圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用
010209-典尚设计
万方数据
中
国 公
路
学 报
２０ 年 ０１
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１ ＝７十ｎ； ： ｝ ７ Ｉ＿几＋ｎ， ， Ｐ
川 （５） （６）
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行的两根圆钢管、 钢管外径为 ０ １ ｍ 壁厚 １ ６０ ｍ， ２ ｍｍ， 其它材料参数见表 １ 单元剖分图如图 ２ 。 所示， 由于该节点为对称结构， 可取一半进行计算。
一８ ． ４ ０３２
盆杆
－８ ．６ １０ ０
８．６ ６ ６２
分析时， 将整个拱肋按节点分块， 用三维单元分别对 节点进行剖分。由于钥管属薄壁结构， 采用壳单元 ， 为较好地模拟圆管， 选择了８ 节点的二次单元； 考虑 混凝土与钢管变形协调， 节点壳单元对应， 与８ 选择 ２ 节点的实体单元来模拟混凝上。 ０ 图１ 是某钢管混凝土析拱的典型节点。该节点 为析拱跨中上弦节点， Ｔ型， 其弦杆长为 １ ｍ， ２ 为横 哑铃形截面， 圆管外径为。 ２０ ， １ ｍ 壁厚 １ ｍ ２ ｍ ６ ｍ， 两圆管间缀板钢板厚 １ ｍｍ； ６ 腹杆长 ３８ ｍ， ．９ 为平
中圈分类号 Ｘ ４ ８ ２ ４．２ 文献标识码 ： Ａ
Ａ ｐｉ ｔ ｎ Ｓ Ｉ ＴＶ Ｎ Ｎ ｐ ｎｉ ｅ ｎｌ ｉ Ｎ － Ｅ Ａ Ｔ ｉｃ ｌ ｉ ａａ ｓ ｐ ｌａ ｏ ｏ Ａ ｃ ｉ ｆ ｒ ｐ ｎ ｙ ｓ ｏ Ｃ Ｓ ａｃ ｂｉｇ ｆ Ｔ ｈ ｄ ｅ Ｆ ｒ ｒ
圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用
谢 肖礼 ， 彭文立， 秦 荣
（ 广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 ５００ ） ３０４
摘 要： 针对钾管泥凝土拚拱钢一混凝土结构， 对圣维南原理的应用进行 了一些探讨， 获得 了一些
有益的结论， 可供工程设计人负参考。 关艘词： 圣维南原理； 钢管液凝土拱桥； 有限单元法； 局部分析
【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土拱桥结构及受力特点分析
【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土拱桥结构及受力特点分析某中承式钢管混凝土拱桥拱肋的理论计算跨径为152m，拱肋直径1.5m，厚度为2cm，内部浇筑C50混凝土，计算矢高为47m，矢跨比为1/3，拱肋拱轴线采用倒悬链线，拱轴系数为1.55。
拱肋采用圆形截面，主梁采用扁平流线形钢箱截面，拱肋设18对吊杆。
下部结构为钢筋混凝土拱座及承台接钻孔灌注桩基础。
桥面铺装采用6cm 厚环氧沥青。
钢箱梁主体结构均采用Q345-C钢，钢箱拱肋结构采用Q345D钢，其技术指标应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）的相关要求，盖梁及墩柱采用C40混凝土，拱座及承台采用C30混凝土，基桩采用C25混凝土。
桥梁设计荷载为公路-I级，人群荷载5.0KN/m2；环境类别为II类；设计安全等级为一级。
Midas/Civil有限元模型使用Midas/Civil建立全桥模型，本桥3D模型按照桥梁设计选择相应的材料和截面特性。
模型划分共计368个节点，378个单元，其中梁单元360个，桁架单元18个，考虑到的各作用效应有：（1）恒载：自重以及设计荷载；（2）均匀温度：结构因均匀温升、温降，梯度温升、温降产生的作用效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定计算。
（3）支座沉降：支座不均匀沉降按1cm考虑。
（4）车辆荷载：按最不利车辆荷载考虑，车辆为公路—I级五车道，人群荷载为5.0KN/m。
本桥考虑2.5%的桥梁纵坡。
模型节点单元见图3。
其中，拱肋单元编号为155~322，共计167个单元。
图1 钢管混凝土拱桥有限元模型永久作用分项系数按照作用对结构承载能力不利的情况选取，可变作用分项系数按照规范的要求进行取值。
各荷载组合系数见表3。
表3 荷载组合系数名称荷载工况组合系数结构恒载自重+二期1.1车辆荷载公路—Ⅰ级1.4支座沉降1cm 1.0温度荷载±20℃ 0.7计算结构自重+二期+车辆荷载+升、降温效应（±20℃）+支座沉降（1cm）作用下的拱肋内力。
圣维南原理的应用
圣维南原理的应用圣维南原理（Saint-Venant's principle），也被称为辐射均匀性原理（Principle of Uniformity of Stress Distribution），是力学中的一个基本原理，用于研究构件受力的分布情况。
圣维南原理的基本观点是：在一个较大的结构中，当受力集中在结构的某一局部区域时，远离这一局部区域的其他区域对受力的影响非常小。
这主要是因为结构的尺寸相比局部受力区域非常大，因此其影响可以被忽略。
圣维南原理的应用十分广泛，涉及到力学、工程结构、土木工程等领域。
下面将就几个具体的应用场景进行介绍。
（1）杆件受力分析：在杆件的受力分析中，常常使用圣维南原理来简化受力的分布情况。
例如，在一个悬臂梁上施加一个力，可以利用圣维南原理简化为一个集中力作用在杆件端点上。
这样可以简化计算，并且结果也能够在一定范围内保持较好的准确性。
（2）板的弯曲分析：在分析板的弯曲行为时，可以利用圣维南原理来简化受力的分布情况。
例如，在一个长方形板中施加一个力，可以使用圣维南原理将力简化为均匀分布在板边缘上的弦拉力，从而简化计算并且求解板的弯曲变形。
（3）土壤力分析：在土木工程中，土壤力是一个重要的研究对象。
而圣维南原理可用于研究局部施加力对土壤的影响情况。
例如，在基坑开挖过程中，假设只在基坑边缘施加力（例如支撑结构），利用圣维南原理可以忽略远离基坑边缘的土壤区域对基坑边缘产生的力的影响，从而简化计算。
（4）结构的稳定性分析：在结构稳定性分析中，圣维南原理也有重要的应用。
例如，在某列柱子或墙面的边缘受力较大时，可以使用圣维南原理来简化计算，并且将受力集中在边缘区域。
这样可以更好地评估结构的稳定性，并制定相应的加固措施。
总之，圣维南原理作为力学中的基本原理，具有广泛的应用。
它可以用来简化受力的分布情况，从而方便计算和分析。
然而，在具体应用时，我们也需要注意圣维南原理的适用范围。
钢管混凝土轴压刚度取值比较
— 106 —
公 路 2003 年 第 8 期 ( 下) 式中: ΛC、 ΛS 为混凝土和钢管的泊松比; R 为钢 管半径; t 为钢管壁厚, 其他符号同前。 黄平明[ 9 ] 运用最小势能原理, 考虑钢管和混凝 土的相互作用, 导出了钢管和核心混凝土的修正弹 性模量, 给出了 “正套箍效应” 和 “负套箍效应” 的存 在条件。 其轴压刚度为: ( 5) EA = E ′ C A C+ E ′ SA S 其中: E ′ C= Κ 1=
[ 3 ] 郑凯锋 . 独特的伦敦千年桥及其加固方案和全桥结构
仿真分析研究 [J ]. 国外桥梁, 2001, ( 1).
[ 4 ] 易建国, 顾安邦 . 混凝土简支梁 ( 板) 桥 [M ]. 北京: 人民
交通出版社, 2001.
[ 5 ] 戴公连, 李德建 . 桥梁结构空间分析设计方法与应用 [M ]. 北京: 人民交通出版社, 2001.
周晓华1 , 蒋 翔2
(11 南京长江第二大桥管理局 南京市 210038; 21 湖南省路桥建设总公司 长沙市 410004)
摘 要: 钢管混凝土拱桥结构分析中, 一般取钢管和混凝土各自的轴压刚度之和作为构件的轴压刚度, 而理 论研究中有要提高轴压刚度和折减轴压刚度 2 种趋势。本文总结了国内关于钢管混凝土构件轴压模量或轴压刚度 的计算方法, 通过数值计算, 比较了各计算方法的差异。 关键词: 钢管混凝土; 轴压+
R EC ES t
ΡS 2 ( b2 - a 2 ) ΛC ΛC E S E S + 2a 2 ΛC ΛS E C E S - E S E C [ a 2 + b2 + ΛS ( b2 - a 2 ) ]- E S E S ( b2 - a 2 ) ( 1- ΛC ) = K= ΡC 2 ( b2 - a 2 ) ΛC ΛS E C E S + 2a 2 ΛS ΛS E C E C - E C E C [ a 2 + b2 + ΛS ( b2 - a 2 ) ]- E C E S ( b2 - a 2 ) ( 1- ΛC ) 式中: a、 外径; 其他符号意义同前。 董创文利用弹性力学的分析方法, 同样建立了 b 为钢管的内、 其中:
钢管混凝土系杆拱桥拱脚局部分析
钢管采用 Q345qC 钢材，管内填充 C50 微膨胀混凝土，纵梁、端横梁均采用 C55 混凝土，预应力采用Φs15.2 钢绞线； 1.2 有限元模型
本次计算采用 Midas FEA3.6，根据“圣维南原理”[4]，为了避免局部模型端部 的应力集中，拱肋及纵梁均取 15m 长，但是实际分析结果仅仅查看拱脚 10m 范围 内的应力分布情况（即图 1 中蓝色部分），有限元模型采用四面体网格单元，有限 元模型总共 69884 个单元，20907 个节点。预应力钢束采用植入式钢筋线单元模拟， 预应力按照设计图纸进行布置，如图 2 所示，并按照实际张拉应力进行张拉；
关键词：钢管混凝土系杆拱桥；拱脚；应力分布；应力配筋法
0 引言
拱脚是钢管混凝土系杆拱桥的关键受力部位，桥梁的拱肋、纵梁、端横梁、 支撑均交汇于此[1]，因此，拱脚部分应力分布较为复杂，而通常在进行系杆拱桥整 体计算时，均采用杆系模型，而传统的杆系模型仅能出计算各个杆件的内力，并 不能精确计算出拱脚的应力分布情况[2]；所以在进行拱脚设计时，应清楚的了解拱 脚的应力分布情况及变化规律。
及系杆变截面圆弧段，且最大拉应力出现在系杆变截面圆弧段所在斜截面位置处，
较大压应力主要出现拱座下侧边缘角点以及下钢管与混凝土接触的界面区域。表 1
四种最不利工况有限元分析结果
钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
II
硕士学位论文
ABSTRACT
Recently, the concrete-filled steel tubular structure is adopted widely in bridge engineering, which is high of load-carry capacity, good at plasticity and malleability, easy to execute and construct, excellent in fire resistance and economy. For this reason, this kind of combined material is applied to arched bridge that is mainly oppressed. In the joints on this type of arched bridges, the forces are to be spread to the brace through the chord directly. Because the axial rigidity of the brace is much bigger than the radial rigidity of the chord, the border becomes the weakest part of the whole structure. The reasonable design of this type of joint has attached the researchers’attentionallovertheworld.Asthepartof“The key techniques of the design, construction and maintenance of concrete-filled steel tubular arch bridges” supported by the Science and Technology Item of Construction of the Westward Traffic, The main contents are detailed as following:
圣维南原理的理解和在工程问题中的应用
一、题目圣维南原理的理解及其在工程问题中的应用二、涉及到的弹性力学相关概念介绍1855年,圣维南在梁理论研究中提出：若在物体一小部分区域上作用一平衡力系,则此力系对物体内距该力系作用区域较远的部分不产生影响,只在该力系作用的区域附近才引起应力和变形。
这就是著名的圣维南原理。
圣维南原理的一种较为实用的提法是：若作用在物体局部表面上的外力,用一个静力等效的力系〔具有相同的主矢和主距代替,则离此区域较远的部分所受影响可以忽略不计[1]。
三、正文部分1圣维南原理的理解1.1 圣维南原理的提出背景求解弹性力学问题就是在给定边界条件下求解偏微分方程。
边界条件不同,问题的解答也不一样。
但是要求出严格满足边界条件的精确解,有时是非常困难的,另外,对于一些实际问题,不能确切的给出面力的分布,只是知道它在某边界上的合理与合力偶的大小。
于是我们会提出一个问题,能不能用一个可解的等效力系来代替它；满足合力、合力偶条件的解是否可以替换它。
这个问题可由圣维南发原理来回答。
1.2 凭借生活经验的理解对于圣维南原理的第一种提法：若在物体一小部分区域上作用一平衡力系,则此力系对物体内距该力系作用区域较远的部分不产生影响,只在该力系作用的区域附近才引起应力和变形,可以用一个实例先简单理解。
例如用钳子剪钢丝即使外力大道把钢丝剪断的程度,根据生活经验,钢丝的应力和变形仅局限于潜口附近。
经验表明,这一平衡力系越小,对钢丝其它部分的影响越小[3]。
对于圣维南原理的另一种提法是：若作用在物体局部表面上的外力,用一个静力等效的力系〔具有相同的主矢和主距代替,则离此区域较远的部分所受影响可以忽略不计。
可以这样理解:悬臂梁在端部不沿受集中力作用,基础上增加一对自相平衡的力系。
再减少一对相平衡的力系,根据圣维南原理,仅在小区域那有明显差异,而在该区域之外应力几乎是相同的[1]。
1.3简单应用的理解书上的例子是这样的：如图1.1所示,设有柱形构件,在两端截面的形心受到大小相等而方向相反的拉力F,如图1.1〔a,如果把一端或两端的拉力变化为静力等效的力,图1.1〔b或图1.1〔c,则只有虚线划出的部分的应力分布有显著的改变,而其余部分所受的影响是可以不计的。
简述圣维南原理及其应用公式
简述圣维南原理及其应用公式
圣维南原理（Saint-Venant's principle）是指当一个外部载荷作用于一根杆件时，如果这个杆件在距离载荷作用点处足够远的地方，其挠度几乎不受载荷位置的影响，即载荷反应在杆件上的分布是近似均匀的。
该原理适用于解决结构力学中的弯曲问题。
圣维南原理还可以用于分析结构的自由振动问题。
在自由振动问题中，需要求解结构的固有频率和振型，而圣维南原理可以用来简化结构的初始条件。
通常情况下，结构的自由振动问题可以分解为多个单独的振动模态，圣维南原理则可以使每个模态的振型分布趋于均匀，从而简化求解过程。
圣维南原理的应用公式为：
Δ = (Ml^2)/(2EI)
其中，Δ表示载荷作用点处的挠度，M表示载荷矩，l表示载荷作用点到杆件固定端的距离，E表示弹性模量，I表示截面惯性矩。
该公式可以用来计算载荷作用点处的挠度。
根据圣维南原理，载荷作用点处的挠度与载荷位置的影响几乎无关，因此可以通过该公式计算出载荷作用点处的挠度，而无需考虑载荷位置的具体情况。
在实际工程中，圣维南原理广泛应用于弯曲问题的分析与设计中。
例如，在桥梁设计中，为了确保桥梁能够承受车辆和行人的重量，
需要对桥梁的弯曲问题进行分析和设计。
圣维南原理可以用来简化桥梁弯曲问题的分析，从而提高设计效率和准确性。
圣维南原理是结构力学中非常重要的原理之一，其应用广泛，可以用于弯曲问题的分析和设计，也可以用于结构的自由振动问题的求解。
掌握圣维南原理和其应用公式，可以提高工程师在结构力学和结构设计领域的能力和水平。
圣维南原理的实际工程应用
圣维南原理的实际工程应用1. 什么是圣维南原理圣维南原理是一种流体力学的基本定律，它描述了液体或气体在管道中流动时，流速和压力之间的关系。
根据圣维南原理，流速越大，压力就越小；而流速越小，压力就越大。
这一原理被广泛应用于工程领域，特别是管道系统的设计与优化。
2. 圣维南原理的工程应用圣维南原理在工程中有着广泛的应用。
以下是一些实际工程应用的例子：2.1 液体管道系统设计在设计液体管道系统时，圣维南原理可以用来计算流体在管道中的流速和压力变化。
通过合理的管道直径选择和管道布局设计，可以实现最佳的流体运输效果，减小能量损失和材料成本。
2.2 气体输送系统优化圣维南原理也可以应用于气体输送系统的设计与优化。
在气体输送系统中，合理的管道布局和控制阀的选择可以减小管道系统中的能量损失，降低成本，并提高系统的安全性和可靠性。
2.3 水力发电站的设计在水力发电站的设计中，圣维南原理可以用来计算水流通过水轮机时的流速和压力变化。
通过优化设计，可以提高水轮机的效率，并最大限度地利用水能资源。
2.4 热力系统设计圣维南原理也可以用于热力系统的设计与优化。
在热力系统中，流体的温度变化与流速和压力变化有关。
通过使用圣维南原理，可以确定流体在热力系统中的流速和压力分布，从而实现最佳的热量传输效果。
2.5 石油工程中的应用在石油工程中，圣维南原理常用于计算油井中的流体流速和压力变化。
通过实施有效的管道设计和压力控制，可以提高油井的产能，并降低生产成本。
3. 总结圣维南原理作为一种重要的流体力学定律，在实际工程中有着广泛的应用。
从液体管道系统的设计到石油工程的优化，圣维南原理都扮演着重要的角色。
通过运用圣维南原理，工程师能够制定出更高效、更可靠的工程方案，从而为工程的实施和运行提供技术支持。
在今后的工程实践中，圣维南原理的应用将继续发挥重要的作用，推动工程技术的发展和进步。
圣维南原理在工程上的应用
圣维南原理在工程上的应用1. 简介圣维南原理是工程力学中的重要概念之一。
它是由法国工程师圣维南在18世纪提出的，用于描述弹性体在受到外力作用时的变形和应力分布规律。
圣维南原理在各个领域的工程设计中起到了基础性和引导性的作用。
本文将介绍圣维南原理在工程上的应用，并对具体案例进行分析和讨论。
2. 圣维南原理在结构设计中的应用•圣维南原理在桥梁设计中的应用–悬索桥的设计和优化–拱桥的强度分析和稳定性评估•圣维南原理在建筑设计中的应用–高层建筑的结构设计–基础的承载能力分析•圣维南原理在船舶设计中的应用–船体的刚性和强度评估–船舶结构的优化设计3. 圣维南原理在土木工程中的应用•圣维南原理在地基设计中的应用–土壤力学参数的确定–地基承载力的计算和评估•圣维南原理在坡道和隧道设计中的应用–边坡的稳定性分析–隧道结构的设计和优化•圣维南原理在地震工程中的应用–结构抗震设计和验算–地震波传播和变形分析4. 圣维南原理在机械工程中的应用•圣维南原理在机器设计中的应用–机械零件的强度计算和优化–机械系统的动力学分析•圣维南原理在航空航天工程中的应用–飞机结构的强度评估–航天器的变形和振动分析•圣维南原理在汽车工程中的应用–车辆的碰撞安全评估–车身结构的轻量化设计5. 圣维南原理在能源工程中的应用•圣维南原理在火力发电中的应用–锅炉的结构设计和燃烧系统优化–烟气排放系统的强度分析•圣维南原理在风力发电中的应用–风力发电机的结构设计和叶片优化–塔架的稳定性分析•圣维南原理在核能工程中的应用–核反应堆的结构设计和安全评估–燃料元件的变形和热力分析6. 结论通过对圣维南原理在工程上的应用进行介绍和分析，可以看出它在各个领域的工程设计中均发挥着重要的作用。
圣维南原理的应用使得工程师能够更准确地预测结构的行为和性能，并进行相应的优化设计。
随着工程力学和计算机技术的进步，我们相信圣维南原理的应用将在工程领域中持续发展和扩大。
钢管混凝土系杆拱桥中墩处拱脚应力分析
第 ４期
Ｉ东交通学 院学报 ｌ Ｊ
Ｊ Ｕ｛ Ａ Ｏ Ｈ￣ ） Ｎ ＩＯＩ Ｎ Ｎ Ｖ Ｒ ＩＹ Ｏ ＩＮ １ Ｆｓ ＮＩ ＧＪＡ Ｇ Ｕ Ｉ Ｅ Ｓｒ ｔ Ｏ Ｏ ＇ ｒ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ４ １ １ ． Ｉｅ ． Ｏ１ ）ｃ ２ ０
２１ ００年 １ ２月
摘 要 ： 准 确 掌 握 拱 脚 的 应力 分 布 ， 导 结 构 设 计 ， 为 指 通过 大 型 空 间 有 限元 分 析 程 序 对 某 （８＋８ ） 钢 管 混 凝 土 ８ ８ｍ 系杆 拱 桥 中墩 处 拱 脚 及 与其 相 连 接 的 系 梁 进 行 分 析 。分 析 结 果 表 明 ， 最 不 利 工 况 下 ， 梁 靠 近 巾 支点 实 体 混 在 系
收 稿 日期 ：Ｏｏ １— ０ ２ ｌ． ０ ２
作者简 介 ： 李青山（９ ２ ） 男， １８ 一 ， 山东德州人 ， 中铁 第五勘 察设计 院集团有限公司助理工程 师， 主要研 究方 向为桥梁结构 分析与设计
４ ０
点处拱 脚建 立空 间有 限元模 型 。 预 应力 钢绞线采 用体分 割建 立实 体力筋 的方法 ， 模拟 钢束 的几何形 状 ， 采用降 温法施 加 预应 力 ， 用杆 单 元模 拟 。系梁及拱 脚用实 体单 元模 拟 ， 能应 用 于不规 则形 状 而 没有 精 确 度损 失 ， 有适 当的位 移 协 形
凝土 的箱梁底板混凝土压应力较大 ； 拱座顶部 混凝 土存在一定水平 的顺桥 向拉应力 ； 在拱肋与拱脚 的局部连 接 位置产生非常 明显 的应力集 中现象 ； 中墩处 系梁实体混 凝土 内配 置横 向钢束 后 ， 该处混凝 土横 、 竖桥向应力 水
平 较 低 ， 以平 面 受力 为 主 。 仍
圣维南原理概念及应用
圣维南原理概念及应用圣维南原理（Saint-Venant's principle）是固体力学领域的一个原理，适用于弹性体的应力和应变分布。
它的原理是，在一个受力的弹性体中，远离载荷作用区域，应力和应变的分布趋于稳定，不再受局部载荷的影响。
圣维南原理的应用广泛，特别是在结构力学和土木工程领域中。
圣维南原理的基本概念是，当一个弹性体受到外部载荷作用时，它会发生形变，从而产生应力和应变。
这些应力和应变的分布会随着距离载荷作用点的距离增加而改变。
在距离载荷作用点足够远的地方，应力和应变的分布将趋于稳定，并且不再受到局部载荷的影响。
具体来说，圣维南原理认为，在距离载荷作用点足够远的地方，应力和应变可以近似为常数或者会随着距离的增加而以规律的方式变化。
圣维南原理的应用之一是在结构力学中。
当设计一个结构时，通常会对其承载能力和应力分布进行分析。
通过圣维南原理，可以通过在结构的远处进行应力和应变分析来简化分析工作。
这样一来，设计师可以更加专注于局部的设计和优化，而不需要考虑局部载荷对整个结构的影响。
这种简化分析的方法能够提高设计效率并减少设计成本。
圣维南原理也被广泛应用于土木工程领域。
在土木工程中，结构的受力分析和优化设计是非常重要的。
通过圣维南原理，可以对土木结构在受力作用下的行为进行近似分析。
例如，在桥梁设计中，可以通过圣维南原理来近似计算桥梁上的应力和应变分布，从而确定桥梁的结构安全性和可靠性。
此外，圣维南原理还可以应用于材料力学中。
通过圣维南原理，可以对弹性体的应力和应变进行近似分析，从而确定材料的力学特性和性能。
这在材料的研发和工程应用中非常重要，可以帮助工程师选择合适的材料和优化设计。
总之，圣维南原理是固体力学领域中一个重要的理论原理，适用于弹性体的应力和应变分布分析。
它在结构力学和土木工程领域中有广泛的应用，能够简化分析工作，提高设计效率和减少设计成本。
此外，圣维南原理还可以应用于材料力学中，帮助人们更好地理解和应用材料的力学特性。
钢管混凝土拱桥缀板灌注混凝土相关分析
：５ ０ ．Ｏ
３ ５０． ０
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２ ５７ ０．
２８ ５． ０
３ ０５ ｌ．
３ ３１ ６．
４５ １． ７
表 ２缀 板 灌 注 压 力 与 结 构 位 移 关 系 表
灌注压力 （ ａ ＭＰ ）
缀板位移 （ｆ ｒ ｎ） ｌ ｉ
ｊ
Ｉ
００ ． ｏ
５３ ． ８
１
ｊ
０４ ． ０
４ ７７
０８ ． ０
８ ． ３９
Ｏ１ ． ２
１ １６ ２ ．
０１ ． ６
１９７ ５．
Ｏ２ －
１ ８０ ９ ．
０４ ２
２ ６４ ３．
０２ ８
２ ４９ ７ ．
Ｏ３ ． ２
３ ３４ ｌ．
钢管应力 （ ｌａ ］Ｐ ） ￣
３＿ ２３
５ ４７
１２ Ｏ ６
■ 筑 奠 工
钢 管混凝土拱桥缀板灌注混凝 土相关分析
张凯 玉峰 杨 李涛
１红山区交通局 内蒙古 赤峰 ；２ 市扎鲁特旗公路管理段 内蒙古 通辽 ；３ 市扎鲁特旗公路工程处 内蒙古 通辽 ． ． ．
摘要 ：钢 管混凝土拱桥在缀板混凝 土灌注施 工时容 易出现缀板爆 裂、钢 管变形等 问题。本 文分析 了不同缀板灌注压 力荷栽与 对应 的结构应 力、位移 变化关 系，确定 了本桥 的混凝土灌注压力限值 ，可为同类型桥梁灌注施 工提供参考。 关键词 ： 管混凝土 ； 钢 拱桥 ；缀板 ；灌注；病 害分析
圣维南原理在工程中的应用
圣维南原理在工程中的应用1. 圣维南原理简介圣维南原理，也被称为圣维南旋转框架原理，是结构力学中的重要原理之一。
它是由法国工程师圣维南于1830年提出的。
该原理主要解释了刚性结构在受到作用力时的力学行为。
圣维南原理可以简单地概括为：一个刚体结构在力的作用下，变形时中心位置保持不变。
也就是说，结构的重心位置不随外力的作用而发生变化。
2. 圣维南原理在工程中的应用圣维南原理在工程领域中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：2.1 结构稳定性的分析圣维南原理为工程师提供了一种简单有效的方法来分析结构的稳定性。
通过确定结构的重心位置以及外力作用点的位置，可以判断结构是否处于稳定状态。
如果结构的重心位置与作用力之间的距离足够小，则结构将保持稳定。
这对于设计和评估建筑物、桥梁、输电塔等结构的稳定性非常重要。
2.2 结构矩变化的计算在工程实践中，经常需要计算结构受力时的矩变化情况。
圣维南原理可以用于计算结构在受力时所产生的矩的变化。
通过应用圣维南原理，可以得到结构在不同受力条件下的矩变化情况，从而帮助工程师进行结构的设计与分析。
2.3 梁的受力分析圣维南原理在梁的受力分析中有着重要的应用。
梁是工程领域中常见的结构形式，对于梁的受力分析，可以使用圣维南原理来解决。
通过应用该原理，可以计算出梁的重心位置以及受力点所产生的力矩。
这对于确定梁的承载能力、设计梁的截面形状等都非常有帮助。
2.4 桥梁设计中的应用在桥梁设计中，圣维南原理也被广泛应用。
通过应用圣维南原理，工程师可以确定桥梁中不同部位的受力情况，从而辅助桥梁的设计过程。
通过计算桥梁重心位置以及受力点所产生的力矩，可以评估桥梁的结构稳定性，并进行桥梁的截面形状设计、材料选择等。
这对于桥梁的安全性和可靠性具有重要意义。
3. 总结圣维南原理作为结构力学中的重要原理，在工程领域中具有广泛的应用。
它为工程师提供了一种简单有效的方法来分析结构的稳定性，并帮助工程师进行结构的设计与分析。
圣维南原理概念及应用
圣维南原理概念及应用圣维南原理（Saint-Venant's principle）是结构力学中的一个基本原理，用于分析结构中的局部应力和变形情况。
该原理由法国工程师圣维南（Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant）于1850年提出。
1.配筋设计：在混凝土结构设计中，圣维南原理可以用于确定钢筋的布置和数量。
根据原理，当受压区域扩展到一定距离时，混凝土已经能够充分承受全部或部分荷载，因此钢筋的布置可以逐渐减少或停止。
这样可以节省材料成本，同时保证结构的安全性。
2.桥梁设计：桥梁常常受到集中载荷作用，例如车辆通过桥梁时的荷载。
根据圣维南原理，在桥梁超过集中荷载作用区域之后，结构各个部分的应力和变形将逐渐趋于均匀分布。
因此，在桥梁设计中，可以通过局部应力和变形的分析，确定结构各个部分的尺寸和形状，以满足结构的强度和稳定性要求。
3.弹性力学分析：圣维南原理常常用于弹性力学分析中，用于研究结构受到集中载荷作用时的应力和变形情况。
根据原理，当点载荷作用于结构后，结构会出现局部应力和变形，但这些局部效应将逐渐衰减，直至远离载荷作用点处不再有显著影响。
4.土力学应用：土力学中的圣维南原理主要用于分析岩土体中的应力和变形情况。
例如，在地基工程中，当地基承受集中载荷时，通过圣维南原理可以确定地基中的应力分布和变形情况。
这对于评估地基的稳定性和设计土方工程具有重要意义。
5.材料力学分析：在材料力学中，圣维南原理被用于研究材料的局部破坏行为。
根据原理，当材料受到集中载荷作用时，局部应力集中在载荷作用点附近，然后逐渐衰减。
这对于研究材料的破坏机理和优化材料性能具有重要意义。
总之，圣维南原理是结构力学中一个重要的基本原理，用于分析结构的局部应力和变形情况。
应用领域广泛，涵盖了混凝土结构设计、桥梁设计、弹性力学分析、土力学应用和材料力学分析等。
通过合理应用圣维南原理，可以提高结构的安全性和稳定性，同时优化设计和施工方案。
圣维南原理的概念及应用
圣维南原理的概念及应用圣维南原理（Saint-Venant's principle）是力学领域中的一个重要原理，它描述了结构体受外力作用时，在远离该外力集中作用的区域内受力分布是均匀的。
该原理在结构分析和设计中具有广泛的应用，尤其在弹性和塑性理论的研究中起着重要的作用。
圣维南原理的概念可以通过下面的实例来解释。
假设有一个杆件，在杆件的一端施加一个力，力的作用点与该杆件的距离相对较远。
根据圣维南原理，如果距离力作用点比较远的位置测量该杆件的应变或应力，那么这些测量值将与力作用点附近的测量值非常接近。
简单来说，圣维南原理表明，在结构体内部，不同位置受力的情况是相似的。
圣维南原理的应用十分广泛。
在力学中，它被用于解释和预测结构体的力学响应。
例如，在结构力学中，可以利用圣维南原理确定一个受力结构体的应力和应变分布情况。
此外，圣维南原理还被用于验证数值模拟的准确性，通过比较实验测量结果和数值模拟结果，可以判断该数值模拟是否满足圣维南原理。
在结构设计中，圣维南原理可以用于简化求解结构体力学问题。
例如，在弹性力学中，通常假设材料是均匀的且具有均匀的弹性模量，这样就可以利用圣维南原理预测结构体的力学行为，而不需要详细的材料特性。
另外，在结构体受力分析中，圣维南原理也可用于确定荷载在结构体内部的传递情况，从而优化结构体的设计。
圣维南原理的一个重要应用领域是结构体的变形分析。
它可以用于描述结构在外力作用下的变形情况。
例如，在弹性力学中，可以利用圣维南原理建立结构体的偏微分方程，通过求解这些方程，可以得到结构体受力下的变形分布。
这对于结构体设计和优化非常重要，可以帮助工程师确定结构体的几何形状和材料选择。
此外，圣维南原理还是其他工程学科的基础。
在流体力学中，圣维南原理可以用于描述流体在管道中的流动行为。
在电学和热学方面，圣维南原理也被应用于描述电流和热量在导体中的传递过程。
总之，圣维南原理是力学领域中一个重要的原理，它描述了结构体受外力作用时，在远离该外力集中作用的区域内受力分布是均匀的。
圣维南原理的概念和应用
圣维南原理的概念和应用圣维南原理（Saint-Venant’s principle）是弹性力学中的一个重要原理，用来描述材料在外力作用下的应力分布。
该原理由法国工程师和数学家Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant于1855年提出，被广泛应用于结构力学、地震工程和流体力学等领域。
圣维南原理的概念可以简单地描述为：当一个杆件或构件受到外力作用时，杆件或构件上的应力分布在远离作用点的区域中变化很小。
换句话说，即使受到集中力的作用，杆件或构件的应力分布在相对较远处可以近似认为是均匀且恒定的。
这个原理在工程实践中具有重要的应用价值。
1.线性弹性假设：该假设指材料遵循胡克定律，在弹性范围内应力和应变之间存在线性关系，即应力与应变成正比。
2.充分薄假设：该假设指构件的尺寸相对于应变的变化而言足够小，以至于可以忽略其内部的应力分布。
这样可以将构件看作一个连续体，并可以应用简化的微分方程来描述其应力分布。
通过以上两个假设，可以得出圣维南原理的数学表达式。
在弹性力学中，常使用圣维南原理来推导杆件或构件的位移和应力分布。
基于这一原理，可以进行各类结构的静力和动力分析、设计和优化。
1.结构力学：在建筑工程和土木工程中，圣维南原理可用于分析结构构件的应力分布和变形情况。
通过近似方法，可以简化复杂的结构力学问题，例如梁、桁架和板等的分析和设计。
2.地震工程：地震是一种动力载荷，会引起建筑物和桥梁等结构的振动。
圣维南原理可以应用于地震工程中的结构响应分析，用于评估结构的承载能力和耐震性能。
3.流体力学：在流体静力学和流体动力学中，圣维南原理可应用于近似描述流体内部的压力分布。
例如，通过该原理可以得出液体的压力在各个截面上几乎相等的结论，从而简化流体力学问题的求解。
总之，圣维南原理是弹性力学中的一个重要概念，通过近似处理结构力学问题，简化了工程实践中的求解过程。
该原理在结构力学、地震工程和流体力学等领域中得到广泛应用，为工程师和科学家提供了一种有效解决实际问题的方法。
北科大有限元资料2(判断题-课后思考题-知识点总结)
1、弹性力学和材料力学在研究对象上的区别？6答：材料力学的研究对象是杆状构件，即长度远大于宽度和厚度的构件。
弹性力学除了研究杆状构件外，还研究板、壳、块，甚至是三维物体等，弹性力学的研究对象要广泛得多。
2、理想弹性体的五点假设？答：连续性假定、完全弹性假定、均匀性假定、各向同性假定、小位移和小变形的假定。
3、什么叫轴对称问题，采用什么坐标系分析？为什么？答：如果弹性体的几何形状、约束状态以及外载荷都对称于某一根轴，那么弹性体所有的位移、应变和应力也都对称于这根轴，这类问题称为轴对称问题。
对于轴对称问题，采用圆柱坐标。
当以弹性体的对称轴为Z轴时，则所有的应力分量，应变分量和位移分量都只与坐标r、z有关，而与θ无关。
4、梁单元和杆单元的区别？答：主要区别是受力不同，梁单元主要承受弯矩，杆单元主要承受轴向力。
杆单元通常用于网架、桁架的分析；而梁单元则基本上可以适用于各种情况。
5、薄板弯曲问题与平面应力问题的区别？答：平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是薄板，但前者受力特点是平行于板面且沿厚度均布载荷，变形发生在板面内；后者受力特点是当承受垂直于板面的载荷时，板在弯曲应力和扭转应力作用下将变成曲面板。
6、有限单元法结构刚度矩阵的特点？答：主对称元素总是正的；对称性；稀疏性；奇异性；非零元素呈带状分布。
7、有限单元法的收敛性准则？答：完备性要求，协调性要求。
完备性要求。
如果出现在泛函中场函数的最高阶导数是m阶，则有限元解收敛的条件之一是单元内场函数的试探函数至少是m次完全多项式。
或者说试探函数中必须包括本身和直至m 阶导数为常数的项。
单元的插值函数满足上述要求时，我们称单元是完备的。
协调性要求。
如果出现在泛函中的最高阶导数是m阶，则试探函数在单元交界面上必须具有Cm-1连续性，即在相邻单元的交界面上应有函数直至m-1阶的连续导数。
当单元的插值函数满足上述要求时，我们称单元是协调的。
8、简述圣维南原理在工程实际中的应用？答：物体小部分边界上的面力是平衡力系，则近处产生显著应力，远处应力小到忽略不计。
钢筋混凝土拱桥拱座受力分析
钢筋混凝土拱桥拱座受力分析1 工程背景人行天桥设计逐步从单纯的使用性向美观性、和文化性发展。
随之的多样化、美学化过程带来的结构体系和局部受力复杂的趋势日益突出。
部分桥梁由于局部受力复杂、构造措施不当而产生损伤病害，进而危害整体结构安全。
因此有必要对局部结构进行精细化分析，使受力更加明确，为以后设计、运营和维护提供依据。
桥梁结构型式为上承式变截面钢筋混凝土砼拱桥，拱肋的理论计算跨径为50m。
矢跨比为1/8，拱肋拱轴线采用圆曲线，拱肋为等宽变截面，上下弦中心高度在拱肋径向为1.353m、拱顶为0.75m。
拱上立柱为0.5×1.5m的矩形柱。
纵梁采用的是梁高40cm的等高度C30钢筋混凝土连续板梁。
2 两步有限元分析法局部区域受力又受全桥整体变形的影响，先采用杆系单元进行全桥分析，得到各杆件单元的内力，再根据圣维南原理将各杆件内力等效的加载在局部模型的断裂处，在局部模型上加上相应的位移约束条件。
计算反映局部受力的应力分布情况。
2.1 全桥计算模型拱桥内力计算采用Midas Civil空间有限元程序，全桥划分为145个节点，140个单元。
计算模型如图3.1.1。
考虑到的各作用效应有：（1）恒载：自重以及设计荷载；（2）均匀温度：结构因均匀温升、温降，梯度温升、温降产生的作用效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定计算[2]。
（3）人群荷载：按最不利人群荷载考虑，人群荷载为3.5KN/M。
（4）边界条件：拱座处的边界条件为固结，立杆与桥面板整体坐标系Z方向约束，与整体坐标系拱座Y方向、Z方向约束，（5）不利组合：取临近拱座处的拱肋段轴力max/min、剪力max/min、弯矩max/min.六种不利工况分别进行分析。
荷图3.1.3 cLCB21荷载组合轴力图（轴力max）从不利荷载组合中，并分别提取出轴力、剪力、弯矩，将作为外荷载根据圣维南原理分别加载至局部模型中进行数值模拟。
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以弦杆的轴向应力为例。在弦杆上任取一截面,
取该截面上钢管与混凝土交界处 4 个典型点, 如图
3 所示。各点处的轴向应力见表 3, 其中 Ρsz、Ρcz 分别为 钢管和混凝土的轴向应力。由表 3 可知, 三种方法的
数值相差不大。在图 4～ 6
的 左 图 分 别 为 子 结 构、分
配法和平均法的计算结
果, 可以看出, 在节点弦杆
第 14 卷 第 2 期 2001 年 4 月
中 国 公 路 学 报 Ch ina Jou rnal of H ighw ay and T ran spo rt
V o l114 N o 12 A p r. 2001
文章编号: 100127372 (2001) 0220033203
圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用
ex x
-
I
s y
(10)
Q 345钢材 C40 混凝土
2106×105 3130×104
7 850 2 550
0128 01167
Ρcz = N
1
-
+
Ac
ey y
-
I
c x
+
ex x
-
I
c y
(11)
式中:
ex =
M N
y;
ey
=
M N
x。
将式 (10) 和式 (11) 相比得
Ρsz = n Ρcz
图 3 典型点位置
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第 2 期 谢肖礼, 等: 圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用 35
边界处, 后两种结果与子结构结果不大相同。圣维南 原理指出, 在一个物体内, 距离外加荷载作用部位相 当远处的各点, 其应力与所实际施加荷载的细节关 系不大, 即把物体的一小部分边界上的面力, 改变为 具体的分布不同、但静力等效的面力, 则仅影响近处 的应力分布, 而对远处影响很小。 因此, 可利用圣维 南原理, 不考虑节点边界影响区, 再查看结果, 见图 4～ 6 的右图, 可以看出, 三者应力情况很相似。 表 3 弦杆某截面上典型点的轴向应力比较 M Pa
边界; 点 2 位于弦杆轴线上, 是点 1 和点 3 的中点。 由表 4 可知, 三种方法的数值相差不大。
表 4 构件轴线上控制点的位移比较 mm
位移
水平 Uz
垂直 Uy
子结构 分配法 平均法 子结构 分配法 平均法
点号
1
2
3
4
0
- 01476 - 01951
0
0 0 - 78197 - 80187
和
等效
惯性
矩,
-
A
c、-I c
分别为换算成混凝土的横截
面等效面积和等效惯性矩。
设
-
As=
As+
Ac n
(1)
-
A c = A c + nA s
(2)
-
I
s x
=
I
s x
+
I
c x
n
(3)
收稿日期: 2000209201 基金项目: 国家自然科学基金项目 (50068001) ; 广西自然科学基金项目 (9912002) 作者简介: 谢肖礼 (19632) , 男, 广东南海人, 广西大学副研究员, 工学博士研究生.
Ρcz
分配法 - 51514 - 41984 - 41716 - 51160
平均法 - 51448 - 41962 - 41647 - 51099
图 4 节点的子结构解答
图 5 节点的分配法解答
图 6 节点的平均法解答
212 位移的比较 以节点构件轴线的线位移为例, 表 4 列出了三
种方法所得的位移值。 其中点 1 为弦杆与腹杆的轴 线交点; 点 3 为节点弦杆的边界; 点 4 为节点腹杆的
图 1 是某钢管混凝土桁拱的典型节点。 该节点 为桁拱跨中上弦节点, T 型, 其弦杆长为 12 m , 为横 哑铃形截面, 圆管外径为 5 1 220 mm、壁厚 16 mm , 两圆管间缀板钢板厚 16 mm ; 腹杆长 3189 m , 为平
腹杆
0
- 811060
0
861662
0
211 应力的比较
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3 4 中 国 公 路 学 报 2001 年
-I
s y
=
I
s y
+
I
c y
n
-I
大; 第三种方法是第二种方法的改进, 即采用子结构
技术, 将节点处理为子结构, 可使工作量减少许多,
但仍然相当繁重, 不够灵活。 因此, 有必要采用圣维
南原理进行局部分析, 从而求得局部的应力和变形
状况, 具体做法是: 把用梁单元作整体计算所得内力
和位移作为局部切开处的外力和位移边界条件。 这
种做法有很大的灵活性, 且工作量很少。
应力
点号
1
2
3
4
子结构 - 371140 - 311883 - 261965 - 311940
Ρsz
分配法 - 361348 - 311830 - 301921 - 331616
平均法 - 361827 - 311672 - 291537 - 331088
子结构 - 61185 - 51360 - 41552 - 51363
谢肖礼, 彭文立, 秦 荣
(广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004)
摘 要: 针对钢管混凝土桁拱钢—混凝土结构, 对圣维南原理的应用进行了一些探讨, 获得了一些 有益的结论, 可供工程设计人员参考。 关键词: 圣维南原理; 钢管混凝土拱桥; 有限单元法; 局部分析 中图分类号: U 448122 文献标识码: A
- 01463 - 01459 - 78187 - 80175
- 01926 - 01926 - 78147 - 80134
0 0 - 79106 - 81106
- 80188 - 78147 - 80134 - 81106
查看其它应力和位移的计算结果, 均可得到与 轴向应力和线位移类似的情况。
表 2 典型节点边界的主要内力和位移
主要位移 位置
水平U z mm 垂直U y mm
转角 Η
主要内力 轴力 kN 弯矩 kN ·m
弦杆 - 01926 19 - 801342 01000 192 - 19 584 256108
对钢管混凝土桁架拱按三维实体模型进行弹性
分析时, 将整个拱肋按节点分块, 用三维单元分别对 节点进行剖分。 由于钢管属薄壁结构, 采用壳单元, 为较好地模拟圆管, 选择了 8 节点的二次单元; 考虑 混凝土与钢管变形协调, 与 8 节点壳单元对应, 选择 20 节点的实体单元来模拟混凝土。
3 结 语
笔者对两种组合材料的结构应用圣维南原理进 行了研究。分析表明, 所得位移和应力与子结构计算 结果相差不大, 且两种施加轴力的方法所得结果也 相差不大, 在圣维南原理影响区外的计算结果与子 结构计算结果较为接近, 精度基本能满足工程要求。 在圣维南原理影响区内, 分配法比平均法更精确; 在 影响区外, 从工程的角度看, 平均法由于不必进行轴 力再分配而更方便应用。
(8)
E I = E c I c+ E s I s
(9)
可得在短期荷载作用下任意形状截面应力分布的半
解析公式
图 1 典型节点 (跨中上弦节点) 图 2 单元剖分图
表 1 材料参数
材料
弹性模量 M Pa 密度 kg·m - 3 泊松比 Λ
Ρsz = N
1
+
As
ey y
-
I
s x
+
Abstract: In th is p ap er, SA IN T 2V ENAN T p rincip le is u sed in the resea rch and d iscu ssion of the app lica t ion of concrete filled steel tube (CFST ) b raced a rch, a k ind of steel2concrete st ructu re, and have go t som e u sefu l conclu sion s w h ich a re app recia ted fo r reference. Key words: SA IN T 2V ENAN T p rincip le; CFST a rch b ridge; fin ite elem en t m ethod; loca l ana ly sis
c x
=
I
c x
+
n
I
s x
-I
c y
=
I
c y
+
n
I
s y
(4)
行的两根圆钢管, 钢管外径为 5 610 mm、壁厚 12 mm , 其它材料参数见表 1。单元剖分图如图 2 所示,
(5) 由于该节点为对称结构, 可取一半进行计算。
(6)
n =
Es Ec
(7)
利用关系 EA = E cA c+ E sA s