高速铁路跨度钢箱叠合拱桥理论研究与实桥试验

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1、高速铁路跨度钢箱叠合拱桥理论研究与实桥试验第1章绪论1.1钢箱叠合拱桥的发展概述拱桥是一种以拱结构（拱助或拱圈）作为主要承重构件的桥型。在自重与桥面荷载作用下，拱结构的两端产生竖向反力与水平推力，而拱结构的内部产生轴向压力，因此与同等跨度的梁桥相比，拱结构的跨中弯矩减小了，使得结构材料强度得以充分发挥[1，2]。现代大跨度桥梁理论认为，结构在荷载作用下，其传力路径越短，结构越合理。在桥梁主要的受力平面内，拉压杆件传力路径比受弯构件短得多，应力均勾流畅，传力简洁，其效能更大，耗费的材料较少[3]，所以从力学角度来看，拱桥是一种优越的结构。又因具有外形美观、易与自然环境协调、施工方法多

2、样等特点，拱桥一直以来都是大跨度桥梁的选择之一。社会的进步与建筑材料的发展促进了拱桥的跨越式的发展。在钢的普及应用之前，拱桥一般是采用砖、石等材料的运工拱桥，其跨径因材料性能受到限制。目前世界上跨度最大的污工拱桥是位于我国山西的丹河新桥，其跨径为146m。随着社会的进步，铁和钢工业量产化以后，钢拱桥在欧洲与美国得到了突飞猛进的发展。我国钢拱桥的发展起步较晚，但在大规模基础设施建设的背景下，钢拱桥在我国桥梁上的应用日益增多，跨径逐步增大，结构形式也日新月异[4，5]。表1-1列出了目前世界前十大跨径的钢拱桥[4.6]。1.2梁拱组合体系桥梁概述依据桥梁的支承约束条件，梁拱组合体系桥梁

3、可以分为三类：简支梁拱组合体系桥、单悬臂梁拱组合体系桥与连续梁拱组合体系桥[26],如图1-9所示。简支梁拱组合体系桥通常被称为系杆拱桥，只适用于下承式拱桥，其结构的力学图式依据拱助与系梁的相对刚度大小来确定。单悬臂梁拱组合体系桥只适用于上承式，其实质是是将实腹梁挖空，用立柱代替梁腹板，原腹板剪力主要由拱助竖向分力及加劲梁剪力平衡。此种类型的结构加劲梁受拉弯作用，拱肋受压弯作用。连续梁拱组合体系桥可以是上承式、中承式及下承式拱桥，也可以是多助拱、双助拱或单助拱与加劲梁的组合。由图1-10与图1-11可知，从工程设计中最优材料分布来看，在均布荷载或集中荷载作用下，梁的拓扑优化的结构形

4、状是一种梁拱组合体系桥梁。梁拱组合体系桥梁由拱助、吊杆和主梁组成的典型的三元构件[29，3G]。主梁是主要的承重构件，也是活载分布构件，一般采用钢筋混凝土构件或者钢箱梁；吊杆是连接主梁与拱助的传力构件，一般釆用柔性钢索、H型钢或者刚性圆钢；拱助是承受压力的承重构件，一般采用钢管混凝土、桁架结构或者钢箱梁。..第2章叠合拱桥结构体系的计算理论2.1拱桥结构的计算理论拱桥的计算分析最初在200米左右都是基于弹性理论的；随着拱桥跨度的发展，晓度理论逐渐取代了弹性理论应用到工程实际中去；随着近年来桥梁事业快速发展，许多新型拱桥和大跨度拱桥层出不穷，由于实际结构的形状和所受的荷载往往很复杂，

5、除了少数简单的问题之外，按解析法求解是非常困难的，所以数值法已成为不可替代的广泛应用的方法，并不断得到发展。有限元法便是利用计算机的一种数值分析方法，深入工程技术领域中的各个方面。拱桥结构分析求解的方法如图2-1所示。晓度理论，即大变形理论的简称。在竖向荷载作用下，拱的两端支承处除有竖向反力外，还有水平推力，正是由于这个水平推力的作用，使拱内弯矩大大减小，也正是由于这个水平推力的存在，在竖向烧度发生时，其与反力相互作用产生附加弯矩，而考虑此附加弯矩的计算理论则称为晓度理论。与吊桥晓度理论的分析结果相反，拱桥考虑晓度影响后内力大于不考虑此影响的内力，这意味着应用弹性理论所设计的拱桥存

6、在不安全隐患。对于不同的结构可采用不同的单元形状，单元并能按不同的联结方式进行组合，所以可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元方法现已广泛应用于桥梁结构分析中，基于该方法的桥梁结构电算程序很多，如大型通用有限元程序ANSYS、SAP2000、MIDAS/Civil等。现在大跨度拱桥的空间静、动力分析一般都釆用有限元法进行。.2.2叠合拱桥结构的静力特性结构的静力特性是指在荷载作用下，结构各组成构件的内力与位移。对于叠合拱桥来说，即是在恒载、活载作用下系梁、上拱助、下拱助、连接杆与吊杆的内力与位移。结构构件之间的相对刚度决定了构件的内力与位移。当结构各构件的形状、位置、连接方式、约束

7、条件、截面特性以及荷载确定时，结构各构件的相对刚度随之确定。当把吊杆与连接杆的内力视为外力作用时，上拱助、下拱助及系梁的刚度分布决定了叠合拱结构的内力与位移。由图2-8可知，在均布荷载的作用下，系梁的轴力大小恒定，拱助的轴力跨中至端部，逐渐增大，增幅较小；拱脚处的局部弯矩较大，系梁与拱助中部的弯矩相对较均勾；系梁与拱助的最大烧度都在跨中位置；以中间吊杆内力计算值为基准值对各吊杆内力计算值进行单位化，可知除靠近端部的短吊杆外，其余吊杆的内力值基本相同。第3章钢箱叠合拱桥