破坏，进而丧失承载能力的问题。
从空间形态上可以分为面内失稳、和面外失稳；从性质上可以分为一类稳定（也称分支点失稳）和二类稳定（也称极值点失稳）。
然而，无论是哪一类失稳问题，其所导致的危害都是非常严重的。
同时，拱桥作为一种压弯结构，其所能承受的极限承载力也是工程师最为关心的问题。
鉴于此，本文从以下两个方面进行了论述。
1 计算模型1.1 研究对象本文以某钢管混凝土拱桥下承式系杆拱桥为研究对象，其主桥的计算跨径为150m。
拱肋主要是钢管混凝土桁肋，桥面主要是以预应力钢箱空心板组合为结构，桥墩所采用的则是钢管混凝土土柱。
1.2 材料参数钢管混凝土拱桥所采用的材料参数为：①拱肋内砼（C50），弹性模量35GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；②桥面板部分（C30），弹性模量30GPa，泊松比0.167，材料密度2500kg/m3；③吊杆部分，弹性模量195GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3；④钢材部分，弹性模量210GPa，泊松比0.3，材料密度7800kg/m3。
500m级钢管混凝土拱桥极限承载力分析
500m级钢管混凝土拱桥极限承载力分析
钢管混凝土拱桥具有力学性能好,施工方便快捷,经济效益高,造型独特优美等诸多优点,使得其近三十年来在我国桥梁事业得到了广泛的应用和发展。
对于大跨度钢管混凝土拱桥,其宽跨比较小,横向刚度较弱,导致稳定问题比较突出,因此对施工阶段和成桥状态下的稳定极限承载力分析具有重要的理论意义和实用价值。
本文在论述钢管混凝土的力学性能和拱桥极限承载力分析的相关理论的基础上,以合江长江一桥为工程背景,采用Midas/civil 2017程序建立有限元计算模型,开展500米级钢管混凝土拱桥在施工阶段和成桥状态的极限承载力分析。
主要研究内容如下:首先通过弹性屈曲分析得到第一类稳定安全系数及失稳模态,通过非线性分析分别得到计入几何非线性效应、材料非线性效应和双重非线性效应的结构的稳定安全系数,并将四种稳定安全系数进行对比分析。
然后采用塑性铰法,研究在钢管混凝土拱结构在受力全过程中,塑性铰的出铰位置和顺序。
并针对其出铰位置和顺序,优化钢管混凝土截面布置形式。
最后采用控制变量法进行静力弹塑性分析,研究了混凝土强度、钢管强度、含钢率、横撑的数量及布置情况和拱轴系数对钢管混凝土拱结构极限承载力的影响。
下承式刚性系杆拱桥拱座结点受力特点分析
下承式刚性系杆拱桥拱座结点受力特点分析刘国光;刘群;潘哲;朱宗景;聂利英【摘要】拱座开裂是拱桥经常出现的病害之一.以某下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥为工程背景,探讨了刚性系杆钢管混凝土拱桥拱座微小转动对于此类拱桥拱座处内力的影响,由分析可知:拱座的微小自由转动会造成拱脚、系杆端头弯矩大的改变,即拱座结点受力对微小自由转动敏感.在现实的桥梁中施工初始安装、运营期间的重车过桥,尤其是过桥头伸缩缝时的冲击作用等均有可能带来拱座设计中未能考虑到的微小的自由转动.拱座受力对此微小转动的敏感性,很可能是下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥拱座开裂的重要因素之一.%Arch abutments cracking is a common disease of the arch bridge. With a concrete filled steel tube such arch bridge as the engineering background, the influence of small rotation of arch abutments of concrete filled steel tube such arch bridge in internal force of arch abutment is analyzed, with the analysis, small free rotation of the arch abutments will greatly influent the bending moment of arch spring section and the head section of tie bar, also is forces of arch abutment are sensitive of tiny rotation of arch abutments. In actual, initial installation in construction , Heavy vehicle across, especially the impact on the bridge when the vehicle through expansion joint on the head of the bridge will probably bring small free rotation of the arch abutments which unexpected in design programs. So, sensitive of tiny rotation of arch abutments in forces of arch abutments are probably the causes of cracking of arch abutments of concrete filled steel tube such arch bridge.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)012【总页数】5页(P3327-3330,3336)【关键词】下承式刚性系杆拱桥;拱座转动;拱座开裂【作者】刘国光;刘群;潘哲;朱宗景;聂利英【作者单位】河海大学土木与交通学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】U441.5拱桥是我国桥梁建设中常用的桥型。
具有初始几何缺陷的混凝土拱稳定性分析
螳 缺 稳 系 无 陷冀 学趔 定数
邋
无 风 稳 定 系 数
缺陷 缺陷系 类型 数 １ — ０ 无缺陷
１ ２ ３
Ｏ 。 “０ ％ １
。
同类缺陷
有风 比无风稳定系数的下降百分率 ＝
１ １ 拱 肋的参 数 ．
１ 拱肋的基 本参数 ： 算跨 径 ｌ ３ 混凝 土强 度等 级 ： ） 计 ：１０ｍ； Ｃ ０ 混凝 土强度设计值 ：８ ４ＭＰ ｄ 松 比： ４； １ ． ａ ｆ ｌ ＝０ １７ 混凝 土的弹 ．６ ； 性模量 ：．５ ０ ３ ２ ×１ ＭＰ ； ａ 面内抗 弯刚度 ： ＝５ ３４×１ ｍ Ｎ・ ； 口 ．０ ０ ｍ２ 面外抗 弯刚度 ： ＝５ ３ ４×１ 加Ｎ・ ； Ｅ ， ．０ ０ ｍ２ 抗扭 刚度 ： １ ＝２ ３ Ｇ ．４
维普资讯
第３ ４卷 第 ５期
・
１６ ・ ２
２００８年 ２月
山 西 建 筑
Ｓ ＡＮＸＩ ＡＲＣＨ Ｉ Ｈ ＴＥ（１ＵＲＥ 、＂
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ５ １３ ． Ｆｅ ２ ８ ｂ． ００
文 章 编 号 ：０ ９６ ２ （０ ８０ —１６０ １０ —８ ５ ２ ０ ）５０ ２ —２
１ Ｎ・ １ ００ ｎ２ 。
×１０ ０％
“
表 １ 矢高 １ ．５ｍ稳定系数分析 比较 ６２
无风稳定 稳定 下降 系数 百分率／ ％ ５０５ １
４８３ ６ ４． ２ ７４ ４５６ ９
十年一遇风稳定
稳定 下 降 有风 比无风 系数 百分率／ 下降百分率／ ％ ％ ４６６ ２
对 于 每 种 桥 型 ， 考 虑 ｒ为 １ １ ０ ， ／００ ０ ３ １ ０ ， 均 ／０ ００ ２ １ ０ ， ／００ ０
极限承载力 初始缺陷的问题
大家好！我在研究一座钢桁拱桥的极限承载力，按前人的经验，先做个特征值屈曲分析，找到屈曲模态，然后根据屈曲模态对模型施加几何缺陷，再在此基础上考虑几何、材料非线性进行非线性分析，求得它的荷载位移曲线。
但现在的问题是它的前n阶模态都是局部屈曲，就找不到拱内屈曲、拱外侧倾屈曲模态，不知道这种情况下缺陷怎么施加呢？没办法了，我建模时就让它考虑几何缺陷，将某些节点的位置偏移一些，这样可以吗？有人这样做过没？结果可靠度怎么样？另一个问题：我要得到荷载位移曲线，在post26中将位移定为横坐标，荷载为纵坐标，但表示荷载的变量怎样定义呢？不能直接用施加的荷载P，见很多例子用支反力，但当模型有很多支座，以一个支座的反力来作为变量，这在荷载递增过程中和P的关系不一定是线性的吧？若果以总和为变量，又显得太麻烦。
我一直以TIME作为变量，TIME值设置为活载施加的倍数，但当在下降段时，这会不会有什么问题呢？没考虑清楚，因为还做出来理想的结果。
希望大家指教。
我的模型是完全按设计书来的，我的任务只是分析它的特性，没有修改设计的必要吧。
在现有条件下，此桥的特征值屈曲分析前13阶都是局部的，在14阶出现整体侧倾屈曲模态，我做非线性屈曲分析，将缺陷引入，是将1th还是13th引入呢？不知道在特征值屈曲分析中得到的局部屈曲，是否代表模型失去了整体承载能力？首先感谢大家！我用1th时，做几何非线性分析时，荷载可以加载到超过第一特征值，这是不是代表结构到达1th的屈曲模态时时仍然可以承载的呢？还有就是我的分析总得不到荷载--位移曲线的下降段，首先用一段弧长法的命令在一裸拱上实现了非线性分析，可以得到很好的跳跃屈曲曲线，就是倒S型的，然后同样的命令流用在此桥上，分析总是曲线接近水平时出现迭代不收敛的警告而使分析终止。
不知道是弧长法在应用在大型结构上有什么讲究没有？具体设置会是怎样的才保证收敛呢？还是根据桥型的具体情况，有些桥就是没有下降段的，到了某一荷载就崩溃了，那样的话，出现迭代不收敛的时候就能说明是达到了极限承载力吗？涉足较浅，经验不足。
系杆拱桥力学性能分析
系杆拱桥力学性能分析姓名：翟硕学号：3120100873 专业:机电系杆拱桥作为拱桥家族中的一员，具有拱桥的一般特征，又有自身的独有特点。
它是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，可以充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用。
一、拱形形状系杆拱桥通过细杆与桥体相连，减少桥体由于自重而产生的变形，增加桥体承重能力。
通过合理的设计拱形形状可以使每根细杆所受应力相同，达到最大承重的效果。
如图2所示，为系杆拱桥的简图。
L为桥拱的跨度。
图2图1由于桥体重力分布均匀，而每根细杆给桥体力相同，因此可以认为桥体受到均匀载荷q。
受力分析如图3所示。
图3两只支脚所受力F=qL2⁄在桥面上任意一点所受到的弯矩M=qx(L−x)2假设挠度为ω，转角为θ。
d2ωdx2=M EIθ=dωdx =∫MEIdx+C解得ω=−qx24EI(L3−2Lx2+x3)由胡克定律，每根杆所受应力σ=E Δy y其中Δy=−ω由此可知，桥拱形状y=qx24σI(L3−2Lx2+x3)当x=L2时，y max=5qL4 384σI二、桥拱简单强度计算对桥拱受力分析，如图4所示图 4其中q 1是桥拱受系杆拉力所等效的均匀载荷，F 与F N 分别为桥体给桥拱垂直与水平方向的拉力。
由于桥拱垂直方向受力平衡，故 F =q 1L 2在A 点列桥拱右部分力矩平衡F N ∗y max +∫q 1xdx L 2⁄=F ∗L/2解得 F N=48q 1σI5qL2 在（x,y ）点处受到的力矩为MF N ∗y +∫q 1xdx x=F ∗x +M解得 M =q 1(4x 4−8Lx 3+5L 2x 2−L 3x)10L 2当 x=(12±√24)L 时， M max =−q 1L 2160假设桥拱截面形状为圆形，直径为d 则桥拱所受最大正应力 σ1max=M max W=q 1L 25πd 3三、桥体简单强度计算对进行桥体受力分析，如图5所示图5假设桥体截面为宽度为b，厚度为c的正方形。
钢管混凝土肋拱桥极限承载力分析
（）拉坏型 ， 区柱肢抗拉承载力控制的截面强 ２ 拉
度 屈 服条件 ：
一
钢管混凝土可直接用轴心受压组合本构关系。钢管混 凝 土具有 良好的塑性 和韧性 ，近似假定钢管混凝土截 面 的应 变为最 大屈 服压 拉应 变时 的承载能 力为极 限承 载 力 ，以此建 立拱 桥 某截面 的强 度屈 服条 件 。 钢管 混凝 土 的轴 压承载 能 力 和轴 拉承 载能 力不相 等 ，因此 ，由钢管混凝土组成的格构式压弯构件在轴 力 Ⅳ和弯矩 联合作用下的破坏形式将有两种 （）压坏 型 ，压 区柱肢 抗压 承 载力控 制 的截面 强 １
度屈 服条件 ：
Ｎ Ｍ ．
Ｎ Ｍ ．
以 。 、％ 表示 的格构柱 拉坏 型 的屈服 条件 为
Ⅳ
一
村 ．
如 图 ２所示 Ⅱ 一Ⅱ直线 。 以上式 中 （ ｓ Ｎ ）分 别为格构式 压弯 （ 弯） 拉 构件 的整 体轴 压 （ 拉 ）承 载 力 ；Ｍｏ （ 。 轴 ）分 别 为
＞ 、Ｊ 挂 ＼
¨ 、
图２ Ｍ—Ｎ相关 曲线示意
２ 格构 式 钢 管混凝 土拱肋 的屈服条 件 拱肋 格构 式钢 管混 凝 土截面 如 图 １ 所示 。
求得载荷 是真实极限载荷 Ｐ 的下限 ，即 Ｐ Ｐ 。 ｜ 。 ，
＊ 收 稿 日期 ：２０ｌ ２２ ９ ＿ ．２ １
文章 编 号 ：１０ —７ ９ ２ ０ ）０ ０ １ —０ ０ １ ２ １（０ ２ ２— ０ ３ ４
文 献标 识码 ：Ｂ
钢管混凝土肋拱桥极限承 载力分 析
● 陈 荣刚 ● 郑振 飞 （ 州京福 高速 公 路有 限公 司 福 州 ３０ ０ ） 福 ５０２ （ 州 大学 土木 建筑 工程 学院 福 福 州 ３０ ０ ） ５０２ 摘 要 ：应 用极 限平衡 理论 建 立 了无铰拱 肋极 限分析 的线性 规划数 学模 型 ，通过 实例 分 析 了格 构式钢 管混凝 土肋拱 桥拱 肋极 限状 态时的 承栽 能 力问题 。提 出 了肋 拱桥 极 限承栽 能 力的理 论计 算 模型 ，并 对肋拱桥 的承 栽潜 力分析 进 行有 益探 索 关键 词 ：肋拱桥 ；钢管 混凝 土 ；极 限分析 ；线性规 划 ２ 纪 初 ，西 欧 、北 美 、 日本 和前 苏联 等 工 业 ０世 发 达 国家开 始在 厂房 建筑 等 土建工 程 中应用 钢管 混凝 土结 构 ，并进 行 ｒ一 系列 研 究 。我 国于 ５ ０年代 末 开 始进 行 钢 一混 凝 土 组 合 结 构 的研 究 １９ 建 造 了 ９０年 第一 座钢 管混凝 土拱 桥— — 四Ｊｌ 东河 大桥 ，此 后 Ｉ 旺苍
系杆拱桥极限承载力参数研究
系杆拱桥 是 近年来 较为 流行 的一种桥 型 ，一般 由拱 、系 杆 、 吊杆 和桥 面 系组 成 ， 由 于其 造 型 美 观 ，结 构形式 富于 变化 ，在 中等跨 度拱桥 范 围 内非 常具有 竞争力 。系杆拱 桥 的拱 脚水 平推 力通 常 由系 杆来 承担 ，因此许 多文 献将其 归 为拱桥 一类 ，和其 他形式 的拱桥 一样 ，其 稳定性 问题 一直在 设计 中起 着控制 作用 。拱桥 的稳 定性从 空 间的失稳 形 态上分
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｕｌ ｍａｅ ａ ａ ｉ ａ ａ ｙ ｉ ｉ ｒ ｃａ ｆｒ ｈ ｄ ｓｇ ｏ ｒ ｈ ｒｄ ｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｂ ｃ ｌ ｇ ｓ ｒ ｃ ： ｔ ｔ ｃ ｐ ｃｔ ｎ ｌ ｓ ｉ ｙ ｓ ｓ ｕ ｉｌ ｏ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｂ ｇ ｓ ｈ ｏ ｅ ｉ ｌ ｕ ｋ ｉ ｃ ｉ ｃ ｎ
ＬＩ Ｕ Ｄｏ ｇ ｈ ｎ ｎ －ｓ ｅ ｇ （ ｈｎ ｏ Ｃ ｉａ Ｃ ｍｍｕ ｉａｉｎ ｅ ｏ ｄ Ｈｉｈ ａ ｕｖ ｙ Ｄｅｉｎ ａ ｄ Ｒｅｅ ｒｈ Ｉｓｉ ｔ，Ｗｕ ａ ３ ０ ６，Ｃ ｉａ ｎｃ ｔ ｓ Ｓ ｃ ｎ ｇ ｗ ｙ Ｓ ｒｅ ｓｇ ｎ ｓａｃ ｎ ｔｕｅ ｏ ｔ ｈ ｎ４ ０ ５ ｈｎ ）
为面 内失稳 和面 外失稳 ．从 失稳 的受 力性 质 上可分
过去 ，人 们对拱 桥 的极 限承载 力分 析主要 采用 线 性 方法 ，其 中具有 代表 性 的是特 征值 屈 曲法 ，但 是该 方 法 未 能考 虑 到结 构 非 线 性 和初 始 缺 陷 的影 响 ，因此仅 适 用于较 理想 的拱 桥结 构 。随着 计算机 的 日益发 展和 广泛应 用 ，非线 性有 限元 方法不 断兴
关键 词 ： 系杆 拱 桥 ；极 限承 载 力 ；参数 研 究
初始缺陷对大跨径钢管混凝土拱桥稳定性的影响分析
初始缺陷对大跨径钢管混凝土拱桥稳定性的影响分析近年来，高强材料和薄壁结构被广泛应用的同时，结构刚度普遍下降，稳定性问题日益突出。
而初始缺陷对大跨径劲性骨架上承式钢管混凝土拱桥的稳定性及承载力有着不容忽视的影响。
本文以西溪河大桥为工程依托，分析了初始缺陷因素对拱桥稳定性的影响，既为该桥的顺利施工提供技术保障，又为今后同类型桥梁设计提供借鉴。
一、工程概况成贵铁路西溪河大桥主桥结构为上承式“X”型钢管混凝土拱桥，跨越深切河谷西溪河，全长493.6m，主跨240m，轨面至河面高差255.7m。
孔跨样式为(3×32.7)m钢-混结合连续梁+240m上承式钢管混凝土拱桥+(4×32.7)m钢-混结合连续梁。
拱肋横向内倾7.5°，主拱在其倾斜平面内拱轴线为悬链线，拱轴系数m=2.2，矢跨比约1/4.364，拱肋高5.7m，宽3.0m。
主拱圈采用转体法施工，连续梁采用顶推法施工。
二、有限元模型的建立（一）有限元模型参数及单元类型选取西溪河大桥拱肋全长采用等截面，由两肢Q345qd钢管和两块钢板焊接成哑铃型，内填充C50混凝土；拱趾起拱两端各53.0m范围内用两块钢板连接，内填充C50混凝土构成箱形截面。
拱肋的中部其上、下弦之间通过H型腹杆连接形成拱式桁架。
属冰盖冰臼之一，即为分布在山顶上的冰臼。
目前所发现的冰臼多数属于此种类型，有二龙·长寿山地质公园一面砬子上的著名景观“左神座”和“右神座”；七星峰地质公园内利剑峰旁的“佛印”以及朗乡花岗岩石林地质公园中倾斜或水平洞状的洞冰臼。
选用空间梁单元模拟钢桁架，壳单元模拟混凝土板。
为方便建模，桁架拱上下弦杆、腹杆及撑杆均采用BEAM188单元模拟；桁架的上下盖板及腹板中灌注混凝土，均采用SHELL181单元模拟。
为达到变形协调，桁架与盖板、腹板单元之间共用节点。
图1 全桥有限元模型（二）特征值屈曲分析结果将结构自重和ZK活载加在有限元模型上进行特征值屈曲分析，如图1所示，得到稳定安全系数及失稳模态特征，如表1所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第42卷 第1期2010年2月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J 1Xi ′an U niv.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.42 No.1Feb.2010有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析严建科1,2,吕 婷2,贺拴海1(1.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室,陕西西安710064;2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075)摘 要:分别采用线弹性分析方法、几何非线性分析方法、材料非线性分析方法及双重非线性(几何非线性和材料非线性)四种不同分析方法对某系杆拱桥进行极限承载力分析.通过比较四种方法的分析结果,研究非线性对于分析结果的影响.采用考虑双重非线性的分析方法对存在初始缺陷的系杆拱桥进行极限承载力分析.结果表明:此类拱桥应以双重非线性分析方法进行极限承载力分析计算;面内初始几何缺陷对极限承载力的影响要比面外初始几何缺陷的影响大;面外初始几何缺陷对于系杆拱桥极限承载力不会产生较大影响;我国规范所给拱肋施工允许偏差可适当放宽,同时对于轴线横向偏位的允许范围应该大于竖向偏位的允许范围.关键词:混凝土系杆拱桥;极限承载力;几何非线性;材料非线性;初始几何缺陷中图分类号:U448.22+5 文献标识码:A 文章编号:100627930(2010)0120054206 以往的设计和分析,都把结构看成是由完善构件组成的[1],但在工程实际中,结构的构件往往会在工厂加工制造、运输和现场施工安装以及使用过程中不可避免的出现一定的缺陷[8].缺陷只能加以控制,而不能完全避免.缺陷的存在将很大程度地降低敏感结构的极限承载力,因此有必要深入研究结构缺陷对系杆拱桥极限承载力的影响.本文通过具体的实桥分析,对比线弹性分析、几何非线性分析、材料非线性分析、双重非线性(同时考虑几何非线形和材料非线性)分析四种方法计算结果的差异,研究非线性对于系杆拱桥极限承载力分析的重要性;通过仿真分析,研究初始缺陷对于系杆拱桥极限承载力的影响.1 工程背景及计算模型1.1 工程背景某系杆拱桥建于1996年,主桥为钢筋混凝土中承式系杆拱桥,东岸引桥为两跨刚架拱桥,西岸引桥为一跨空心板和一跨刚架拱,桥梁总体布置为10+60+90+60+54m ,桥梁全长333.28m ,桥面宽度为净215+2×1.5m 人行道.主桥为等截面悬链线无铰拱,桥梁净跨径90m ,净矢高20m ,净矢跨比1/4.5,拱轴系数m =1.756.钢筋混凝土拱肋为高2.2m 、宽1.2m 的箱型截面,吊杆采用2×84Φs5的钢丝束,系杆采用钢筋混凝土杆.图1 系杆拱桥全桥有限元模型Fig.1 Finite element model of tiedarch bridge图2 三维有限元模型局部放大图Fig.2 Partial enlarged detail of t hree 2dimensionalfinite element model3收稿日期:2008211227 修改稿日期:2009211212基金项目:国家西部交通建设科技项目(200731881232)作者简介:严建科(19792),男,陕西眉县人,博士研究生,工程师,研究方向为在役桥梁承载力评估.1.2 计算模型全桥按照设计图纸在各类杆件连接处设置空间节点1915个,划分各类单元1153个.其中拱肋、加劲梁、横撑以及立柱采用空间梁单元模拟;吊杆以及系杆采用空间杆单元模拟.桩基采用空间杆单元及阻尼弹簧单元模拟.本文中考虑地面下桩基和上部结构共同受力.桩底进行固端约束,地面线处的桩周采用弹性约束.图1、图2为某系杆拱桥全桥有限元模型及局部放大图.2 不同分析方法计算结果对比对大桥分别采用线弹性、几何非线性、材料非线性和双重非线性的方法进行极限承载力分析.分析中考虑了恒载和活荷载的作用,其中恒载保持不变,活荷载为全桥均布,并且逐级增加.在对背景系杆拱进行极限承载力分析时,采用了如下基本假定:(1)吊杆和水平索材料(系杆)在分析中始终保持弹性,钢筋视为理想弹塑性材料.材料非线性分析中采用Von Mises 屈服准则.(2)未考虑施工过程中的应力历史对结构极限承载力的影响.(3)初始活荷载集度q 0=10kN/m ,活荷载系数λ=q 1q 0,其中:q 1为拱桥达到极限承载力时施加的活荷载集度.表1 四种不同方法计算的最大λ和拱顶最大竖向位移Tab.1 The maximal λand vertical displacement of vault node by Four met hodsAnalysis methodLinearity G eometricnonlinearity Material nonlinearityDual nonlinearityUltimate moving load coefficient λ2819.515.213.2Vertical displacement of vault node/cm36.5632.1041.1251.67图3 四种分析方法拱顶截面荷载2位移曲线比较Fig.3 Relation between moving load coefficient andvertical displacement of vault node根据分析结果,可以得到该系杆拱在四种分析方法下的荷载2位移曲线,由图3可见,在恒载和小于7倍的活荷载作用下,四种方法的荷载2位移曲线是非常接近的.图3和表1均表明,线弹性分析方法、仅考虑几何非线性的方法及仅考虑材料非线性的分析方法均会高估拱桥的极限承载力;材料非线性比几何非线性对拱桥的极限承载力影响大;只有考虑材料非线性和几何非线性的双重非线性方法,极限承载力分析才能获得准确的结果.从方法四的荷载2位移曲线可以发现,该桥从出现材料屈服,直到达到极限承载能力,具有很强的变形能力,说明该系杆拱桥具有很好的延性.3 初始缺陷对极限承载力的影响由于在制造、运输以及安装等施工环节中,拱肋将产生一定的变形,使成桥后拱轴线偏离设计轴线,即拱肋在平面内、外均存在初始的挠度.在结构自重和外荷载作用下,拱肋将产生附加的内力和变形.因此,拱桥在建造过程中不可避免的存在着初始几何缺陷.这种初始的几何缺陷具有很大的随机性,关于随机分布的初挠度的影响,目前通常有两种研究方法:一种方法是将实测得到的初挠度分布进行调和分析,然后计算极值点屈曲荷载.另一种是将随机理论的方法用于分析任意分布的初挠度对屈曲的影响,从而建立结构的屈曲荷载与初挠度谱密度之间的关系[224,728].前一种方法只能对已建成的拱桥进行分55第1期 严建科等:有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析析,且实测工作量很大;后一种方法公式推导繁杂,理论推导中往往忽略拱上建筑的作用,且未考虑下部桩基对拱结构受力的影响,因而最后得到的也不一定是最不利的失稳形式.矢量特征屈曲形状是最接近于实际屈曲模态的预测值,可以作为施加初始缺陷或扰动荷载的根据.因此,在进行结构初始几何缺陷考虑时,本文尝试采用求特征向量的方法给结构添加初始几何缺陷.表2 第一类稳定特征值Tab.2 Buckling characteristic value of type 1stabilityBuckling modalFirst stage dead load +secondstage dead load +moving loadBuckling shape First 15.160Antisymmetry in plane Second 14.060Symmetry in plane Third32.580Antisymmetry out plane3.1 特征值分析由于结构的几何刚度矩阵K σ与结构的受力状态有关,在计算时,按照一次落架计算一期恒载作用时的内力,再作用二期恒载及活荷载,由此计算得到Kσ,其中活载为荷载集度q 0=10kN/m 的全桥均布荷载.表2列出了前3阶屈曲特征值.图4～图10为恒载+二期恒载的前3阶失稳模态分析图.图4 第一阶失稳模态全桥立体图Fig.4 Three2dimensional shape oft he first buckling modal图6 第二阶失稳模态全桥立体图Fig.6 Three 2dimensional shape of t hesecond buckling modal图5 第一阶失稳模态主桥立面图Fig.5 Main bridgeelevation shape oft he first buckling modal图7 第二阶失稳模态主桥立面图Fig.7 Main bridgeelevation shape oft he second buckling modal图8 第三阶失稳模态全桥立体图Fig.8 Three 2dimensional shape oft he t hird buckling modal图9 第三阶失稳模态主桥立面图Fig.9 Main bridge elevation shape oft he t hird buckling modal图10 第三阶失稳模态主桥平面图Fig.10 Main bridge level shape oft he t hird buckling modal65 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第42卷3.2 面内几何缺陷对极限承载力的影响表3 面内初始几何缺陷对极限承载力的影响Tab.3 Ultimate load carrying capacity of t he bridge wit h different initial geometric defect s in planeWorking condition No.1No.2No.3Ultimate moving load coefficient 13.2013.0212.65Vertical displacement of vault node/cm 51.6750.1151.14 在前面已对该拱桥结构进行特征值屈曲分析,根据该拱桥在一期恒载+二期恒载+活荷载作用下的一阶特征值屈曲形状,将一阶特征值屈曲模态下拱桥数值模型各节点的竖向位移,乘以同一比例因子β后作为拱结构各节点实际坐标与理想拱轴线完善拱结构节点坐标的偏差即初始竖向偏位,其中比例因子β=缺陷幅值一阶屈曲模态拱结构最大竖向位移.建模时,拱结构各节点的实际坐标=理想拱轴线完善拱结构节点坐标+初始竖向偏位,以此来建立考虑初始面内几何缺陷的拱桥模型.具体计算分析时,采用考虑双重非线性(即同时考虑几何非线性和材料非线性)的分析方法,通过逐级加载,研究系杆拱桥的极限承载力极其规律.计算时参照相关文献[5,12],主要考虑以下三种工况,工况1:无初始缺陷;工况2:缺陷幅值取跨径L 的1/1000;工况3:缺陷幅值取跨径L 的1/500;计算结果见图11和表3.由图11、表3可知,工况2时的活荷载系数要比无初始几何缺陷时的活荷载系数降低了1.4%;而工况3时的活荷载系数比无初始几何缺陷时的活荷载系数降低了4.2%;可见,随着面内几何缺陷幅值的增加,结构的极限承载力逐渐减小.3.3 面外几何缺陷对极限承载力的影响根据前述屈曲特征值分析结果,第三阶屈曲模态为面外失稳,其平面图如图10所示.采用根据该拱桥在一期恒载+二期恒载+活荷载作用下的三阶特征值屈曲形状,将三阶特征值屈曲模态下拱桥数值模型各节点的横向向位移,乘以同一比例因子β后作为拱结构各节点实际坐标与理想拱轴线完善拱结构节点坐标的偏差即初始横向偏位,其中比例因子β=缺陷幅值三阶屈曲模态拱结构最大横向位移.建模时,拱结构各节点的实际坐标=理想拱轴线完善拱结构节点坐标+初始横向偏位,以此来建立考虑初始面外几何缺陷的拱桥模型.具体计算分析时,采用考虑双重非线性(即同时考虑几何非线性和材料非线性)的分析方法,通过逐级加载,研究系杆拱桥的极限承载力极其规律.计算时参照相关文献[5,12],主要考虑以下三种工况,工况1:无初始缺陷;工况2:缺陷幅值取跨径L 的1/1000;工况3:缺陷幅值取跨径L 的1/500;计算结果见图11和表3.图11 面内初始几何缺陷对极限承载力的影响Fig.11 Ultimate load carrying capacity of t hebridge wit h different initial geometricdefect s in plane图12 面外初始几何缺陷对极限承载力的影响Fig.12 Ultimate load carrying capacity of t hebridge wit h different initial geometricdefect s on t he out plane由图12、表4可知,工况2时的活荷载系数要比无初始几何缺陷时的活荷载系数降低了0.4%;而工况3时的活荷载系数比无初始几何缺陷时的活荷载系数降低了1.4%;可见,随着面外几何缺陷幅值75第1期 严建科等:有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析表4 面外初始几何缺陷对极限承载力的影响Tab.4 Ultimate load carrying capacity of t he bridge wit hdifferent initial geometric defect s on t he out planeWorking conditionNo.1No.2No.3Ultimate moving load coefficient 13.2013.1513.02Vertical displacement of vault node/cm51.6752.2952.93的增加,结构的极限承载力有所减小,但减小不多;面内初始几何缺陷对极限承载力的影响要比面外初始几何缺陷的影响大.3.4 拱肋施工允许偏差的讨论我国现行《公路桥涵施工技术规范》(J TJ 04122000)给出了各类拱桥施工过程中的拱轴偏差允许值如表5所示.而由文中3.3、3.4节分析可知,对于该混凝土系杆拱桥,拱轴线面内偏位L /1000时极限活荷载系数下降了1.4%;拱轴线面外偏位L /1000时极限活荷载系数下降了0.4%;可见拱轴线偏差达到L /1000时,拱桥的极限承载力下降的很小.规范中对于现浇拱圈,当跨径L >30m 时,要求内弧线偏离设计线<L /1500,肋拱轴线偏位<5mm ,明显过于保守,根据本文计算结果,当跨径L >30m 时,即使内弧线偏离设计线<L /1000时,拱桥的极限承载力将仅有微小的下降.另外,根据本文计算结果,拱轴线横向偏位对结构的影响要小于竖向偏位的影响,而规范中对于拼装拱圈轴线横向偏位的控制要明显严于竖向偏位.结合国内外相关文献[2,5,8]认为,我国现行《公路桥涵施工技术规范》(J TJ 04122000)所给拱肋施工允许偏差可适当放宽,同时对于轴线横向偏位的允许范围应该大于竖向偏位的允许范围.表5 拱圈质量检测标准Tab.5 Detection standard of arch ring Cast 2in 2place arch ring Prefabricate arch ring Item Span (L )range permissive departure/mmItemSpan (L )range permissivedeparture/mmPlate arch axis 10Arch axis departureL ≤60m 10Ribbed arch axis5out plane L >60m ±L/6000 Inner arcL ≤30m ±20Slab elevation L ≤60m ±20L >30m±L /1500of arch ringL >60m±L /15004 结 论(1)该类系杆拱桥,几何非线性效应不突出,材料非线性和弹塑性效应比较明显.(2)线弹性分析和仅考虑几何非线性均会过高的估计拱桥的极限承载力,应以双重非线性分析方法进行极限承载力分析计算.(3)面内初始几何缺陷对该类混凝土系杆拱桥的极限承载力的影响要比面外初始几何缺陷对其极限承载力的影响大.(4)面外初始几何缺陷对系杆拱桥的极限承载力不会产生较大影响.(5)《公路桥涵施工技术规范》(J TJ 04122000)所给拱肋施工允许偏差可适当放宽,同时对于轴线横向偏位的允许范围应该大于竖向偏位的允许范围.参考文献 R eferences[1] 贺拴海.桥梁结构理论与计算方法[M ].北京:人民交通出版社,2003:4502457.H E Shuan 2hai.Bridge Structur Theory and Calculation Method [M ].Beijing :China Cornmunications Press ,2003:4502457.[2] 金伟良.钢筋混凝土拱桥的极限承载力[J ].浙江大学学报,1997,31(4):4502457.J IN Wei 2liang.Ultimate bearing capacity of reinforced concrete arch bridges[J ].Journal of Zhejiang University ,1997,31(4):450245[3] 程 进,江见鲸,肖汝诚,等.大跨度拱桥极限承载力的参数研究[J ].中国公路学报,2003,16(2):45247.85 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第42卷CH EN G Jin ,J IAN G Jian 2jing ,XIAO Ru 2cheng ,et al.Parametric study of ultimate capacity of long 2span arch bridges[J ].China Journal of Highway and Transport ,2003,16(2):45247.[4] 郑凯锋,万 鹏.钢拱桥极限承载力的综合三因素检算方法[J ].中国铁道科学,2005,26(5):17221.ZH EN G Kai 2feng ,WAN Pen.Research on Synthetical 3Factors Checking Method for the Ultimate Load Carrying Capacity of Steel Arch Bridges [J ].China Railway Science ,2005,26(5):17221.[5] 石 晶,郝际平,郑碧玉.具有初始弯曲的框架结构EF G 法分析[J ].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2009,41(2):1682172.SHI Jing ,HAO Ji 2ping ;ZH EN G Bi 2yu .The EF G Analysis of the Frames with the Initial Curvature[J ].J.Xi ′an Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition ),2009,41(2):1682172.[6] 刘来君,王东阳.大跨径拱桥极限承载力[J ].长安大学学报:自然科学版,2004,24(2):48252.L IU Lai 2jun ,WAN G Dong 2yang.Ultimate Bearing Capacity of Long 2span Arch Bridge[J ].Journal of Chan ′an U 2niversity (Natural Science Edition ),2004,24(2):48252.[7] 李 松,强士中,唐 英.钢筋混凝土拱桥极限承载力的参数研究[J ].西南交通大学学报,2007,42(3):2932298.L I Song ,Q IAN G Shi 2zhong ,TAN G Y in.Parametric Investigation of Ultimate Bearing Capacity of Reinforced Con 2crete Arch Bridge [J ].Journalof Southwest Jiaotong University ,2007,42(3):2932298.[8] 易壮鹏.几何缺陷对拱结构力学性能的影响[D ].长沙:湖南大学,2007.YI Zhuang 2peng .The Effects of the G eometrical Imperfections on the Mechanical Properties of Arch Structures [D ].Changsha :Hunan University ,2007.[9] 吕 婷.在役混凝土系杆拱桥稳定性分析与试验研究[D ].西安:长安大学,2005.L ΒTing .Stability Analysis and Test Research of the Existing Concrete Tied Arch Bridge [D ].Xi ′an :Chan ′an U 2niversity ,2005.[10] 严建科.有侧偏钢筋混凝土桁架连拱极限承载力分析研究[D ].西安:长安大学,2005.YAN Jian 2ke .Ultimate Load Carrying Capacity Analysis of RC Trussed Multi 2arch Bridges with Transverse De 2parture [D ].Xi ′an :Chan ′an University ,2005.U ltim ate load carrying capacity analysis of concrete tiedarch bridges with initial geometric defectsYA N J i an 2ke1,2,L ΒTi ng 2,H E S huan 2hai1(1.Chang ′an University ,Xi ′an 710064,China ;2.Chinese First Institute Limited Corporation of Highway Survey &Design ,Xi ′an 710075,China )Abstract :A concrete tied arch bridge with different initial defects is analyzed in the paper by means of linear ,geometric nonlinear ,material nonlinear ,and dual nonlinear (geometric nonlinear and material nonlinear )methods respectively ,and the nonlinear influence on the analysis results of concrete tied arch bridge is studied.The effects of different initial defects on concrete tied arch bridge are also studied by dual nonlinear method.The results show :In order to get accurate results ,the influence of geometric nonlinearity and material nonlinearity must be considered when studying the ultimate load carry 2ing capacity of concrete tied arch bridges ;the initial geometric defects out plane have little influence on the analysis results of the concrete tied arch bridge ;and initial geometric defects in plane have much more influence on the analysis results of concrete tied arch bridge than that of the out plane.The permissive arch axis departure in Chinese code can be relaxed properly ,and the permissive arch axis departure rage out plane should be larger than that in plane.K ey w ords :Concrete tied arch bri d ge ;ultimate load carry ing capacit y ;geomet ric nonlinearit y ;material nonlinearit y ;initi al geomet ric def ect95第1期 严建科等:有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析3Biography :YAN Jian 2ke ,Candidate for Ph.D.,Engineer ,Xi ′an 710064,P.R.China ,Tel :008622928790622026415,E 2mail :yanjianke79@。