拱桥局部应力分析报告
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.
三拱肋钢管混凝土系杆拱桥拱脚局部应力分析
下的拱 脚区域的应力分布和受力机理 ， 计算结 果表 明 ： 设计时需要注意对拱脚和拱肋相接处、 支座支撑处 、 系杆与端横 梁连接处 等 位 置采取局部钢筋网的加强等措施以分散应力。 关键词 ： 三拱肋 ， 钢管混凝土 ， 系杆拱桥． ， 拱脚 ， 局部应 力
系杆拱桥施工过程中应力分析研究
系杆拱桥施工过程中应力分析研究摘要：本文以XXXXX立交特大桥1孔128m系杆拱桥为工程背景，介绍了针对系杆拱桥系梁施工监控的应力测试技术原理和方法，对实测应力的多种影响因素及误差进行了分析，验证了主要针对温度的应力修正方法，最后依据相似理论分析了1:16全尺寸缩尺模型，对比相同工况下的模型应力和实桥应力，结果表明缩尺模型应力经过换算后，大致能与实际桥梁相应位置应力吻合，为今后建设的系杆拱桥应力安全提供了有效依据。
关键词：系杆拱桥；施工监控；应力分析；缩尺模型；相似理论1 引言钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的一种复合材料[1][2]，它一方面借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受力状态，从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。
系杆拱桥是一种特殊形式的拱桥，兼有拱桥和梁桥的特点，由于其在两拱脚间设置系梁，使得拱脚水平分力得以平衡，而使基础不受水平推力或只受较小的推力[3]。
与通常的圬工拱桥和梁桥相比，其有地基适应性强、结构受力合理、用料省、建筑高度低、施工方法多、造型美观等方面的特点，但拱桥在建造过程中,施工阶段的结构安全尤其是应力安全一直是令设计单位和施工单位担心并十分关注的重要问题，可见，进行施工过程中的跟踪监测是施工控制中必不可少的[4][5]。
已竣工的一些大跨度拱桥,施工中不乏惊险情况和潜在危险，现已引起世界桥梁工程界的足够重视。
现针对在建主跨跨度为128m的XXXXXXX钢管混凝土系杆拱桥,重点考虑在此桥施工监控中应力测试结果，介绍系杆拱桥施工监控必要性及主要内容，并分析了全尺寸缩尺模型，使缩尺模型能够为今后的系杆拱桥建设提供借鉴。
2 工程概况XXXX128m系杆拱桥跨越高速公路树屏收费站互通式立交A 匝道、D 匝道、E 匝道，与匝道斜角27°，设计时速160km/h，双线有砟轨道，系杆拱桥系梁采用单箱三室截面，采用满堂支架、分5段浇筑方式，全长131m，梁高3.0m，梁顶宽14.7m，底宽12.04m，梁端拱脚处10.5m范围内，梁顶加宽至15.3m，梁底加宽至13.2m。
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。
钢管混凝土系杆拱桥系梁应力状态分析
钢管混凝土系杆拱桥系梁应力状态分析王哲龙【摘要】The research background is Maocixian interchange bridge,a 1 × 128 m tied arch bridge. Two cases w ere studied including collar beam casting and longitudinal prestressing strands tensioning. The measured stress in the field test with temperature correcting was compared with results of finite element simulation and 1∶16 scale model testing conducted in the lab. The results show that the stress values of these three methods are very close given the same loading case and the same location,and the error is within 0. 6% to 5%.%以茅茨岘立交特大桥1×128 m 系杆拱桥为依托，分系梁浇筑完毕和系梁纵向预应力张拉结束2种工况，将从实桥采集的应力数据进行温度修正后，与有限元模拟值和按1∶16缩尺室内模型的试验结果进行对比分析。
分析结果表明：相同工况、相同位置处实桥截面应力实测值、有限元模拟值和室内模型试验值大致相同，误差在0.6%～5%。
【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】4页(P23-25,30)【关键词】钢管混凝土系杆拱桥;相似理论;有限元模拟;缩尺模型;应力分析【作者】王哲龙【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043【正文语种】中文【中图分类】U448.22+5;U448.33系杆拱桥兼有拱桥跨越能力大和简支梁桥地基适应能力强两大特点，是大跨度组合结构桥梁的重要发展方向之一。
某系杆拱桥边跨钢结构变形与应力分析
某系杆拱桥边跨钢结构变形与应力分析摘要：本文重点对某系杆拱桥边跨钢结构进行了变形与应力分析。
分析结果显示：系杆拱桥边跨钢结构变形满足规范要求，系杆拱桥边跨钢结构mises应力处于可控范围之内。
系杆拱桥边跨钢结构设计合理可靠，为类似系杆拱桥的设计提供了参考。
关键词：系杆拱桥；钢结构；变形；应力Abstract : This article focuses on the analysis of deformation and stress of side-span steel structure of a certain tied arch bridge. The results show that the deformation of the side-span steel structure meet specification requirements and the mises stress of the side-span steel structure is manageable. The design of the side span steel structure of the tied arch bridge is reasonable and reliable, also providing a reference for the design of similar tied arch bridge.Key words : tied arch bridge; steel structure; deformation; stress1 工程概况某中承式钢拱桥布置为46+138+46＝230m。
上部结构采用三跨双索面中承式系杆拱桥方案，主拱采用异形钢箱拱，主梁为等截面钢－混凝土叠合梁结构，吊杆采用高强度镀锌平行钢丝斜拉索，沿系梁布置水平系杆索。
拱肋之间设置拱上横撑和梁下横梁使其连成整体。
下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部受力分析
下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部受力分析叶梅新,李一可(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘 要:采用大型通用有限元软件ANS YS ,运用有限元两步分析法,针对正在设计中的客运专线下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部结构的局部应力分布特征及其传力特性,对该拱脚的结构构造及其细节的合理性做出了对比分析和综合评价。
关键词:下承式钢箱系杆拱;拱脚;有限元;应力中图分类号:U441 文献标识码:A 文章编号:1004—5716(2007)07—0165—051 概述本文所述设计中客运专线下承式钢箱系杆拱桥,矢跨比为1/4.67,拱肋中心距16m ,拱轴线型采用二次抛物线;拱肋结构采用双肋平行变截面钢箱,钢箱截面宽为2m ,高拱脚处为4.5m ,拱顶处3m ,中间截面高按内线直插;桥面系采用纵横梁与混凝土板半结合结构体系。
混凝土板宽13.4m ,厚30cm ,全桥共设4片纵梁,19根横梁,2×15根吊杆,5根横撑。
全桥轮廓尺寸见图1。
图1 全桥轮廓图 ②钢丝直径不均、偏小。
(3)回缩:①夹片应力不足。
②夹片纹路纹理过浅。
③夹片外壁及锚环内壁光洁度不足,摩擦力过大,导致挤压力不足。
5 影响因素影响钢绞线与锚具锚固效果的因素有以下几种:(1)锥面倾角α。
在一定的范围内,α越小,挤压力越大。
(2)摩擦系数f 。
锚环与夹片之间的摩擦力对锚环起反作用,保持接触面光滑可提高锚固性能。
(3)钢绞线与夹片的硬度。
合理确定两者的相对硬度是维持咬合力的基础。
(4)夹片内螺纹。
合理设计夹片内螺纹的几何尺寸,并在生产中保持其均匀性,有利于提高锚固性能,在充分考虑锚环与夹片强度的前提下,控制与调整以上因素对设计和施工都具有十分重要的意义。
6 预防措施(1)保持预应力管道的顺畅,减少摩阻力。
(2)选用质量合格的锚具,使用前检查并剔除不合格的锚具和夹片。
(3)若锚环与夹片接触面较粗糙,涂抹黄油。
7 结束语通过对预应力施工过程中出现断丝、滑丝、回缩等故障原因的分析,及时地采取了相应的处理措施,为优质、高效地完成江溪塔大桥的施工提供保障。
斜靠式拱桥拱座应力浅析
斜靠式拱桥拱座应力浅析1、引言1987年，西班牙建筑师Santiago Calatrava 成功设计了第一座斜靠式拱桥-Bacde Roda Bridge [1]。
斜靠式拱桥外形独特、样式新颖，是颇有竞争力的城市景观桥。
斜靠式拱桥在近年来引入我国并已建成数座。
例如江阴杏春桥、义乌丹溪桥等。
2、实例分析本桥梁全长190m，跨径组合为（3X20+80+2X20）m，主桥为跨径80m四榀斜靠式拱桥。
主桥上部结构采用跨径80m四榀斜靠式拱桥，主拱圈计算跨径80m，计算矢高20m，矢垮比1：4，线形为二次抛物线；斜拱圈计算跨径80m，计算矢高20.403m，矢垮比1：3.921，线形为二次抛物线，内倾69.937°。
拱圈断面均为倒三角三肢式钢管混凝土。
正拱圈在钢管及正拱内三角形空间灌注微膨胀混凝土，斜拱圈仅在钢管内灌注微膨胀混凝土。
由于拱肋通过拱座将大部分荷载传至支座，故支座处承担了巨大的压力，且为平衡拱座产生的拉力，主梁还张拉了大量预应力钢筋，故拱座处于三向受力的复杂状态，有必要对其应力分布特点、大小进行计算分析。
本文采用ansys程序建立桥梁三维模型，对本桥进行了应力计算与分析，重点是考察拱座处应力分布特点，并利用计算结果指导桥梁建设，对拱座处局部构造进行了改进。
图1桥总体布置图（单位：cm）3、有限元计算模型3.1计算参数3.2计算荷载与工况（1）恒载：混凝土容重26kN/m3，钢材容重78.5 kN/m3。
（2）汽车荷载等级：公路-Ⅰ级。
（3）温度梯度：按《公路桥涵设计通用规范》计算，按顺桥向和横桥向分别计算主梁的温度自应力。
（4）体系溫差：升温工况按体系升温25℃，桥面板15℃；降温工况按体系降温25℃，桥面板8℃。
（5）荷载组合根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004），计算如下工况：组合1：恒载+汽车+人群组合2：恒载+汽车+人群+体系升温组合3：恒载+汽车+人群+体系降温3.3计算模型的建立由于本桥的拱座与主梁受力无法区别开来，故不能够采用只建立拱座的方式来计算受力，因此在计算中采用建立全桥模型的方式来考察。
哈大高速铁路钢箱叠合拱桥拱脚局部应力分析
（ ｃｏｌ ｆ ｉｉＥ ｇｎｅｉｇ Ｂ ｉ ｇＪ ｏｏ ｇＵ ｉ ｒ ｔ，Ｂｉｎ ０ ０４ Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ ｖ ｎｉｅｒ ， ｅｉ ｉ ｔ ｎ ｅｓ ｙ ｅｉ １０ ４ ， ｈｎ） Ｃ ｌ ｎ ｊ ｎ ａ ｎ ｖ ｉ ｊｇ
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第 ３ ４卷 第 ４ 期
２１ ０ ０年 ８月
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Ｖｏ ． ４ Ｎｏ． １３ ４ Ａｕ ．２ ０ ０１
ＲＮＡＬ ０Ｆ Ｂ Ｉ Ｉ Ｅ Ｊ ＮＧ Ｉ Ｊ Ａ０ＴＯＮＧ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
文 章 编 号 ：６３０ ９ （０ ０ ０ ．０ ４０ １７ ．２ １２ １ ） ０ ８．４ ４
保 证桥 梁使 用的安 全 ， 在设 计和施 工 中应 加 以重视 ．
关键词 ： 高速铁 路 ； 钢箱 叠合拱桥 ； 间有限元模 型 ； 部应 力分析 ； 脚 应力分 布 空 局 拱
中图分类 号 ： ４ ８ ２ ５ Ｕ ４ ．２ 文献标 志码 ｉ Ａ
《桥墩屈曲及应力分析报告》
《桥墩屈曲及应力分析报告》计算：审核：202x年11月目录1工程概况 (12)荷载与工况........................................................................................................12.1计算荷载.................................................................................................12.2荷载组合.................................................................................................33计算模型 (34)结果分析............................................................................................................34. 1工况一、....................................................................................................34.1.1钢桁梁支反力..............................................................................34.1.2桥墩屈曲分析..............................................................................44.1.3桥墩应力分析..............................................................................54.2工况二、....................................................................................................54.2.1钢桁梁支反力..............................................................................54.2.2桥墩屈曲分析..............................................................................64.2.3桥墩应力分析..............................................................................74.3工况三、....................................................................................................74.3.1钢桁梁支反力..............................................................................74.3.2桥墩屈曲分析..............................................................................84.3.3桥墩应力分析..............................................................................94.4工况四、....................................................................................................94.4.1钢桁梁支反力..............................................................................94.4.2桥墩屈曲分析............................................................................104.4.3桥墩应力分析............................................................................114.5工况五、..................................................................................................114.5.1钢桁梁支反力............................................................................114.5.2桥墩屈曲分析............................................................................124.5.3桥墩应力分析. (13)4.6工况六、..................................................................................................134.6.1钢桁梁支反力............................................................................134.6.2桥墩屈曲分析............................................................................144.6.3桥墩应力分析............................................................................154.7工况七、..................................................................................................164.7.1桥墩屈曲分析............................................................................164.7.3桥墩应力分析............................................................................175结论和说明 (18)两跨钢桁梁桥墩屈曲及应力分析计算书1工程概况该工程为两跨简支梁结构，墩高95.3m，钢桁梁跨度98.84m，为双向二车道，公路等级为一级。
钢管混凝土拱桥施工过程拱肋应力分析
钢管混凝土拱桥施工过程拱肋应力分析作者：刘凯宇来枭雄来源：《城市建设理论研究》2013年第20期摘要：钢管混凝土拱桥施工架设过程中，管内混凝土灌注后强度逐渐发展，结构刚度分阶段形成，并伴随着混凝土收缩徐变的发生，从而影响钢管混凝土拱肋以及全桥的受力性能。
以神龙桥为背景，通过有限元软件MIDAS/Civil的“施工阶段联合截面”功能来计算混凝土灌注过程及其收缩徐变情况下结构的应力变化过程。
关键词：钢管混凝土；拱桥；施工阶段联合截面中图分类号： U448 文献标识码： A 文章编号：钢管混凝土的结构形式相对简单，结构体系受力明确，而在施工安装阶段即混凝土浇筑前和混凝土由灌注到硬结过程，随着混凝土强度的发展，组合截面的刚度是分阶段形成的[1]。
成桥后混凝土发生收缩和徐变会对结构的内力和应力重分布、线型和结构稳定性产生较大影响[2]。
目前尚无专用的设计规范和计算理论来考虑混凝土灌注过程和后期收缩徐变对结构受力产生的影响，采用有限元程序进行施工过程的模拟是一种比较可行的方法。
1工程背景神龙桥位于浙江省嘉兴市城南路上，为下承式系杆拱桥；系杆拱片由拱肋、系杆和吊杆组成，拱肋和系杆则由拱脚处的钢箱连接，再将两拱片用四道顶风撑及十三根底横梁连接，并在横梁间安装空心板浇筑桥面铺装等组合成下承式系杆拱桥。
系杆拱桥计算矢高为9.9m，矢跨比为1/5.12，每拱肋按跨径12等分设置11根吊杆，相邻吊杆间距离为4.28m，每根吊杆由36ø15.24钢绞线组成。
拱肋为直径0.6m，壁厚12mm钢管内灌注混凝土的圆形截面。
风撑为直径0.6m，壁厚14mm的空钢管。
桥面宽度为：净6.0m+1.0m（人行道）。
桥面设1%的横坡。
设计荷载为汽车-10；人群荷载为3.5kN/m2，五级通航。
每拱片系杆由两根管径为127mm，壁厚12mm的钢管内穿两根9ø15.24钢绞线组成，钢绞线外套外径D=80mm的金属波纹管，内灌纯水泥浆加以保护，波纹管与钢管无粘结。
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
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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
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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
基于ABAQUS的异形钢拱桥拱脚局部应力分析
基于ABAQUS的异形钢拱桥拱脚局部应力分析刘贺;赵满【摘要】针对异形钢拱桥拱脚受力复杂,分析难度大的问题,本文基于ABAQUS对拱脚建立精细化模型.根据拱脚不同材料的特点来选用ABAQUS软件中相适应的单元进行模拟,利用Embedded、预定义场等技术实现预应力筋的模拟.分析不同工况下的试验结果可知:该方法能得到拱脚应力分布规律,结果可靠;拱脚的安全储备较高,设计合理.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2018(044)010【总页数】2页(P143-144)【关键词】异形拱桥;精细化模型;预应力;应力【作者】刘贺;赵满【作者单位】长安大学,陕西西安 710064;长安大学,陕西西安 710064【正文语种】中文【中图分类】U443.220 前言异形拱桥凭借其独特的造型和优美的力学曲线，在新建项目中广受青睐。
但异形拱桥的传力路径与常规拱桥不同，使得异形拱桥在设计上难度更大，尤其是受力复杂的拱脚部位。
拱脚作为拱式结构的关键部位，决定着整桥承载性能。
拱脚处的截面和材料的变化往往会导致应力集中与突变[1]，尤其容易出现拉应力过大，引起混凝土开裂导致结构受损[2]。
关于异形拱桥的拱脚局部受力有限元计算，国内学者做了很多研究[3]。
本文主要结合实际桥梁，通过大型有限元分析软件ABAQUS对拱脚的应力进行分析，进而判断该异形拱桥的安全性。
1 有限元模型建立1.1 工程概况实桥上部结构跨径为100+130+40 m中承式拱梁组合体系桥梁，主梁为等高度钢-混凝土混合连续梁。
其中混凝土梁段为三向预应力构件，按A类预应力构件设计。
混凝土箱梁采用单箱三室截面，箱梁顶板厚300 mm，底板厚400 mm，横梁厚0.4 m，拱脚处横梁厚4 m。
钢箱梁为单箱三室断面，箱梁顶板厚16 mm，底板厚14 mm，腹板厚12 mm；顶、底板均设U型加劲肋，腹板设一字加劲肋。
主拱肋中心线采用三次抛物线，副拱肋中心线采用二次抛物线，拱肋上缘曲线及下缘曲线均采用圆弧线或三次抛物线。
施州大桥桥塔局部应力分析
文章编号:1671-2579(2008)04-0117-05施州大桥桥塔局部应力分析陈湛荣1,丘俊华2,车 竞3(1.广州特希达科技有限公司,广东佛山 528300;2.佛山市公路勘察规划设计所有限公司;3.重庆交通大学) 摘 要:该文应用Ansys 及Midas 程序建立实体有限元模型对施州大桥桥塔进行局部应力分析,得出其应力分布规律。
并在“影响矩阵理论”的基础上,提出采用等效温度荷载模拟预应力荷载的“影响矩阵预应力法”,为多向预应力荷载的模拟提供了一种有效方法。
关键词:影响矩阵预应力法;斜拉桥;局部应力;Ansys ;Midas收稿日期:2007-10-21作者简介:陈湛荣,男,硕士研究生.E -mail :chenzhanrong_L g @1 工程概况斜拉桥是由索、梁、塔三种基本构件组成的缆索承重结构,表现为大位移小应变的柔性受力特征,通过调整索张力来优化结构受力状态是斜拉桥的主要特点。
随着施工技术的进步及高强度混凝土的发展,混凝土斜拉桥的跨越能力不断增大,加上我国城市化进程的加快,对桥梁美学的要求越来越高,使得斜拉桥构造特别是桥塔的构造越来越复杂,对桥塔进行局部应力分析已经成为结构分析中不可或缺的一部分。
本文以施州大桥为依托,应用Ansys 及Midas 程序对最不利荷载工况进行局部应力分析,得出应力分布规律。
在模拟预应力荷载时,将索力优化的“影响矩阵法”推广应用于预应力荷载的有限元模拟中,本文称之为“影响矩阵预应力法”。
施州大桥是湖北恩施州第一座斜拉桥,跨度为30+100+145+3×30m 。
主桥为独塔单索面斜拉桥,刚构体系,墩塔梁固结。
主跨145m ,边跨100m ,主梁为预应力混凝土结构,单箱三室断面,梁高2.6m ,顶宽21.5m ,底宽8m ,箱形外侧为斜腹板。
斜拉索采用扇形索面,主跨索距均为8.5m ,边跨前9对索索距为8.5m ,后5对索索距为4.25m 。
桥塔为独柱式C50钢筋混凝土结构,上塔柱截面为长方形,下塔柱沿纵桥向成人字流线形,曲线优美。
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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目录
1工程概况 (2)
2分析方法 (4)
2.1受力特点 (4)
2.2分析方法 (4)
2.3分析软件 (4)
3计算模型 (4)
3.1整体杆系分析模型 (4)
3.2局部实体分析模型 (4)
3.3边界荷载 (5)
3.4边界位移约束 (6)
3.5工况组合 (6)
4主要计算结果 (6)
4.1主拱座主拉应力云图 (6)
4.2主拱座主压应力云图 (8)
4.3主拉应力等值面图 (9)
4.4横向正应力图 (9)
4.5纵向正应力图 (11)
4.6预埋板及钢管范梅塞斯应力云图 (12)
5结论及建议 (22)
1.工程概况主桥立面图如下：
图1-1 主桥立面图
2
2.分析方法
2.1 受力特点
11号、12号主桥中间主墩区域从构造角度来看，该处不仅是主跨两幅拱肋共同作用处，也是边跨两幅拱肋共同作用处，其上还承受着立柱的作用。
因此该处构造复杂，是设计的关键部位。
从受力角度来看，拱肋产生的巨大推力，都要通过主拱座传递给承台。
综合以上因素，由于该处构造的复杂性导致受力的复杂性，并且容易产生局部应力集中，因此对主拱座的应力分布状况和应力大小进行计算分析是十分必要的。
2.2 分析方法
由于拱脚处结构构造复杂，采用考虑了剪切变形的三维Timoshenko梁单元也无法对其受力状况进行准确和仔细的模拟，因此需要采用空间实体有限元进行分析才能得到较真实的结构受力状态和应力分布。
具体分析方法为建立局部模型，利用圣维南原理通过整体模型的分析结果来设置适当的边界条件以反映结构真实的受力状况。
2.3 分析软件
采用midas FEA，midas Civil。
3.计算模型
3.1 整体杆系分析模型
根据桥梁结构的总体构造布置，建立大桥的三维有限元空间模型。
拱肋、主梁、桥墩和桩模拟为考虑了剪切变形的三维弹性Timoshenko梁单元，吊杆模拟为只受拉力的桁架单元。
全桥空间模型如图，
图3-1 全桥空间有限元模型
3.2局部实体分析模型
截取11号主桥中间主墩拱座（以下简称主拱座,包括主跨部分拱肋4.8m、边跨部分拱肋4m、立柱5m、预埋板、拱座、普通钢筋）作为分析对象，根据施工图纸建立模型并划分单元。
模型图和钢筋布置图见图3-2，3-3和3-4。
立柱、拱座、钢管混凝土拱肋、预埋板采用三维实体单元，钢筋采用一维植入式钢筋单元。
图3-2 主拱座计算模型图
图3-3 主拱座预埋板及钢管网格图
图3-4 主拱座计算模型钢筋布置图
3.3边界荷载
考虑各种荷载效应组合后，通过整体杆系分析模型的内力结果，可以得到局部分析模型的边界条件，其内力结果如表3－1：
表3－1细部模型边界荷载
根据圣维南原理，为了避免边界荷载对关注区域的影响造成应力失真，拱座周围建立了拱肋及立柱，将杆系模型的内力弯矩结果加载在实体模型边界上，此时边界荷载加载处的拱肋及立柱会出现应力失真，不在研究范围内，分析结果时将忽略这些位置的应力。
在有限元网格划分后，需在拱肋及立柱截面形心位置处建立主节点，并以该截面上其余节
点为从节点，建立主节点与从节点之间的刚体连接如图3-5：
图3-5 荷载边界施加示意图
3.4 边界位移约束
因为左右两幅不单结构形式对称，且在静力荷载工况下，荷载也对称。
而有限元模型取为真实结构的一半，所以此次分析为沿桥纵轴面对称结构分析，在模型对称面上应该约束横桥向的节点自由度，在拱座底部视为固结，如图3-6：
图3-6 位移边界约束示意图3.5工况组合
根据整体杆系模型结果，共验算以下四种工况组合：
4 主要计算结果
4.1 主拱座主拉应力云图
图4-1-1组合I主拱座主拉应力P1图(Mpa)
图4-1-2组合I主拱座主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-3组合I主拱座边跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-4组合I主拱座主跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-5组合II主拱座主拉应力P1图(Mpa)
图4-1-6组合II主拱座主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-7组合II主拱座边跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-8组合II主拱座主跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-9组合III主拱座主拉应力P1图(Mpa)
图4-1-10组合III主拱座主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-11组合III主拱座边跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-12组合III主拱座主跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-13组合IV主拱座主拉应力P1图(Mpa)
图4-1-14组合IV主拱座主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-15组合IV主拱座边跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
图4-1-16组合IV主拱座主跨方向预埋板下方主拉应力P1剖分面图(Mpa)
通过以上四种工况组合的主拉应力图，可以看到在组合I拱肋最值轴力作用下，主拱座的拉应力值完全满足抗拉设计要求，在组合II情况下，由于拱肋最值弯矩造成小部分区域拉应力超标，但主要集中在钢管内混凝土区域，可以不予考虑，另外预埋板下方直接接触钢管的混凝土个别单元应力值偏大，达到3-4MPa，考虑到有限元应力集中的因素可以忽略。
整体上来说结构基本满足抗拉强度设计要求。
4.2 主拱座主压应力云图
图4-2-1组合I主拱座主压应力P3图(Mpa)
图4-2-2组合I主拱座主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-3组合I主拱座边跨方向预埋板下方主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-4组合I主拱座主跨方向预埋板下方主压应力P4剖分面图(Mpa)
图4-2-5组合II主拱座主压应力P3图(Mpa)
图4-2-6组合II主拱座主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-7组合II主拱座边跨方向预埋板下方主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-8组合II主拱座主跨方向预埋板下方主压应力P4剖分面图(Mpa)
图4-2-9组合III主拱座主压应力P3图(Mpa)
图4-2-10组合III主拱座主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-11组合III主拱座边跨方向预埋板下方主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-12组合III主拱座主跨方向预埋板下方主压应力P4剖分面图(Mpa)
图4-2-13组合IV主拱座主压应力P3图(Mpa)
图4-2-14组合IV主拱座主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-15组合IV主拱座边跨方向预埋板下方主压应力P3剖分面图(Mpa)
图4-2-16组合IV主拱座主跨方向预埋板下方主压应力P4剖分面图(Mpa) 通过以上各种组合下的主压应力图，可以看到主拱座结构整体上满足抗压强度设计要求，模型有极个别单元主压应力达到30MPa，所占比例不足1%，主要集中在预埋板上方钢管内部直
接接触钢管的混凝土，可以予以忽略。
4.3 主拉应力等值面图
图4-3-1 组合I主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
图4-3-2 组合II主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
图4-3-3 组合II主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
图4-3-4 组合III主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
图4-3-5 组合III主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
图4-3-6 组合IV主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
图4-3-7 组合IV主拉应力P1＝1.5 Mpa等值面图
从主拉应力等值面图的对比中可以看到，在组合I下主拱座区域主拉应力都在1.5MPa以下，在组合II、III、IV下，由于弯矩的作用，预埋板下方靠近立柱侧钢管周围的混凝土会有部分区域应力超过1.5MPa，达到2-4MPa，但该区域很小，考虑到有限元应力集中的影响，可以予以忽略。
4.4 横向正应力图(注：图中应力值受拉为正，受压为负)
图4-4-1 组合I横桥向正应力σy图(Mpa)
图4-4-2 组合II横桥向正应力σy图(Mpa)
图4-4-3 组合III横桥向正应力σy图(Mpa)
4.5 纵向正应力图(注：图中应力值受拉为正，受压为负)
图4-5-1 组合I纵桥向正应力σx图(Mpa)
图4-5-2 组合II纵桥向正应力σx图(Mpa)
图4-5-3 组合III纵桥向正应力σx图(Mpa)
4.6 预埋板及钢管范梅塞斯应力云图
从上图可以看到钢材的范梅塞斯应力最大为106MPa，没有超标。
5结论及建议
结论:
（1）预埋板下方钢管周围靠近立柱侧的混凝土区域主拉应力值较大。
（2）拱座大部分区域满足主拉应力范围要求。
建议:
（1）加强预埋板下方钢管周围靠近立柱侧的混凝土区域的配筋。
6附录图中所示梁单元内力方向为正值：。