钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
1.1.2 钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，是使其二者有机结合的 一种组合结构，其本质上属于箍套混凝土。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺 旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的，按截面形式的不同，可分为方钢管、 圆钢管和多边形钢管混凝土。在实际工程中，应用最广泛的是圆钢管混凝土，且 管内只浇灌素混凝土，不再配置钢筋 日
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（1）简要介绍了钢管混凝土的结构特点及钢管混凝土在拱桥中的发展情况， 提出了钢管混凝土拱桥的设计需注意的问题，并介绍了圣维南原理及其在钢管混 凝土中的应用；
（2）根据已建四管桁式钢管混凝土拱桥—湖南益阳茅草街大桥，选取工程中 三类典型节点—DTY 型、XYT 型、DTDY 型管节点为研究为对象，基于 ANSYS， 建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型，分析和比较了它们的静力性能，讨论了 其应力变化情况；
(3) the analysis and calculation on variation of stress concentrate factor for both concrete-filled steel tubular and hollow steel tubular DTY joints, XYT joints, DTDY joints under the axial strength or axial and bending loadings together function in brace along with the variation of diameter of braces and the included angle of braces and chords the have carried out. The results show that the concrete-filled steel nodes are more obvious than the empty steel tube nodes on stress concentrate phenomenon and as well as nodes under the function of axial strength than axial and bending loadings together function in brace.
戴河大桥钢管混凝土系杆拱内力及应力解析解研究
・
２２ ・ ４
越
壶建 设掌院学报 ２１ 年 第 １卷 第４ ００ ６ 期
３ ５ ０ ×（ —００ ４Ｘ２ ． ×１ １ ．１ ）×（． — ４ ０８ ０ ２ ｘ １＝ ． ． １）／２ ２９ ０ ５×（．—０ ２ ×１ ’ ０８ ． １） ０ ０
计算公式为
Ｅ／：ＥＩ ｓ＋ＥＩ Ｃ
由厚 １ ｌ 的钢 板卷 制 而成 ， ４Ｉｍ Ｔ 每根 拱 肋 的两 钢 管之
间用厚 度 为 １ 的腹板 连 接．每隔一 段距 离 ， 圆 ４ｍｍ 在 形 钢 管 内设 加劲 箍 ， 梁 腹板 中焊接 拉 筋 ． 在 两拱 肋 中
心距 １．ｍ． １ 拱管 内灌 注 Ｃ ０补偿 收缩 混凝 土 ， 管 ８ ５ 钢
为 ： ６ ５ ） ／６ ， 梁立 面 图如 图 ｌ所示 ． Ｙ＝５ （６ ｘ５ 桥 拱肋
１ 工 程概 况
戴河大桥位于新建天津至秦皇 岛高速客运专线 上 ， 越戴 河 ， 计 时速 为 ３０ｋ ｈ 本 桥设计 为下 承 跨 设 ５ ｍ／， 式后张 预应 力为 ２孔 ５ Ｉ ６Ｉ 的钢管混 凝 土简支 系杆 桥 Ｔ 拱 ， 道类 型采用 Ｃ Ｔ 一Ⅱ型板 式无 砟轨 道 ． 轨 ＲＳ 梁全 长
出钢管混凝土 系杆拱简化计算的一般模 式 ， 为手算钢 管混凝 土系杆拱 内力和应力情况提供 参考． 关 键 词 ：钢管混凝 土系杆拱 ；内力计算 ；应力计算 ；解析解 中图分类 号 ：Ｕ ４ ． ５ 文献标 识码 ：Ａ ４ ８２ ２ 文章 编号 ：１ ０ —８ ３ ２ １ ） ４０ ４ ．５ ０ ６６ ５ （０ ０ ０ ．２ １０
２× １ ｌ ２ ： １０６× １ ０ ２× ０６
．
（） 钢 管 混凝 土 拱 和钢 筋 混凝 土行 车道 梁 的截 ２
某大跨度钢管混凝土拱桥拱座局部应力分析
某大跨度钢管混凝土拱桥拱座局部应力分析摘要：拱座是钢管混凝土拱桥中受力较为复杂部位之一，本文采用两步有限元法，对某大跨钢管混凝土拱桥拱座的受力情况进行了分析，得到其应力分布规律，对应力集中部位提出了构造改进建议，给类似结构的设计和施工提供参考。
关键词：大跨度钢管混凝土拱桥；拱座；局部应力；圣维南原理；两步有限元法Abstract: The force acting on arch abutment is complex of concrete filled steel tube arch bridge. The arch abutment of a long-span concrete filled steel tube arch bridge is analyzed based on the second-order finite element method. The stress distribution is obtained and some suggestions for design and construction are recommended.Keyword: long-span concrete filled steel tube arch bridge; arch abutment; local stress; Saint-Venantprinciple; second-order finite element method1 引言钢管混凝土拱桥是一种造型美观，受力合理的结构形式。
在近十几年间，该结构形式在我国得到迅速的发展。
大跨度钢管混凝土拱桥的拱肋由钢管和内灌混凝土构成，钢管混凝土拱肋需插入到拱座中，拱座需要承受拱肋传来的巨大轴力和弯矩，在拱肋与拱座相接的范围内，受力复杂，往往会出现应力集中的现象。
目前在结构设计中，对该部位理论计算相对较少，对其应力分布情况掌握得不够明确。
8--钢桥整体节点焊接残余应力三维有限元分析
文章编号:1003-4722(2009)04-0028-04钢桥整体节点焊接残余应力三维有限元分析瞿伟廉,何 杰(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉430070)摘 要:钢桥整体节点最常见的问题是焊缝处出现疲劳裂纹,焊接残余应力是重要影响因素之一。
在大型有限元软件ANS YS 的基础上,开发了相应的焊接程序,选用三维实体单元,考虑材料物理性能随温度和相变的影响,采用内部生热的加载方法模拟焊接热源的移动,运用单元生死技术模拟多道焊过程,获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程,并对计算结果进行了分析。
关键词:钢桥;桁架桥;整体节点;焊接残余应力;温度场;应力场;有限元分析中图分类号:U448.38文献标志码:AThree 2Dimensional Finite E lement Analysis of Welding R esidu al Stress in Integral Panel Point of Steel B ridgeQU Wei 2lia n ,He J ie(Key Laboratory of Roadway Bridges and Structural Engineering of Hubei Province ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China )Abstract :The most common p roblem of t he integral panel point of a steel bridge is t he fa 2tigue cracks occurring at t he welding seams of t he point and t he welding residual st ress is deemed as one of t he important influential factors t hat causes t he cracks.On t he basis of t he large 2scale finite element software ANS YS ,a corresponding welding program was developed.The internal heat generation loading met hod was first used to simulate t he moving of t he welding heat source t hrough selecting t he t hree 2dimensional solid element s and taking into account of t he p hysical properties of materials changing wit h t he temperat ures and p hase t ransformation.The birt h and deat h technique was t hen used to simulate t he p rocess of t he multi 2pass welding and t he dynamic change p rocess of t he welding temperat ure field and st ress field were obtained.Finally ,t he re 2sult s of t he calculation were analyzed.K ey w ords :steel bridge ;t russ bridge ;integral panel point ;welding residual st ress ;temper 2at ure field ;st ress field ;finite element analysis 收稿日期:2009-05-05基金项目:国家高技术研究发展计划863项目资助(2007AA11Z119)作者简介:瞿伟廉(1946-),男,教授,博士生导师,1967年毕业于同济大学应用力学专业,1981年毕业于武汉工业大学工民建专业,工学硕士(qwlian @ )。
应力集中分析
LOGO应力集中分析Document serial number [UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108]应力集中分析假设应力在整个横截面上均匀分布而且整个杆件是均匀的，则有公式F（J =—心F为该截面上的拉内力，A为材料该截面的横截面积。
而实际上，构件并不是如此理想的，由于某种用途，在构件上经常需要有些孔洞、键槽、缺口、轴肩、螺纹或者是其他杆件在儿何外形上的突变。
所以在实际工程中，这些看似细小的变形可能导致构件在这些部位产生巨大的应力，其应力峰值远大于由基本公式算得的应力值，这种现象称为应力集中，从而可能产生重大的安全隐患。
应力集中削弱了构件的强度，降低了构件的承载能力。
应力集中处往往是构件破坏的起始点，是引起构件破坏的主要因素。
同时，应力集中的存在降低了整个构件的材料利用率，因为可能为了一部分结构的稳定而采用较高的等级的材料，与此同时构件其他部分的强度并不需要如此高的性能。
因此，为了确保构件的安全使用，提高产品的质量和经济效益，必须科学地处理构件的应力集中问题。
一、应力集中的表现及解释（主要分析拉压应力）1、理论应力集中系数：工程上用应力集中系数来表示应力增高的程度。
应力集中处的最大应力与基准应力久之比，定义为理论应力集中系数，简称应力集中系数，即在(4)式中，最大应力入汰可根据弹性力学理论、有限元法计算得 到，也可由实验方法测得；而基准应力6是人为规定的应力比的基准， 其取值方式不是唯一的，大致分为以下三种：(1) 假设构件的应力集中因素(如孔、缺口、沟槽等)不存在，以 构件未减小时截面上的应力为基准应力。
(2) 以构件应力集中处的最小截面上的平均应力作为基准应力。
(3) 在远离应力集中的截面上，取相应点的应力作为基准应力。
理论应力集中系数反映了应力集中的程度，是一个大于1的系数。
而且实验结果还表明：洁面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。
2、几种常见表现⑴时，长轴两端孔边处的拉应力集中系数为(l+2a/b)。
中承式钢管混凝土拱桥动力特性有限元分析
楚 适 村
试研● 验 究
巾承 式钢 管 混 凝 土 拱 旆 动 力 特 性 有 限 元 分析
吴 梅 容 ’ 曾 惠珍 ’孙 ， ， 颖
（ ． 建船 政 交通 职 业 学 院 ， 建 福 ， ５ ０ ７ ２福 州 大 学 ， 建 福 州 ３ ０ ０ ） １福 福 Ｊ ， Ｉ ｔ ０ ０ ；． ３ 福 ５ １ ８ 摘 要 中承 式 钢 管 混凝 土拱 桥 作 为一 种 新 型 的桥 梁型 式 应 用广 泛 。 据 统 计 分析 得 到 典 型 桥 例 为基 准 ， 根 采
图 １ 基 准 桥 型 １的 空 间有 限元 模 型
的 连接 方 式 不 同 ， 出现 了拱 梁组 合 体 系 与 刚 架 系杆 拱 桥 两 种 体 系 ， 分 利 用 了 钢 管 混凝 土拱 桥 拱 圈 自重 轻 的优 点 。 充
桥 梁 的 动 力 特性 是 桥 梁 进 行 动 力 检 测评 估 的基 础 ， 某 在
（ ） 不 管 是 无 推 力 还 是 有 推 力 的 中 承 式 钢 管 混 凝 土 拱 ３ 桥 ， 主 要 振 型均 为 面 外 振 动 、 内振 动 和 空 间 扭 转 振 动 ， 其 面 而 且 振型 的阶数越高 ， 型越复杂 。此外 ， 外 振动均 较早 出 振 面 现 ， 明 其 横 向 稳 定 问题 比较 突 出 。 说 （ ） 振 型 质 量 参 与 系 数 来 看 ， 管 是 无 推 力 还 是 有 推 ４从 不 力 的 中 承 式 钢 管 混 凝 土 拱 桥 ． 梁 的 质 量 参 与 系 数 均 具 有 较 桥 大 的离 散 性 ， 不 是 以 一 阶振 型 为主 。因此 ， 能将 其 简 单 地 并 不 简 化 为 单 自由 度 系 统 模 型 ： 采 用 振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 其 在
钢管混凝土拱桥复杂节点局部力学性
Value Engineering0引言钢管混凝土作为一种钢结构和混凝土的组合材料，应用在拱桥结构中，能够较大程度上减小拱桥的自重，提高其承载能力，增大拱桥整体跨径长度[1]，且在施工过程中的优越性以及较大程度的节约造价，使其在我国的公路建设中得到大量的发展和应用[2]。
钢管混凝土是指在钢管内灌注混凝土而形成的组合结构共同受力，钢管的抗弯和弹塑性能力都较为优秀，而混凝土的抗压能力较强，钢管混凝土组合结构是将二者的优点结合起来，共同受力，其性能远优于二者的简单叠加。
但同时，由于钢管和混凝土的共同作用，使得钢管混凝土的节点处于较为复杂的受力状态下，尤其是在拱肋拱脚处的受力行为比较突出。
本文以某钢管混凝土拱桥为例，截取其拱肋拱脚位置处的几何形状进行有限元分析，结果表明，最大主拉应力出现在拱肋、拱脚和系梁交接处，最大主压应力出现在拱肋与拱座连接处，在设计时应着重考虑该情况[3]。
本文希望通过此文以了解此类型结构的受力和承载能力的特点，以期对类似工程提供参考。
1拱肋拱脚几何计算模型主桥为计算跨径L=115m 的下承式钢管混凝土系杆拱桥，拱肋采用哑铃型钢管混凝土结构，吊杆采用钢绞线整束挤压成品索，系梁、端横梁及中横梁采用预应力混凝土结构，风撑采用空钢管结构，汽车荷载等级为公路—Ⅰ级，钢材采用Q345D 钢。
采用有限元软件建立全桥模型后，提取其拱脚拱肋位置处的内力，建立有限元模型。
根据设计图纸进行建模，有限元模型包括：拱脚伸出2.0m 长的哑铃型拱肋，拱脚实体部分，一半长度5.95m 的端横梁，拱座系梁取距离支座中心线6m 区段。
通过全桥杆系模型计算，按拱脚最不利荷载组合得到拱肋截面内力，如图1所示，分别在拱肋和纵梁选取断面加载，拱脚底施加支反力，端横梁固结约束[4]。
其中，在拱脚底施加23680kN 的支反力，拱肋施加30113kN 的轴力，58kN 的剪力，3834kN ·m 的弯矩，在纵梁截断界面处施加19522kN 的轴力，128kN 的剪力，2021kN ·m 的弯矩。
钢管混凝土拱桥稳定性分析例说
钢管混凝土拱桥；稳定性；有限元钢管混凝土结构是指将混凝土填充入圆钢管内形成应力比较大的区域出现塑性变形，结构的变形很快增大。
的混凝土结构，其本质上属于套箍混凝土。
随着跨径的当荷载达到一定数值时，即使荷载不再增加，甚至在减少不断增大，对于以承受压力为主的拱桥结构其稳定安全性荷载的情况下结构变形也自行迅速增大而致使结构破坏。
和极限承载力问题显得日益突出。
桥梁结构的稳定性是关这个荷载值实际上是结构的极限荷载，也称临界荷载或压系到其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题有同等溃荷载。
拱在不同的结构形式和不同的荷载情况下，丧失重要的意义。
本文以某钢管混凝土拱桥为研究对象，采用第一类稳定和丧失第二类稳定都有发生的可能，在有些情MIDAS有限元分析程序，建立了该桥的空间有限元计算模况下，丧失两类稳定性的区别只有理论上的意义。
实际上型，计算了该桥的稳定安全系数，对其失稳特征进行了分的结构稳定问题都属于第二类，但是，因为第一类稳定问析，根据分析结果，提出了提高其稳定性的措施。
题的力学情况比较单纯明确，在数学上作为求本征值问题也比较容易处理，而它的临界荷载又近似的代表相应第1 拱桥稳定性的理论分析二类稳定问题的上限，所以在拱桥分析中，第一类稳定拱桥结构的稳定性问题一直是国内外研究的一个热问题仍具有重要的工程意义。
与中心压杆的临界荷载相点。
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定类似，拱的第一类稳定问题在数学上是一个齐次方程的性平衡状态开始丧失，稍有挠动，结构变形迅速增大，特征值问题。
第二类稳定的临界荷载是一个非线性塑性使结构失去正常工作能力的现象。
桥梁结构的失稳现象问题，是几何非线性和材料非线性共同作用的结果。
在表现为结构的整体失稳或局部失稳。
局部失稳是指部分实际工程中，拱桥一般都是在施工阶段发生失稳，并且结构的失稳或个别构件的失稳。
局部失稳常常导致整个多数为第一类失稳。
结构体系的失稳。
钢筋混凝土拱桥和圬工拱桥，一般情况下由于跨度较拱桥的失稳可分为平衡分支失稳(第一类)和极值点失小，拱肋截面相对较大，稳定问题并不突出，材料的强度稳(第二类)两类。
带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震性能有限元分析的开题报告
带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震性能有限元
分析的开题报告
1.研究背景与意义
随着建筑工程的发展，抗震性能对于建筑物的安全变得越来越重要。
在地震中，经常会出现节点破坏的情况，尤其是在高层建筑中更为常见。
因此，研究节点抗震性能和提高其抗震能力对于保障建筑安全具有十分
重要的实际意义。
芯钢管圆钢管混凝土结构是一种新型的结构形式，其较传统的混凝
土结构具备更高的抗震能力以及更大的受力性能，因此在高层建筑工程
中得到了广泛应用。
然而，该结构形式的节点抗震性能研究尚不充分。
因此，本文拟通过有限元分析来研究带有芯钢管的圆钢管混凝土结构的
节点抗震性能，以期为今后的结构设计提供有益参考。
2.研究内容及方法
本文将以三维有限元分析为主要研究方法，通过软件ABAQUS建立
建筑物的三维模型，并在其中设置节点和荷载，按照地震动的实际特点
进行加速度时间历程的输入，从而进行节点受力分析。
具体来说，研究将分为以下几个步骤：
(1)建立芯钢管圆钢管混凝土结构的三维模型
(2)设置节点和荷载，并设定地震动的加速度时间历程
(3)进行节点的受力分析，分析节点的受力情况，并评估节点抗震性
能
(4)通过分析结果提出提高节点抗震能力的建议
3.预期成果与意义
通过有限元分析，本研究将得出带有芯钢管的圆钢管混凝土结构在地震中节点的受力分析结果，并分析其抗震性能。
同时，研究结果将为今后该结构形式的设计和改进提供有益的参考依据，为提高建筑物的抗震能力提供理论支持。
钢管混凝土拱桥吊杆索力测试与有限元分析
图3 主桥单元模型图
钢管及管内混凝土 、 缀板及缀板内混凝土采用双 单元法进行模拟 ,钢管和混凝土分别按实际截面建立 梁单元 ,在节点处变形协调相互作用 。桥面纵梁进行
5 测试结果分析
由于上 、 下游幅桥结构形式及尺寸基本相同 ,故仅
中 外 公 路 27 卷 68 测试上游幅桥在恒载下的吊杆索力 。经测试及对其结 果进行分析 ,分别考虑刚度和不考虑刚度的影响 ,与有 限元分析的结果加以对比 ,得出吊杆拉力列于表 1 ,表 中上游侧吊杆与下游侧对应吊杆拉力基本相近 , 测试 拉力在 514 ～ 627 kN 之 间 , 上 游 吊 杆 最 大 拉 力 为 626. 161 kN ( 26 # 杆 ) , 下游吊杆最大拉力为 626. 160 kN ( 26 # 杆) 。从表 1 可以看出 , 有限元计算结果与测 试值比较接近 ,误差小于 5 % 。 5. 1 约束的影响 表 1 中的 1 # 及 27 # 吊杆较短 ,长度和 2 # 以及 26 # 差不多 ,但 1 # 和 27 # 由于上弦管锚固 , 下弦管又有约 束作用 ,刚度太大 ,用频率测试有较大误差 , 对索力测 试的影响较大 ,因此没有给出测试值 ,只给出有限元计
钢管混凝土拱桥在施工和运营过程中 , 吊杆索力 的测定和分析非常重要 , 本文采用环境随机振动法对 桂林石家渡漓江大桥 ( 中承式钢管混凝土拱桥) 成桥时 吊杆索力进行了测试 , 并运用吊杆索力分析的理论和 有限元软件 AN S YS 进行了分析 。 目前索力的测量方法有 : ①油压表读数法 ; ②传 感器读数法 ; ③ 频率法 。前两种方法具有操作简便 、 直观的优点 ,在拱桥 、 斜拉桥和吊桥施工过程的初始张 拉索力测试中常用 。而目前经济 、 方便 、 快捷的量测方 法是频率测定法 ,此方法适应范围广 ,可对张拉后的索 进行测试 ,重复性好 ,是钢管混凝土拱桥等施工和运营 检测中最为适用的方法 。
钢管混凝土拱桥施工过程稳定性分析
钢管混凝土拱桥施工过程稳定性分析文章采用有限元方法对某钢管混凝土拱桥的施工过程进行了稳定性分析，发现该桥个别施工阶段的稳定安全系数较低，考虑到施工过程中的不可预见因素的影响，应加强安全措施。
标签：钢管混凝土拱桥；施工；稳定性钢管混凝土拱桥由于其承载力高、跨越能力大、桥型美观且施工方便、造价较低，近年来在我国取得了较大发展。
钢筋混凝土拱桥和圬工拱桥，一般情况下由于跨径较小，稳定问题并不突出，通常把拱肋等效为一压杆进行稳定性验算，这种方法显然只能作为拱桥稳定的简单估算。
对于钢管混凝土拱桥，跨径一般较大，且施工方法一般也不同于钢筋混凝土拱桥和圬工拱桥，只有采用有限元方法进行空间分析才能真实反应钢管混凝土拱桥在施工过程和成桥使用阶段的稳定性能。
1 计算理论稳定时桥梁工程中经常遇到的问题，与强度问题有着同等重要的意义。
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力的现象。
结构的稳定问题从失稳的受力性质上分为两类：第一类稳定，分支点失稳问题；和第二类稳定，极值点失稳问题。
实际工程中的稳定问题一般都表现为第二类失稳。
但是，由于第一类稳定问题在数学表达式上表现为特征值求解问题，较为方便，在许多情况下两类稳定问题的临界值又相差不多，因此研究第一类稳定问题有着重要的工程实际意义。
根据有限元平衡方程可以表达结构失稳的物理现象。
在T.L列式下，结构增量形式的平衡方程为：（0K0+0Kσ+0KL）？荪u=0K0？荪u=？荪R （1）在U.L列式下，结构增量形式的平衡方程为：（tK0+tKσ）？荪u=tKT？荪u=？荪R （2）发生第一类失稳前，结构处于初始构形线性平衡状态，因此，T.L列式中的大位移矩阵0KL为零。
在列式中不再考虑每个荷载增量步引起的构形变化，所以不论T.L还是U.L列式，结构的平衡方程的表达形式是同一的。
即：（K+Kσ）？荪u=？荪R （3）在结构处在临界状态下，即使？荪R趋向于零，？荪u也有非零解，按线性代数理论有：| K+Kσ |=0 （4）在小变形情况下，Kσ与应力水平成正比。
混匀取料机桥架梁有限元计算及应力分析
混匀取料机桥架梁有限元计算及应力分析[摘要]桥架梁是混匀取料机中最主要的受力结构件，本文用有限元软件（ANSYS）对本人主持设计的QG1600.37S混匀双向取料机中的桥架梁进行立体建模，并进行多种工作状态的应力计算及分析，针对应力集中点，改进设计。
从而确认了桥架梁设计的可行，认证了结构的合理性。
【关键词】桥架梁；有限元分析；应力测试；结构论证混匀双向取料机，主要用于钢铁厂二次料场，与混匀堆料机配套使用。
其构成和工作原理见图1。
1、计算软件及计算对象1.1有限元软件我们采用的是美国有限元软件公司开发的ANSYS分析软件，它具备比较完整的单元库，能进行静力、动力、屈曲、非线性等分析。
现已被广泛使用于大型、较复杂的结构件应力分析实践中。
以下就以桥架梁的建模计算为实例，说明强度计算的过程。
1.2计算依据ISO5049-1（1994）《散货连续装卸机械设计规范》（1994版）《欧州起重机械设计规范》（FEM）1.3主要技术参数设计取料能力：1600t/h，大车运行速度：工作速度2m/min 跑车速度20m/min小车运行速度：11.21m/min两端受力点垮距：37m桥架梁结构型式：双工字梁型式桥架梁全长：43m桥架梁高度：2.8m桥架梁宽度：2.4m桥架梁材料：Q3452、混匀取料机工况及载荷分析2.1工况分析混匀取料机在垮距37米的两根轨道上来回往复作直线运动，桥架梁上承载了小车及小车驱动，斗轮及斗轮驱动等部件。
桥架梁上也铺有轨道，斗轮在轨道上旋转取料并在轨道上来回往复作横向运动。
其基本有以下几种工况：（1）混匀取料机仅考虑自重的空载工况（2）混匀取料机正常取料时的工作工况+非风载（3）混匀取料机正常取料时的工作工况+风载（4）混匀取料机正常取料时的工作工况+风载+重载（5）混匀取料机正常取料时的工作工况+暴风+重载2.2载荷分析根据ISO5049-1（1994）《散货连续装卸机械设计规范》，确定设计载荷条件如下：（1）自重载荷a.结构自重通过输入杆件质量密度由程序自动计算，约57.7t。
钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数研究
钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数研究摘要：通过对钢管混凝土十字型相贯节点有限元分析，研究了在轴向拉力作用下的管节点的应力集中系数。
结果表明：轴向拉力荷载作用下钢管十字型相贯节点的应力集中系数沿着相贯线是分布是不均匀的，轴向拉力荷载作用下钢管混凝土十字型相贯节点的应力集中系数是沿着一定规律变化的。
关键词：钢管混凝土相贯节点；有限元分析；应力集中系数0引言钢管混凝土桁架结构通常承受风荷载、车辆荷载等疲劳作用荷载且相贯节点连接构造几何形态复杂，不同的焊接部位应力分布差异显著，疲劳问题突出[1]。
往往采用热点应力法评估相贯节点的疲劳寿命，而相贯节点焊缝处的应力集中系数是热点应力法的重要参数[2]，影响管节点应力集中系数大小的因素是β、γ、τ，通过以往研究发现管节点疲劳破坏的位置往往是管节点的冠点和鞍点位置。
由此可见，通过对管节点应力集中系数的研究来判断疲劳问题是很有意义的。
1有限元分析1.1模型建立采用ANSYS WORKBENCH软件对钢管混凝土十字型相贯节点进行模拟研究分析，采用SOLID187单元模拟钢管，SOLID65单元模拟混凝土，钢管和混凝土之间的界面关系使用bonded命令连结，网格划分采用自由划分的方式。
注：t为支管壁厚，d为支管外径，l为支管长度，T为主管壁厚，D为主管外径，L为主管长度，β=d/D为管径比，γ=D/2T为径厚比，τ=t/T为壁厚比、α=2L/D为主管长度和直径比。
图1.十字型管节点几何模型和参数定义图2.十字型管节点相贯线划分1.2模型几何参数表1.模型几何参数主管尺寸D×T （mm）支管尺寸d×t（mm）βγτ①-102×642×60.48.51②-102×651×60.58.51③-102×665×60.6378.51④-102×651×50.58.50.8 3⑤-102×651×40.58.50.6 67⑥-102×551×50.510.21⑦-102×451×40.512.751⑧-102×651×60.58.51表中⑧号为空钢管，其余7组均为钢管混凝土十字型管节点，①②③为第一组对比β变化时，管节点应力集中系数变化情况；②③④为第二组对比τ变化时，管节点应力集中系数变化情况；②⑥⑦为第三组对比γ变化时，管节点应力集中系数变化情况②⑧为第四组对比空钢管和钢管混凝土十字型管节点的应力集中系数变化情况。
薄壁钢管混凝土节点的试验研究与ANSYS有限元分析
收稿日期:2006-03-09. 作者简介:曹宝珠(1970～),男,吉林省长春市人,副教授,博士. ＊国家自然科学基金项目(50478027).薄壁钢管混凝土节点的试验研究与ANSYS 有限元分析＊曹宝珠1,2 张耀春1 余红军1 许 辉1(1:哈尔滨工业大学,哈尔滨 150090; 2:吉林建筑工程学院,长春 130021)摘要:通过对8个薄壁钢管混凝土柱与组合梁节点的试验研究,得出了各类节点受力性能的一般规律.试验证明,各节点均具有较高的承载力和较好的延性性能.采用A NSYS 有限元程序中的Solid 65单元和Shell 181单元分别来模拟组合梁、柱中的混凝土和薄壁钢板对节点进行有限元分析,理论计算结果与试验基本吻合.关键词:薄壁钢管混凝土柱与组合梁节点;承载力;延性性能;有限元分析中图分类号:T U 311.2 文献标识码:A 文章编号:1009-1288(2007)02-0001-04 随着我国钢材产量的逐年增加和高强度、高性能建筑结构用钢的大量生产,我国已进入大力发展钢结构建筑的新时期.普通钢结构建筑的受力性能分析和设计计算方法已比较成熟,轻型钢结构和普通钢-混凝土组合结构也处于进一步开发和完善阶段,而轻钢-混凝土组合结构的研究还仍然较少[1-3].笔者对薄壁钢管混凝土柱与组合梁的刚接节点进行了试验研究,得到了一些有益的结论.1 试验方案 共对8个节点进行了试验研究,其中JD 1,JD 2为八边形柱节点,其余为方形柱节点.如图1a 所示,JD 1与JD 2的上、下柱均采用八边形截面,高度均为500m m ;组合梁外部钢板采用带卷边的冷弯“U ”形截面,钢板厚度2mm ,且内部上、下各配有2 12螺纹钢筋,并贯穿节点域.其中JD 1在梁、柱相交部位加一钢套管,套管与柱壁厚均为2mm .钢套管四面开槽,槽内穿有“井”字形的钢肋板,板厚3m m ,一侧肋板较长,另一侧肋板较短,其较长的肋板与梁连接;JD 2的八边形柱上、下贯通,壁厚为2mm ,只在有梁一侧开槽,槽内设带有弯钩的肋板,部分嵌入柱混凝土中.JD 3～JD 8为带有混凝土翼缘板的节点,翼缘板厚60mm ,宽为700mm ,长度与梁相同,内配 6@100钢筋.其中,JD 3～JD 5节点域构造(图1b )与JD 1相同,内设“井”字形的钢肋板与帽形钢梁相连.JD 6～JD 8节点域构造(图1c )与JD 2类似,不同之处在于这3个节点均设有3m m 厚的上下外加强环与帽形钢梁相连.此外,组合梁开口处设有钢拉条,柱端及梁端均焊有钢盖板.各板件交接及搭接位置均为满焊,其焊缝强度不低于母材强度.图1 薄壁钢管混凝土柱与组合梁节点示意图以上节点的钢管及板件由指定厂家加工完成.浇注混凝土后节点JD 1,JD 2自重2.825kN ,其余节点自 第24卷 第2期2007年6月吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报Journal of Jilin Architectural and Civil Engineering Institute Vol .24 No .2Jun .2007重4.085kN ,加载用手动千斤顶自重0.54kN .各钢板、混凝土的强度及弹性模量如表1,表2所示.表1 节点钢材性能板厚/mm屈服强度/(N ·mm -2)极限强度/(N ·mm -2)×e 5弹性模量/(N ·mm -2)2.0296.7385.01.693.0276.7355.61.664.0311.7395.51.78表2 节点混凝土强度试件名称f cuk /(N ·mm -2)f ck /(N ·mm -2)E c (N ·mm -2)试件名称f cuk /(N ·mm -2)f c k /(N ·mm -2)E c (N ·mm -2)JD 1,JD 240.831.033743JD 6,JD 755.437.138494JD 350.934.137105JD 848.632.636371JD 4,JD 554.036.238068图2 节点的加载装置 试验分为对称加载和反对称加载两种情况.对称加载时,把节点倒置于反力架下(图2a ),两端组合梁支承在支座上,将手动千斤顶放在柱顶施加荷载,荷载值大小通过千斤顶上的压力传感器进行控制.梁下一端为固定铰支座,另一端为可动铰支座.为测量组合梁混凝土的应变,采用千分表两端用铁豆固定的方法实现.铁豆为钢制小圆柱体,中部有小孔,用以固定千分表及表端钢丝(辐条).节点上柱及组合梁外钢板的应变均采用应变片进行测量,从而可以确定钢板与混凝土间的相对滑移情况.节点1设有18个应变片,节点2设有28个应变片,百分表位置相同.反对称加载装置如图2b 所示,上下柱顶及梁两端均为铰支,能够在平面内自由转动.为了防止反对称加载时柱子发生倾覆,柱子两端各设有一个钢拉杆,其另一端固定在反力架上.2 试验结果 JD 1的节点域较强,而梁相对较弱,因此,破坏时梁起控制作用.当荷载加至极限荷载的80%时,组合梁的受压钢板在柱根部出现轻微的局部屈曲,内部混凝土有明显的开裂现象,随后裂缝逐渐开展,梁端竖向挠度逐渐增大.达到极限荷载时,构件表现出很大的延性,其竖向位移可达50m m (梁长500mm ),此时测得最大承载力为162.8kN (含自重),其荷载位移曲线并未出现下降段.JD 2的组合梁相对较强,因此,破坏时由节点起控制作用.当荷载加至极限荷载的60%～80%时,梁根部受拉混凝土出现裂缝,同时受压钢板也出现局部屈曲.随后,组合梁与柱外部钢板交接处受拉钢板首先进入屈服状态,当达到极限承载力时,拉应力最大位置处柱外钢板被撕裂.此时荷载位移曲线略有下降,后又趋于平缓,其极限承载力为147.8kN (含自重),最后承载力为142.6kN .JD 2表现出较好的延性性能,最大竖向位移为30mm .JD 3～JD 5为内设“井”字形肋板并带有翼缘的节点.其中JD 3为对称加载,JD 4,JD 5为反对称加载.由于对称加载时,混凝土翼缘处于受拉区,因此,当荷载加至80kN 左右时,一侧翼缘板在靠近梁根部位置首先开裂,随后另一侧也出现裂缝,并随荷载逐渐增加而发展为通缝,极限荷载为155.9kN (含自重),且达到极限荷载后不易持荷,承载力缓慢下降,表现出很好的延性.JD 4,JD 5梁两端的承载力基本相同,分别为82.5kN 和81kN .在荷载加至45kN 左右时,两侧翼缘板受拉一侧几乎同时有微裂缝出现,随后裂缝逐渐开展成为通缝.试验结果表明,该类型节点在反对称荷载作用下,两侧组合梁截面的抗弯承载力基本相同,并且各节点在达到极限承载力时,梁根部的受压区钢板均有不同程度的局部屈曲现象发生.JD 6～JD 8为帽形钢梁上下有外加强环的节点.JD 6为对称加载,当荷载加至120kN 时,一侧翼缘板底部出现微裂缝,并随着荷载的增加裂缝逐渐扩展,直至破坏.达到极限荷载时,一侧梁板发生破坏,而另一侧完好,同时,梁根部钢板出现了较明显的局部屈曲,其极限荷载值为179.9kN (含自重).对于反对称加载情况,当荷载达到50kN 时,在节点中部与柱子相交处,出现微裂缝并逐渐开展为通缝.JD 7,JD 8的极限荷载分别为73kN 和66kN ,且在达到极限荷载后仍具有较高的承载力.外加强环节点的明显破坏特征是加强环首先进入屈服状态,并发生轻微的翘曲变形,最后加强环与柱外2吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报第24卷钢板焊接处被拉坏.各节点类型及承载力参见表3.图3 薄壁钢管混凝土节点理论与试验对比3 有限元分析 由于节点的构造很复杂,因此,可采用ANSYS 有限元程序对其进行静力分析.其中混凝土采用8节点Solid 65实体单元,薄壁钢板采用四节点Shell 181壳单元,钢板与混凝土不发生相对滑动.Solid 65单元可用于配筋和不配筋三向混凝土单元,这种单元在拉伸作用下能够开裂,在压力作用下能够被压碎,同时,还可以模拟混凝土在超过极限压应力后的软化效应.在梁上下截面配有钢筋的位置,将钢筋弥散到混凝土中,形成钢筋混凝土单元.钢材采用双折线应力-应变关系及随动硬化模型,并采用Mises 屈服条件进行控制.取1/2模型进行分析,在柱端及对称面上施加位移约束.试验及理论分析对比如图3所示.4 结论 通过对2个八边形及6个方形薄壁钢管混凝土柱与组合梁节点的试验研究,证明了笔者所采用的轻钢3 第2期曹宝珠,张耀春,余红军,许 辉:薄壁钢管混凝土节点的试验研究与A NSYS 有限元分析4吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报第24卷混凝土节点类型均具有足够的承载力和延性性能.采用“井”字形肋板和设置外加强环,能有效地提高节点的极限承载力,而在组合梁上部配置一定数量的纵向钢筋,对于改善其在负弯矩作用下的受力性能和延性性能具有重要意义.采用ANSYS有限元程序中的Solid65单元和Shell181单元来模拟组合梁、柱,将纵向钢筋弥散在混凝土单元中,对节点进行有限元分析,理论计算结果与试验基本吻合.有限元分析及试验结果表明,对焊有端板的组合梁、柱节点,钢板与混凝土间的相对滑移对承载力,以及变形影响不大,可不予考虑.参 考 文 献 [1] S tephen P.Schneider,Yousef M.Alostaz.Experimental behavior of connections to concrete-filled steel tubes〔J〕.J.Construct.S teel Res. 1998,45(3):321-352. [2] 李 风.低周循环荷载下冷弯型钢与混凝土组合结构节点抗震性能研究〔D〕.西安建筑科技大学博士学位论文,2002:42-80. [3] 曹宝珠,张耀春.轻钢-混凝土组合结构的发展趋势〔J〕.工业建筑增刊,2002:636-640.Experiment and ANSYS Finite Element Analysis onConcrete Filled Thin-walled Steel Tube JointsCAO Bao-zhu1,2,ZHANG Yao-chun1,YU Hong-jun1,XU H ui1(1:Harbin Institute of Technology,Harbin 150090;2:Jilin Architectural and Civ il Engineering I nstitute,Changchun 130021)A bstract:Ex periment on joints of concrete filled thin-walled steel tube and composite beam is carried out in8 specimens,and mechanics perform ance of all type joints is concluded in general.Test results indicate that each joint has higher bearing capacity and better ductility perform ance.The Solid65and Shell181Elements of AN-SYS finite element prog ram are adopted to simulate concrete and thin-w alled steel sheet of composite beams and columns.Calculation results in theories is proved conformity w ith the test in prim ary.Keywords:joint of co ncrete filled thin-w alled steel tube and composite beam;bearing capacity;ductility perfor-mance;finite element analy sis。
某大跨度钢管砼拱桥有限元建模与稳定性计算
１３５ ／ ． 。副拱 拱 肋 采 用 钢 筋 砼 结 构 ， 轴 线 为 圆 曲 拱 线 ， 肋 由两 半 拱加 一 段 长 ５ ． ４ ｎ的直 线 段 纵 拱 Ｏ ２ ６ｒ 梁构成 ， 副拱 计算 跨 径 ｚ ３ ８ ８ｉ ， 一７ ． ６ ｎ 计算 矢 高 厂 一
２ ． ３ ， 跨 比 ， Ｚ ／ ． ０ 。主拱 与副 拱及 纵 ２ ０ ７ｒ 矢 ｎ ／ 一１ ６ ７ ４ 梁构成 一个 弯 月形 状 。边拱 拱 肋 采用 钢 筋砼 结 构 ，
拱轴线 为 圆曲线 ， 拱肋 为悬 臂 半拱 ， 边拱 计算 跨 径 ｚ
一６ 梁端 留 ６ｒ 直 线 段） 计算 矢 高 厂 ９ ３ ２ ５ｍ（ ｆ ｌ ， 一１ ． ６ １ ， 跨 比 ｚ ／ ． １ 。主拱 拱肋 为 ４肢钢 管 桁 Ｔ失 Ｉ 一１ ６ ７ ５
ＩＫ。 ＋ ａ Ｋ ］ 一０ ］ Ｅ ｆ Ｅ
摘 要 ： 据 某在 建 大跨 度 钢 管砼 拱 梁 复 合 式拱 桥 的 结 构 特 点 ， 用 ＭＩ Ａｓ Ｃ ＶＩ 根 利 Ｄ ／ Ｉ Ｌ软 件 建 立 其 空 间有 限 元 分析 模 型 ， 对该 桥 的 稳 定 性进 行 分析 研 究 ， 算 了其 失 稳 模 态 ， 真 计 算 结 果 表 明 该 计 仿
结 构 、 型新 颖 的 钢 管砼 拱 桥 的稳 定 性 满 足要 求 。 造 －
关 键 词 ： 梁 ； 管砼 拱桥 ； 限 元模 型 ；稳 定 性 桥 钢 有
中 图分 类 号 ： ４ ． ２ Ｕ４ ８ ２ 文 献标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １ ６ ８ ２ １ ） ３ １ ２ ２ １ ７ ～２ ６ （ ０ １ ０ —０ ４ —０
载能力 和 跨越 能 力 大 幅提高 。 自 １ ９ ９ １年第 一 座钢
方管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱节点的应力分析
% + &* +:&* " ;<=>? 图 1a柱尺寸为 350×350×14，梁 尺寸为 400×200×8×13，图 1b中柱尺 寸为 600×200×8×13，梁尺寸同图 1 （a）。模型的梁长均取 2m，柱高取 3m。 运用有限元软件 ANSYS进行节点 的设计和分析，用实体单元 solid65模拟 混凝土，用实体单元 20node186模拟钢 材，均采用弹塑性本构 TB模型，其中混 凝土采用多线性随动强化模型，钢材双 线性随动强化模型，智能划分网格，精度 为 6。
% ) &' +:" ;CDEFGH% 从图 3可以看出，两个节点均在梁 柱连接处的应力最大，其中节点 1由于 对称性，应力分布更加均匀饱满，柱身应 力不大；节点 2的应力分布不规则，较大 的应力集中在弱轴根部，此部分柱身局 部拉应力较大，存在起拱的趋势。另一方 面，节点 2弱轴根部应力大于节点 1相 应位置，但强轴根部应力小于前者，设计 中将以弱轴方向为控制方向，则强轴方 向材料达不到充分利用，不经济。 将节点 2弱轴梁上翼缘与柱连接 处、强轴梁上翼缘与柱连接处、弱轴连接
#-%&'()*+5-%& '(./06789
经过计算，两个节点的最大主应力 云图如图 3所示。
近几年装配式钢结构以其安全性、
经济性、环保性等优点被大力推广，其建
设过程相较传统的混凝土建筑缩短了工
期，提升了抗震性能，降低了基础造价，
减少了环境污染。
. All装R配i式g钢ht结s构设R计es的e重r要ve环d节.之一
将每个梁端集中力加至 160kN，使 节点大面积进入屈服区，得到的应力云 图如图 6。
钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点热点应力集中系数研究
钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点热点应力集中系数研究卫星;吴琛泰;巨云华;邹建豪【摘要】钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点应力集中程度高,疲劳问题突出,是影响桥梁寿命的关键因素.基于国际焊接协会提出的热点应力计算方法,利用ANSYS 软件建立精细有限元模型,研究各种典型荷载作用下板—管焊接节点焊趾处的热点正应力、热点剪应力集中系数.结果表明:热点正应力集中系数在约1/4焊缝长度处最大,外焊缝大于内焊缝,节点板焊趾大于钢管焊趾,内焊缝钢管焊趾处均为压应力;剪应力集中系数在焊缝两端最大,中间最小,内焊缝钢管焊趾剪应力流方向与外焊缝相反;节点板两端直角构造改为圆弧构造,能显著降低端焊缝热点正应力集中程度;板管焊接节点处于拉—剪联合作用复杂应力场,应综合考虑正应力、剪应力集中,焊缝端点和约1/4焊缝长度处应力集中程度最高,建议作为疲劳设计的“热点”.【期刊名称】《中国铁道科学》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】6页(P67-72)【关键词】桁架拱桥;钢管混凝土;板—管焊接节点;热点应力集中系数;疲劳性能【作者】卫星;吴琛泰;巨云华;邹建豪【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U24;U441.4钢管混凝土结构承压能力强，施工方便，广泛应用于大跨拱桥结构。
目前国内修建的各式钢管混凝土拱桥已达400余座，如四川旺苍东河大桥、波司登长江大桥等公路桥，水柏铁路北盘江大桥、在建的成贵高铁西溪河大桥等铁路桥[1]。
钢管混凝土桁架拱桥结合了钢管混凝土与钢管桁架的优点，主钢管内填充混凝土，主钢管之间通过H型杆件或空钢管连接构成桁架拱肋。
钢管混凝土桁架节点的主要构造形式包括相贯焊接管节点和板—管焊接节点2种。
相贯节点制造安装方便，外观协调，但节点受力复杂，疲劳等级低；板—管焊接节点应力水平较低，安全储备大，但内外侧焊缝同时承受正应力和剪应力，焊缝附近应力集中程度高，疲劳问题突出[2-4]。
钢管混凝土拱桥施工过程的应力监测与研究
收稿日期:2005205227作者简介:朱才明(19702),男,安徽人,工程师,从事道桥工程设计研究工作。
钢管混凝土拱桥施工过程的应力监测与研究朱才明1,刁丽红2,纪翠娜3(1.烟台市城建设计研究院有限公司,山东烟台 264001;2.烟台城乡建设学校,山东烟台 264001;3.鲁东大学交通学院,山东烟台 264001)摘 要:介绍大跨径钢管混凝土拱桥的施工监控理论和方法,对烟台市养马岛跨海大桥主桥建立了有限元分析空间模型,采用空间有限元分析系统(MIDAS/Civil )对整个施工阶段进行了分析计算,并通过该桥全过程的施工监测结果,探索大跨径钢管混凝土拱桥的受力特性。
结果表明,施工控制所采用的计算模型、监测方法和控制方法是可行的。
关键词:钢管混凝土拱桥;施工监控;空间模型;受力特性中图分类号:U448.225 文献标识码:A 文章编号:100927716(2005)04201212021 施工监控理论和方法简介1.1 施工控制方法随着现代科学技术的发展,桥梁施工控制也不断更新,目前常用的控制方法主要有以下几种:(1)外力平衡法,(2)无外力控制法,(3)联合法。
其中外力平衡法包括锚索加载法、水箱加载法和斜拉扣控法三种。
1.2 施工控制理论目前,国内外提出的控制理论主要有:最小二乘法最优控制法、卡尔曼滤波随机最优终点控制方法、灰色理论、模糊理论等。
其中以最小二乘法及卡尔曼滤波法显成熟,应用最广。
钢管混凝土劲性骨架拱桥采用了最小二乘法进行参数识别。
2 烟台市养马岛大桥工程概况烟台市养马岛大桥北接养马岛,南接烟台市牟平区宁海镇。
全桥长507.06m ,全宽26m ,其中行车道宽23m ,两侧人行道宽各3m 。
桥梁总体布置:两端均为6×25m 预应力空心板梁引桥,主桥结构形式为三孔柔性系杆钢管混凝土下承式简支拱。
主孔跨径100m ,两边孔跨径均为50m 。
主孔与边孔拱轴线均采用二次抛物线,主孔矢高19.1m ,矢跨比1/5,边孔矢高11.59m ,矢跨比1/4,吊杆间距均为5.9m 。
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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:
III
钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
KEY WORDS: concrete-filled steel tubular arch bridge; Saint Venant's principle; tubular joints; Static analysis; stress concentration
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I
硕士学位论文
第 1 章 绪论
1.1 钢管混凝土拱桥概况
1.1.1 研究背景及意义
拱桥是一种以受压为主的结构，可以利用抗压强度高、抗拉强度低的圬工材 料修建，当地基条件较好，足以抵抗支座处的水平分力时，这种结构具有很大的 经济性。拱桥的适用跨径范围较大，从几十米到三四百米、甚至更大（于1997年 建成通车的混凝土拱桥万县长江大桥主跨为420m；2004年建成通车的钢管混凝土 拱桥巫山长江大桥主跨达460m；钢桁架或钢箱拱桥中，朝天门大桥和卢浦大桥已 达到550多米）[1]。此外，在山区深沟峡谷、库区等地形条件下，大跨拱桥能避免 高墩或高塔的建造，单跨拱桥不需要像连续梁、斜拉桥那样用边跨来平衡主跨， 因此具有很强的竞争力。长期以来，圬工和钢筋混凝土拱桥在我国得到广泛的应 用。然而，圬工钢筋混凝土拱桥的自重较大，无支架施工困难等缺陷限制了其跨 径进一步增大，随着经济的发展、劳动力价格的提高和建筑材料供应的充分和价 格的相对下降，拱桥的经济性和技术先进性日益受到其他桥型的挑战。上个世纪 八十年代末，我国在西南地区开始了将钢管混凝土结构应用于拱桥的实践。1990 年第一座钢管混凝土拱桥—四川旺仓东河大桥建成[2]。此后，这种桥型在我国的 公路建设中得到大量的应用和发展，据不完全统计，已建成和在建的钢管混凝土 拱桥已达200余座[3]。目前，已建成的钢管混凝土拱桥的跨径达到460m（重庆巫 山长江大桥）[3]。因此，研究钢管混凝土拱桥的受力特点，具有重要的实际和理 论意义。
硕士学位论文
摘要
钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能 好、经济性好等优点，近年来在桥梁建设中，特别是在以受压为主的拱桥中获得 了广泛的应用。在这些拱桥结构的节点中，荷载由支管直接传给主管，由于支管 的轴向刚度远远大于主管的径向刚度，主支管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。 合理的节点构造及其设计方法引起了世界各国研究者的关注。本文所做工作为西 部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究”的部分 内容，主要研究内容如下：
(1) The feature and the development situation in arch bridge of the steel pipe concrete are briefly introduced. the item pay attention to designing the concrete-filled steel tubular arch bridge has put forward, and there are the introduction of the Saint Venant's principle and the application in the concrete-filled steel tubular structure.
IV
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。
1
钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
高了内填混凝土的抗压强度和弹性模量，混凝土的支撑提高了钢管的稳定性[4] ， 充分发挥两种材料的优点，改善了组成材料的力学性能。因而，钢管混凝土具有 一系列优越的力学性能。
钢管混凝土具有以下几个特点： （1）承载力高 对于薄壁钢管来说，由于对局部缺陷很敏感，其承载力是极不稳定的。在钢 管中灌混凝土形成钢管混凝土构件后，钢管约束了混凝土，延缓了混凝土受压时 的纵向开裂，而混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部稳定，两种材料相互弥补了 彼此的弱点，充分发挥了各自的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载能力， 其承载力大大高于二者单独承载力之和。 （2）塑性和韧性好 单向受力时混凝土的破坏特征属于脆性破坏，对于高强度混凝土 （ fcu 50MPa ， fcu 为混凝土立方试块强度）尤其如此，但钢管混凝土中的核心 混凝土在钢管的约束下，不仅在使用阶段改善了它的弹性性能，而且在破坏时也 能产生很大的塑性变形，从而使钢管混凝土具有优良的抗震性能。在冲击荷载或 振动荷载作用下，这种结构也能表现出很好的韧性，因而抗震性能好。 （3）制作和施工方便 与钢筋混凝土相比，钢管混凝土没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简 便。此外混凝土的浇灌更为方便，特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落免振混 凝土和自密实混凝土等工艺，更可加速钢管混凝土的施工进度。与预制钢筋混凝 土构件相比，钢管混凝土不需要构件预制场地。与钢结构构件相比，钢管混凝土 的构件通常更为简单，因而焊缝少，更易于制作。特别是在钢管混凝土中可更为 广泛地采用薄壁钢管，因而进行钢管现场拼接对焊更为简易快捷，此外，由于空 钢管构件的自重小，可以减少运输和吊装等费用。 钢管混凝土在施工制造方面发展的一个重要方向是其钢管制造的标准化。钢 管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求，可以节约人工费用， 降低工程造价，加快建设速度。 （4）耐火性能好 钢管内填有混凝土，在高温情况下，由于核心混凝土可吸收钢管传来的热量， 从而使其外包钢管的升温滞后，这样钢管混凝土中钢管的承载力损失要比纯钢结 构相对更小，而钢管也可以保护混凝土不发生崩裂现象。火灾作用下，随着外包 钢管温度的不断升高，其承载力会不断降低，并把卸下的荷载传递给温升较慢、 且具有较高承载力的核心混凝土。这样由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝 土之间具有相互贡献、协同互补和共同工作的优势，使这种结构具有较好的耐火 性能。
(3) the analysis and calculation on variation of stress concentrate factor for both concrete-filled steel tubular and hollow steel tubular DTY joints, XYT joints, DTDY joints under the axial strength or axial and bending loadings together function in brace along with the variation of diameter of braces and the included angle of braces and chords the have carried out. The results show that the concrete-filled steel nodes are more obvious than the empty steel tube nodes on stress concentrate phenomenon and as well as nodes under the function of axial strength than axial and bending loadings together function in brace.