中山市长江大桥蝴蝶拱桥空间稳定性分析

5 结论
根据以上分析, 得出以下结论: ( 1)长江大桥在成桥运营阶段各种 工况下的 弹性稳定安全系数介于 15. 316 ~ 19. 514, 而几何 非线性稳定安全系 数介于 14 550~ 19 124, 表明 该桥在成桥运营阶段中结构的稳定安全性是有保 证的。 ( 2)两种模型的几何非线性分析结 果与线弹 性分析结果相比较, 相差不大。这表明几何 非线 性对该桥的影响可以忽略不计。出现这种情况的 主要原因是拱肋刚度很大, 在各种工况作用 下拱 轴线改变很小。 ( 3)在所有荷载工况下, 拱桥结构的弹性整体 稳定系数均大于 15, 满足斜拉桥规范 JT J027- 96 的要求。结构稳定安全系数大于 4。但要完全确 定钢管混凝土拱桥的极限承载 力, 还必须计 入混 凝土材料非线性以及钢材塑性发展等材料非线性 因素的影响。
拱肋用 beam 189来模拟。为了考虑钢管对核 心混凝土的紧箍力, 用 beam 189 自定义截面中 的 复合截面来模拟 (图 1) 。外面周边的材料是钢材, 里面是 混 凝 土。 吊杆 用 link10 来 模 拟, 主 梁 用 beam 4来模拟。
经对全桥离散后, 其对应的离散后的 ANSYS 有限元模型如图 2所示。
[ J] 公路, 2001, ( 2): 15~ 17 [ 4] 赵长军 考虑弹性大位移影响的中承式钢管混凝
土拱桥的稳定性 [ J] 西安 公路交 通大学 学报, 2001, ( 2 ): 44~ 46
[ 5] 童丽萍 中山一桥结构体系施工阶段的稳定分析 [ J] 桥梁建设, 2004, ( 1): 20~ 23
3 蝴蝶拱桥空间稳定性分析
3 1 工程概况 长江大桥是中山市三十五号路跨越石岐河的
一座桥梁。主桥为 2. 75m + 110m + 2. 75m 空间组 合钢蝴蝶拱桥, 全长 115. 5m, 位于竖曲线半 径为 2 000m, 平面半径为 700m 的范围内, 桥宽 29. 6m。 共设 2片拱肋, 外拱向外倾斜 13. 5 , 内 拱向外倾 斜 35. 5 。拱肋由封闭的椭圆形变截面 钢箱梁组 成, 拱肋与拱座固结。钢箱梁 为正交异性钢 板组 成, 全桥为一整体, 两端通过强大的钢横梁与 2片 拱肋连接在一起。外拱设 19根吊杆, 张拉 50 t的 初始力; 内拱设 21根吊杆, 张拉 60t的初始力。拱 肋的水平推力由桥面钢箱梁来 部分平衡, 部 分由
图 计算结果及其分析
为了研究成桥阶段 的稳定系数, 按以下 5 种 工况来计算拱桥的空间稳定安 全系数, 并对 失稳 特征进行分析。其 5种工况分别如下:
工况 1: 裸拱 ( 恒载作用 ) , 只有两片拱肋, 没有 纵梁和吊杆。
工况 2: 成桥阶段的恒载作用。 工况 3: 成桥阶段的恒载作用, 但把 桥头两端 横梁的刚度提高 10倍。 工况 4: 成桥 阶段的恒载作用 + 汽超 - 20 作 用。 工况 5: 成桥阶 段的恒 载作用 + 全 桥满布 人 群。 上述 5种工况的稳定安全系数和失稳形态分 别见表 1、图 3。 由图 3的工况 1~ 工况 5的失稳形态来看, 整 个结构的失稳主要表现为拱的平面外失稳。说明 该桥的面外刚度要小于其面内 的刚度, 这也 是这 种桥型的共同特点。对于该结构 体系而言, 拱的 跨径大, 截面相对较小, 其长细比 较大, 而该 桥的 桥面系由 1个纵箱和一些横梁组 成, 桥面系 的刚 度远远大于拱的刚度, 故相对柔弱的拱较之 桥面 系更容易发生失稳。
( 下转第 11页 )
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2005年第 2期
李亚平, 董青泓 连续箱梁与肋板梁翼板开裂的原因分析
总第 89期
支点负弯矩段翼板厚度; 或在翼板端部全桥长 增 设滴水块, 块内配普通钢筋 (如图 5)。通过这些措
施来加强翼板, 将会有效改善支点处翼板的受力, 抑制裂缝产生。
图 5 适当加大断面尺寸
5 结语
[ 6] 戴公连, 李建德 桥 梁结构 空间分 析设计 方法及 应用 [M ] 北京: 人民交通出版社, 2001
(收稿日期: 2005- 01- 06)
Spatia l stab ilization analysis of bu tterfly arch bridge in zhongshan city of Guangdong P rovince
( 上接第 4页 ) ( 4) 两种模型的失稳模态皆为面外失稳, 说明
该桥的面外刚度要小于其面内的刚 度, 这也是 这 种桥型的共同特点。钢管混凝土拱桥的跨度不断 增大, 其横向联系也更加简洁明快, 这样减弱了其 横桥向的刚度。
( 5) 建议在采用弹性稳定分析, 稳定安全系数 未作任何折减的前提下, 大跨度的系杆拱桥的 稳 定安全系数应控制得比规范严格一些。
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2005年第 2期
广东公路交通
总第 89期
基础承受。结构刚 度是由拱肋、吊杆及桥面钢 箱 梁共同提供的, 不平衡荷 载产生的弯矩是由桥 面 钢箱梁及拱肋共同承担的。该桥设计荷载为城 A 汽 车荷 载。 这种 大跨 度、不 规则 且采 用薄 壁构 件 的结构体系, 稳定性显得尤为重要。
尽管组合拱桥稳 定性研究的文 献较多, 但 长 江大桥 空间组 合拱 桥是一 种新颖 的桥梁 结构 型 式, 受力复杂, 对其进行稳定分析十分必要。因此 本文旨在对这种采用薄壁结构的大跨度桥梁的稳 定问题进行探讨。 3 2 有限元模型的建立
2005年第 2期
谷利雄, 李新平 中山市长江大桥蝴蝶拱桥空间稳定性分析
总第 89期
图 3 失稳形态
对拱而言, 既可能发生面内失稳也可能发生 面外失稳。工况 1下的拱仅承受自身的重量, 拱 的侧向仅依靠拱脚来约束, 尽管是裸拱仍发生拱 平面外失稳; 而对其它工况下的拱, 承受了很大 一部分桥面系的重量, 大大减弱 了拱的稳定性, 但在正常荷载作用下, 拱不会发生面内失稳。因 此, 对这种刚性桥面系柔性拱的拱桥而言, 稳定 问题主 要表现 在拱 上且通 常情况 下都为 面外 失
GU L i- x iong, LI X in - p ing
( Co lleg e o f T raffic and Communications, South Ch ina U n iv ers ity o f techno logy, G uangdong G uangzhou, 510640 Ch ina)
尽管悬臂板可能 较大, 以及 边腹板与中腹 板 厚度不同, 上部结构沿着 纵向梁格间切开仍是 合 适的。将整个纵 箱沿 其纵 向划分 为 5 个 纵梁 单 元, 为保证剪力的有效传递, 5个等效梁的轴线定 于纵箱梁的腹板处, 而对于斜腹板, 等效梁的轴线 设置在斜腹板水平投影长度的中心处。
横梁梁格是按工 字形来模拟的, 工字形的 中 心与横隔板的重心重合。
稳。
由于该拱桥两片拱肋是向外倾斜, 所以不便 于设横撑, 两片拱肋的横向联系是通过桥端头的 两根横梁, 为了提高拱的侧向稳定性, 增加横梁 的刚度也是 有效的措施。工 况 3与工 况 2相比, 提高了横梁的刚度 10 倍, 稳定 安全系数提高 了 5% 。增加横梁的 刚度, 不 仅可以提 高拱桥的 稳 定系数, 还 可以改 善横 梁和拱 肋连 接部 位的 受 力。
( 6) 该桥正在施工之中, 工程进展顺利, 计划 于 2005年 10月竣工。
参考文献: [ 1] 蔡绍怀 我 国钢 管混 凝土 结构 技 术的 最新 进展
[ J] 土木工程学报, 1998, 32, ( 4): 32~ 34 [ 2] 李国豪 桥梁 结构稳 定与 振动 [M ] 北 京: 中国
铁道出版社, 1992 [ 3] 赵长军 大跨度钢管混凝土拱桥空间稳定性分析
结合长江大桥 整个结构的情 况和工程习惯, 有限元计算采用梁格法。拱肋简化为沿其轴上的 梁单元, 吊杆模拟为仅能承受拉力的杆单元。
主梁是由一个 大的纵箱和许 多横隔板组成, 实际上梁弯曲时, 应绕同一中性轴而弯曲, 故将纵 向箱梁划分成梁格构件时, 每根等效梁的截面 特 性应按照绕截面的整体中性轴计算。
拱的第一类稳 定是平衡分枝 问题, 是线 性稳 定分析方法, 即假 定结构失稳时处于弹性小 变形 范围, 结构的内力与外荷载成比例关系, 把结构的 稳定分析转化为求解特征值问 题, 得出的最 小特 征值就是失稳临界荷载。 2 2 压弯拱空间几何非线性稳定性分析原理
拱桥的几 何非 线性 主要是 指在 荷载 的作 用 下, 拱轴线与荷载压力线的偏离问题, 因为这种偏 离是不可避免的。如施工阶段, 压力线随架 设过 程不断地变化, 施工 预拱 度的 设置、各种 施工 偏 差、拱轴线的弹性压缩等。所 以严格地说拱 的失 稳皆属于第二类失稳。拱的几何非线性属于弹性 大变形问题, 采用全量方法求解概念明确, 易于理 解。变形前物体的构型是已知的, 取做参考构型。 变形后的构型 是待求 的, 采用的 度量是 kirchho ff 应力和 G reen应变。
2 稳定分析的基本原理
拱桥的稳定问题从空间的失稳形态上分为面 内失稳和面外失稳。从失稳的受力性质上分为两 类: 第一类为 平衡分 支问 题, 第 二类 为极 值点 问 题。拱桥是以受压为主的压弯结构, 严格地说, 拱 的失稳皆为第二类失稳。但是拱的第一类稳定问 题力学情况单纯明确, 它 的临界荷载近似地代 表 第二类稳定问题的上限, 所以无论在理论分析 中 还是在工程应用上都占有重要的地位。 2 1 纯压拱空间稳定性分析原理
文献标识码: A
1 概述
钢管混凝土拱桥 结构具有承载 力大、塑性 和 韧性好、施工简便、工期短等优点。近 10 多年来, 我国已建成和在建的钢管混凝土拱桥已超过 200 座, 如 1997 年 建成 的 万县 长 江大 桥 主跨 420m, 2000年通车的广州丫髻沙大桥主跨达 360m。
随着高性能混凝 土、高强度 钢材的发展及 在 桥梁上的应用, 桥梁结构构件变得越来越轻柔, 桥 梁跨度也越来越大。随着拱跨的增 大, 其稳定 性 问题显得日益突出, 在特定的情况下, 甚至决定着 整座桥的设计与施工。桥梁要想向大跨度方向发 展, 必须解决 好稳定问题。钢筋 混凝土拱桥和 圬 工拱桥, 一般情况下由于跨度较小, 拱肋截面相对 较大, 稳定问题并不突出, 材料的强度和架设方法 是控制因素, 通常把拱肋 等效力为一压杆进行 稳 定性检算。对于大 跨度钢管混凝土 拱桥, 这种 方 法显然只能作为初步设计阶段的简 单估算, 只 有 采用有限元方法进行空间分析才能真实反映结构 的稳定性能。