开敞下承式系杆拱桥稳定性分析
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在上述荷载的作用下, 对圭塘河大桥有限 元模型进行静力计算, 结果如下:
( 1) 圭塘河大桥没有设置风撑, 运营阶段 时拱肋上最大的轴向压力为 18 141 kN。
由于圭塘河大桥结构失稳时, 拱肋临界轴 力为 172 991 7 kN, 且由前面结构运营阶段的 静力计算可知, 运营阶段拱肋的最不利轴力为 18 141 kN。故按公式 ( 1) 计算结构的弹性稳 定系数为:
采用 ANSYS 结 构分析软件, 对圭 塘河大 桥结构建立有限元模型, 整个有限元模型有节 点共计 1 367 个; 单元 1 262 个, 其中包括梁 单 元 ( BEAM 188 ) 600 个, 吊 杆 单 元 ( L INK10 ) 22 个, 混 凝 土 桥 面 板 单 元 ( SHELL 143) 640 个。成桥状态结构分析有限 元模型见图 2。
参考文献: [ 1] 李国豪 桥梁结构稳定与振动( 修订版) [ M ] 北京: 中 国
铁道出版社, 1996 [ 2] 顾安邦, 孙国柱 公路 桥涵设 计手册 拱 桥( 下 册) [ M ]
北京: 人民交通出版社, 1994 [ 3] 钱莲萍, 项海帆 空 间结构 侧倾 稳定性 的实用 计算[ J]
点失稳。一般来说, 按弹性稳定理论计算的结 构临界力较实际结构的临界力偏大。正确的应
考虑拱肋的变形影响和材料弹塑性影响, 按几 何非线性和材料非线性理论来求得结构的失稳
极限荷载, 通常称之为压溃荷载。对于敞开式 系杆拱, 其拱肋之间无横撑联系, 其面外稳定 性自然倍受关注, 因而很有必要对其面外稳定 性进行非线性分析, 进而为桥梁的施工提供参 考和指导[ 5] 。
7 5 kN/ m; 汽车活载: ( 施加于有限元模型的汽车活
载为: 均布面载 2 8 kN/ m 2, 作用于行车道; 6 个集中力大小为 235 kN, 施加于跨中横梁;
横 向 风 载: 由 于 设 计 基 本 风 压 为 500 N / m2, 本文假定风载主要作用于拱肋, 故横向 风荷载取为 750 N/ m, 作用于两拱肋中心线;
考虑几何非线性时结构压溃时拱肋最大的
轴力为 164 105 kN。而由前面结构运营阶段的 静力计算可知, 运营阶段拱肋的最不利轴力为
18 141 kN。则按公式 ( 1) 计算结构的稳定系 数为:
k
=
164 18
114015=
9
04 6
Hale Waihona Puke Baidu
k 减少了 5 14% 。
由于拱圈及吊杆存在着材料非线性, 经计 算考虑材料非线性时结构压溃时拱肋最大的轴
工 程建 设
26
Engineering construction
文章编号: 1673- 8993( 2007) 04- 0026- 03
第 39 卷 第 4 期 2007 年 8 月
开敞下承式系杆拱桥稳定性分析
陈红阳 ( 湖南省常德路桥建设有限公司, 湖南 常德 415000)
摘 要: 介绍了某开敞下承 式系杆 拱桥 的工程 概况, 采 用有限 元法 对该 桥的主 要构 件
圭塘河大桥在运营阶段所承受的荷载主要
有: 一期恒载 ( 即自重) 、二期恒载 ( 包括桥 面铺装、防 撞墙、人 行道栏杆 等) 、活 载、风 荷载等。
其中: 一期恒载: 取重力加速度为 9 8 m/ s2; 二期恒载: 实桥中 桥面铺装为 8 cm 的沥 青混凝土, 桥面铺装荷载为 1 84 kN / m2; 人行道栏杆和 防撞墙对 应的荷载 取为
以保证拱圈的稳定。同时, 在施工过程中需不 断地张拉系杆内预应力束来平衡拱圈随荷载增 加而增大的水平推力, 最终选择了满堂支架法 施工。具体布置如图 4 所示。
图 4 支架立面
支架设计时主要考虑了主拱圈下荷载比较 大, 基础沉降控制, 支架变形沉降控制以及阻 水面积不能超过有关部门的要求等因素。支架 水平力, 主要是水流的冲击力和上游漂浮物的 撞击力。大桥施工完后, 经有关部门对大桥检 测, 拱肋的施工偏差均在设计要求的范围内。
桥面宽度: 全宽 32 4 m = 3 0 m ( 人行道 含栏杆) + 1 7 m 拱圈宽+ 23 m ( 六车道) + 1 7 m 拱圈宽+ 3 0 m ( 人行道含栏杆) ;
抗震设防烈度: 7 度; 混凝土: 上部结构采用 C50 混凝土。
收稿日期: 2007- 06- 28 作者简介: 陈红阳( 1970- ) , 男, 工程师 。
Key words : low er supported; t ied arch bridge; open t ype; finite element; st abilit y analysis; support
1 工程概况
长沙市人民东路圭塘河大桥主桥西起高岭 路, 东与浏阳河高架 桥相接, 全 长 390 多 m, 主桥为无风撑下承式预应 力混凝土系杆拱 桥, 跨径 78 m, 主桥宽度 为 32 4 m。桥面采用钢 筋混凝土格子梁, 铺装 9 cm 厚的沥青混凝土。 大桥横断面见图 1。
k
=
172 991 18 141
7=
9
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工 程建 设
第 39 卷 第 4 期
( 2) 系杆拱桥设计时虽然尽量使恒载压力 线与拱轴线重合, 但在施工安装阶段, 压力线 将随架设过程不断变化, 必然偏离拱轴线。此 外, 还有施工预拱度的设置, 施工偏差导致的 初变形, 非对称加载等因素, 使得实际系杆拱 桥的失稳性态大部分属于第二类失稳, 即极值
4结语
根据以上分析计算结果, 针对施工中的几 个问题, 可得到如下几点结论:
( 1) 对于跨径 78 m, 桥宽 32 4 m 的下承 式混凝土拱桥, 考虑结构几何非线性和材料非 线性后稳定安全系数降低较多, 故在施工中应 采用措施尽量减少结构的初始变形。
( 2) 由于桥宽达 32 4 m, 经过比较, 选择 了有支架法施工, 按照有关计算进行了施工支 架地设计。大桥施工完毕后, 通过了有关荷载 试验。
屈曲是指结构的初始平衡状态由稳定变位
不稳定的现象, 通常也称之为第一类失稳。屈 曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时
的临界载荷和屈曲模态形状 ( 结构发生屈曲响 应的特征形状) 的技术[ 1, 2] 。
对圭塘河大桥结构弹性屈曲计算分析结果
表明: 圭塘河大桥的第一阶失稳表现为横向失 稳, 失稳时, 拱顶横向位移最大, 即结构失稳 主要表现为拱肋横向失稳, 且失稳时拱肋呈正 弦半波形状。计算表明, 大桥结构弹性失稳时 拱肋临界轴力为 172 991 7 kN [ 3, 4] 。
图 1 大桥横断面图
2 拱圈稳定性分析
考虑到长沙市人民东路圭塘河主桥为 78 m 跨径的下承式预应力混凝土系杆拱桥, 宽度达 32 4 m。拱圈没有设置风撑, 故应进行拱圈空
2007 年 8 月
陈红阳 开敞下承式系杆拱桥稳定性分析
27
间稳定性分析, 确保桥梁施工的安全。 2 1 结构分析有限元模型建立
Chen Hongyang
Abstract : T he general condit ions of an open low er supported ty pe t ied arch bridge was int roduced, st abilit y analysis w as made for t he main st ruct ural member of t he bridge concret e arch ring using the finit e elem ent met hod, and the bridge construct ion scheme w as g iven
0 126 6 的冲击系数。
根据以上计算模型和计算参数, 以及施工 阶段的划分, 利用 结构空间分 析程序 ANSYS
进行计算。
2 3 结构稳定系数计算 拱肋稳定安全系数 k 通常采用下述表达方式:
k = N cr/ N
( 1)
式中 N cr 拱肋失稳临界轴力; N 该阶段对应的使用荷载作用下的 拱肋轴力。
力为 429 36 1 kN。而由前面结构运营阶段的 静力计算可知, 运营阶段拱肋的最不利轴力为 181 41 kN。则按公式 ( 1) 计算结构的横向弹 塑性稳定系数为:
k
=
42 9 18
316411 =
2
367
与仅考虑几何非线性计算结构比较, 稳定
系数减少了很多。必须谨慎对待。
3 施工对策
系杆拱桥施工方法大致有先拱后梁和先梁 后拱两种 方法, 对应 地 是有 支架 和无 支架 施 工。由于设计对拱肋施工 误差要求比较严 格, 施工误差不得大于 3 cm。由于本桥桥宽达 32 4 m, 采用无支架施工, 需设置拱肋间临时风撑,
图 2 结构有限元模型
2 2 结构有限元分析参数的选取 图 3 中 1 号、8 号纵 梁为系杆, 截面为箱
形; 2~ 7 号纵梁为小纵梁, 截面为矩形; 1 号、 13 号横梁为端横梁, 2~ 12 号横梁为小横梁。
图 3 桥面系纵横梁位置
汽车 荷载: 城 - A 级, 车道 荷 载为 六 车
道, 整 体计 算 时 考 虑 了 0 55 的 折 减 系 数 及
同济大学学报, 1989, 17( 2) [ 4] 向中富, 顾安邦 肋拱的横向稳 定性计算 [ J] 重庆交 通
学院学报, 1991, 10( 2) [5] 赵兴 华, 徐福 娣 线 性 与 非 线 性 连 续 体 有 限 元 分 析
( A DIN A 程序理 论部 分) [ M ] 郑 州: 郑 州机 械研 究 所, 1982
混凝土拱圈稳定性进行了分析, 拟定了大桥最 终的施工方案。
关键词: 下承式系杆拱桥; 开敞; 有限元; 稳定性分析; 支架
中图分类号: U 448 22+ 5
文献标识码: B
Stability analysis of an open lower supported type tied arch bridge
( 1) 圭塘河大桥没有设置风撑, 运营阶段 时拱肋上最大的轴向压力为 18 141 kN。
由于圭塘河大桥结构失稳时, 拱肋临界轴 力为 172 991 7 kN, 且由前面结构运营阶段的 静力计算可知, 运营阶段拱肋的最不利轴力为 18 141 kN。故按公式 ( 1) 计算结构的弹性稳 定系数为:
采用 ANSYS 结 构分析软件, 对圭 塘河大 桥结构建立有限元模型, 整个有限元模型有节 点共计 1 367 个; 单元 1 262 个, 其中包括梁 单 元 ( BEAM 188 ) 600 个, 吊 杆 单 元 ( L INK10 ) 22 个, 混 凝 土 桥 面 板 单 元 ( SHELL 143) 640 个。成桥状态结构分析有限 元模型见图 2。
参考文献: [ 1] 李国豪 桥梁结构稳定与振动( 修订版) [ M ] 北京: 中 国
铁道出版社, 1996 [ 2] 顾安邦, 孙国柱 公路 桥涵设 计手册 拱 桥( 下 册) [ M ]
北京: 人民交通出版社, 1994 [ 3] 钱莲萍, 项海帆 空 间结构 侧倾 稳定性 的实用 计算[ J]
点失稳。一般来说, 按弹性稳定理论计算的结 构临界力较实际结构的临界力偏大。正确的应
考虑拱肋的变形影响和材料弹塑性影响, 按几 何非线性和材料非线性理论来求得结构的失稳
极限荷载, 通常称之为压溃荷载。对于敞开式 系杆拱, 其拱肋之间无横撑联系, 其面外稳定 性自然倍受关注, 因而很有必要对其面外稳定 性进行非线性分析, 进而为桥梁的施工提供参 考和指导[ 5] 。
7 5 kN/ m; 汽车活载: ( 施加于有限元模型的汽车活
载为: 均布面载 2 8 kN/ m 2, 作用于行车道; 6 个集中力大小为 235 kN, 施加于跨中横梁;
横 向 风 载: 由 于 设 计 基 本 风 压 为 500 N / m2, 本文假定风载主要作用于拱肋, 故横向 风荷载取为 750 N/ m, 作用于两拱肋中心线;
考虑几何非线性时结构压溃时拱肋最大的
轴力为 164 105 kN。而由前面结构运营阶段的 静力计算可知, 运营阶段拱肋的最不利轴力为
18 141 kN。则按公式 ( 1) 计算结构的稳定系 数为:
k
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164 18
114015=
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k 减少了 5 14% 。
由于拱圈及吊杆存在着材料非线性, 经计 算考虑材料非线性时结构压溃时拱肋最大的轴
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文章编号: 1673- 8993( 2007) 04- 0026- 03
第 39 卷 第 4 期 2007 年 8 月
开敞下承式系杆拱桥稳定性分析
陈红阳 ( 湖南省常德路桥建设有限公司, 湖南 常德 415000)
摘 要: 介绍了某开敞下承 式系杆 拱桥 的工程 概况, 采 用有限 元法 对该 桥的主 要构 件
圭塘河大桥在运营阶段所承受的荷载主要
有: 一期恒载 ( 即自重) 、二期恒载 ( 包括桥 面铺装、防 撞墙、人 行道栏杆 等) 、活 载、风 荷载等。
其中: 一期恒载: 取重力加速度为 9 8 m/ s2; 二期恒载: 实桥中 桥面铺装为 8 cm 的沥 青混凝土, 桥面铺装荷载为 1 84 kN / m2; 人行道栏杆和 防撞墙对 应的荷载 取为
以保证拱圈的稳定。同时, 在施工过程中需不 断地张拉系杆内预应力束来平衡拱圈随荷载增 加而增大的水平推力, 最终选择了满堂支架法 施工。具体布置如图 4 所示。
图 4 支架立面
支架设计时主要考虑了主拱圈下荷载比较 大, 基础沉降控制, 支架变形沉降控制以及阻 水面积不能超过有关部门的要求等因素。支架 水平力, 主要是水流的冲击力和上游漂浮物的 撞击力。大桥施工完后, 经有关部门对大桥检 测, 拱肋的施工偏差均在设计要求的范围内。
桥面宽度: 全宽 32 4 m = 3 0 m ( 人行道 含栏杆) + 1 7 m 拱圈宽+ 23 m ( 六车道) + 1 7 m 拱圈宽+ 3 0 m ( 人行道含栏杆) ;
抗震设防烈度: 7 度; 混凝土: 上部结构采用 C50 混凝土。
收稿日期: 2007- 06- 28 作者简介: 陈红阳( 1970- ) , 男, 工程师 。
Key words : low er supported; t ied arch bridge; open t ype; finite element; st abilit y analysis; support
1 工程概况
长沙市人民东路圭塘河大桥主桥西起高岭 路, 东与浏阳河高架 桥相接, 全 长 390 多 m, 主桥为无风撑下承式预应 力混凝土系杆拱 桥, 跨径 78 m, 主桥宽度 为 32 4 m。桥面采用钢 筋混凝土格子梁, 铺装 9 cm 厚的沥青混凝土。 大桥横断面见图 1。
k
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172 991 18 141
7=
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工 程建 设
第 39 卷 第 4 期
( 2) 系杆拱桥设计时虽然尽量使恒载压力 线与拱轴线重合, 但在施工安装阶段, 压力线 将随架设过程不断变化, 必然偏离拱轴线。此 外, 还有施工预拱度的设置, 施工偏差导致的 初变形, 非对称加载等因素, 使得实际系杆拱 桥的失稳性态大部分属于第二类失稳, 即极值
4结语
根据以上分析计算结果, 针对施工中的几 个问题, 可得到如下几点结论:
( 1) 对于跨径 78 m, 桥宽 32 4 m 的下承 式混凝土拱桥, 考虑结构几何非线性和材料非 线性后稳定安全系数降低较多, 故在施工中应 采用措施尽量减少结构的初始变形。
( 2) 由于桥宽达 32 4 m, 经过比较, 选择 了有支架法施工, 按照有关计算进行了施工支 架地设计。大桥施工完毕后, 通过了有关荷载 试验。
屈曲是指结构的初始平衡状态由稳定变位
不稳定的现象, 通常也称之为第一类失稳。屈 曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时
的临界载荷和屈曲模态形状 ( 结构发生屈曲响 应的特征形状) 的技术[ 1, 2] 。
对圭塘河大桥结构弹性屈曲计算分析结果
表明: 圭塘河大桥的第一阶失稳表现为横向失 稳, 失稳时, 拱顶横向位移最大, 即结构失稳 主要表现为拱肋横向失稳, 且失稳时拱肋呈正 弦半波形状。计算表明, 大桥结构弹性失稳时 拱肋临界轴力为 172 991 7 kN [ 3, 4] 。
图 1 大桥横断面图
2 拱圈稳定性分析
考虑到长沙市人民东路圭塘河主桥为 78 m 跨径的下承式预应力混凝土系杆拱桥, 宽度达 32 4 m。拱圈没有设置风撑, 故应进行拱圈空
2007 年 8 月
陈红阳 开敞下承式系杆拱桥稳定性分析
27
间稳定性分析, 确保桥梁施工的安全。 2 1 结构分析有限元模型建立
Chen Hongyang
Abstract : T he general condit ions of an open low er supported ty pe t ied arch bridge was int roduced, st abilit y analysis w as made for t he main st ruct ural member of t he bridge concret e arch ring using the finit e elem ent met hod, and the bridge construct ion scheme w as g iven
0 126 6 的冲击系数。
根据以上计算模型和计算参数, 以及施工 阶段的划分, 利用 结构空间分 析程序 ANSYS
进行计算。
2 3 结构稳定系数计算 拱肋稳定安全系数 k 通常采用下述表达方式:
k = N cr/ N
( 1)
式中 N cr 拱肋失稳临界轴力; N 该阶段对应的使用荷载作用下的 拱肋轴力。
力为 429 36 1 kN。而由前面结构运营阶段的 静力计算可知, 运营阶段拱肋的最不利轴力为 181 41 kN。则按公式 ( 1) 计算结构的横向弹 塑性稳定系数为:
k
=
42 9 18
316411 =
2
367
与仅考虑几何非线性计算结构比较, 稳定
系数减少了很多。必须谨慎对待。
3 施工对策
系杆拱桥施工方法大致有先拱后梁和先梁 后拱两种 方法, 对应 地 是有 支架 和无 支架 施 工。由于设计对拱肋施工 误差要求比较严 格, 施工误差不得大于 3 cm。由于本桥桥宽达 32 4 m, 采用无支架施工, 需设置拱肋间临时风撑,
图 2 结构有限元模型
2 2 结构有限元分析参数的选取 图 3 中 1 号、8 号纵 梁为系杆, 截面为箱
形; 2~ 7 号纵梁为小纵梁, 截面为矩形; 1 号、 13 号横梁为端横梁, 2~ 12 号横梁为小横梁。
图 3 桥面系纵横梁位置
汽车 荷载: 城 - A 级, 车道 荷 载为 六 车
道, 整 体计 算 时 考 虑 了 0 55 的 折 减 系 数 及
同济大学学报, 1989, 17( 2) [ 4] 向中富, 顾安邦 肋拱的横向稳 定性计算 [ J] 重庆交 通
学院学报, 1991, 10( 2) [5] 赵兴 华, 徐福 娣 线 性 与 非 线 性 连 续 体 有 限 元 分 析
( A DIN A 程序理 论部 分) [ M ] 郑 州: 郑 州机 械研 究 所, 1982
混凝土拱圈稳定性进行了分析, 拟定了大桥最 终的施工方案。
关键词: 下承式系杆拱桥; 开敞; 有限元; 稳定性分析; 支架
中图分类号: U 448 22+ 5
文献标识码: B
Stability analysis of an open lower supported type tied arch bridge