大跨度钢管混凝土拱桥的稳定性分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第3页的拱圈截面设计可以充分发挥弦杆构件的整体稳定性：(5)采用钢管混凝土结构作为拱肋的劲性骨架，并利用骨架的刚度与强度承受拱肋的施工荷载，形成一种修建拱桥的科学的自架设体系，解决拱桥向大跨度发展的施工难点。这是钢管混凝土结构促进拱桥发展在施工技术方面所具有的突出优势；(6)由于钢管混凝土结构的应用，使拱桥更加轻巧，表现力更有深度。中承式、下承式在城市桥梁中广泛应用，上承式在高山峡谷中随处可见。正是因为钢管混凝土材料强度高，稳定性好，所以在拱桥的造型上以及拱肋的布置上可以追求多样化。拱肋截面可以布置成哑铃形、三角形、四

2、边形等，拱肋可以采用单拱肋、双拱肋、三拱肋等，拱肋可以平行布置，互成角度布置，在拱顶连接布置等。这样根据不同的地理环境、不同的文化风俗，可以变换拱桥造型而与环境相协调。1．3钢管混凝土X型肋拱桥对于平行肋拱桥。为了加强其横向稳定性，而将拱肋向内侧倾斜一定魄角度，即为本节所提及的x型肋拱桥。因为X型肋拱桥横向刚度的提高，主要是靠两拱肋距离的变化而不是拱肋自身横向刚度的提高，即在肋拱桥刚度提高的过程中，拱肋的自重和材料没有明显增加，因此具有较大的经济性。由于x型肋拱桥在横向稳定性方面优于平行肋拱，所以在长大拱桥，特别是宽跨比比较小的长大拱桥中，具有明显

3、的优势。对于x型肋拱桥，拱体的宽度是变化的。假定平行肋拱桥的宽度为E，X型肋拱桥的拱顶宽度为易，拱脚宽度为占，，上承式、中承式和下承式的X型肋拱桥拱宽与平行肋拱桥拱宽的关系一般如图1．1所示。x型肋拱又称为内倾拱或变宽度三曲率拱系。反映x型肋拱桥的指标称为开度，用c表示；或者用内倾角矽表示。，厂———————：———一c=cos一=(弓一岛)／√(弓一乓)‘+4f2(1-I)其中，一为拱肋侧倾前的矢高。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页a)上承式鋈b)中承式且‘Bo，易≥丑c)下承式图l-lX型肋拱桥的类型X型肋拱桥随着倾角或开度的增加，会降低桥

4、梁的极限承载能力，同时也会使下部结构工程数量相应增加，若拱座直接坐落于基岩上，由于可以采用分离式拱座，工程数量增量有限。另外，x型拱肋的倾斜也会给施工带来困难，因此应选择适合的内侧倾角“1。据有关资料，一般控制在3。～15。之间，以lO。附近为佳。本文讨论计算的松岙大桥为拱肋内倾角为≯=8。的中承式钢霉一零一；露●j西南交通大学硕士研究生学位论文第5页管混凝土拱桥。对于中下承式x型肋拱，一般又形象地称之为提篮拱。由于提篮拱在提供最佳造型的同时，也提供了良好的稳定性能，是一种经济美观的桥梁型式，同时，因为钢管混凝土拱桥在施工过程中钢管骨架的自重较轻，

5、其架设难易程度与钢桥相当，所以，我国许多学者提倡采用钢管混凝土提篮拱。1．4钢管混凝土拱桥的稳定性研究现状对于大跨度钢管混凝土X型肋拱桥，由于其宽跨比比较小，桥梁的横向刚度比较弱，在外界荷载作用下结构的内力除了轴向力外，弯矩、扭矩所占的比重也比较大，结构的失稳破坏带有明显的非线性性质，其受力性能将由弹性状态进入到弹塑性状态，最终使得结构发生压溃而破坏，这种现象称之为拱的极限承载能力破坏(即第二类失稳破坏)。与拱的弹性屈曲失稳破坏所不同的是，拱的极限承载力破坏是伴随着结构的材料非线性和几何非线性共同发生的，这就使得其极限承载力既有可能发生在弹性屈曲临

6、界荷载范围内，又有可能发生在弹性屈曲临界荷载范围之外。因此，对于大跨度拱桥，尤其是钢管混凝土拱桥，仅仅采用弹性稳定性分析是不够的，必须进行非线性分析计算，确定其极限稳定承载能力，因为这对工程设计是非常必要而有意义的。现将目前我国关于钢管混凝土拱桥非线性稳定性的研究现状主要归纳如下：1)1994、1995年赵雷等人一，”用荷载增量法考虑了几何非线性，讨论了施工加载历程对构件极限承载力的影响，对大跨度钢管混凝土劲性骨架施工阶段稳定性进行了分析，并编制了相应的程序，提出可以用不同阶段的等效弹性模量来考虑材料非线性。2)1994年Pi．Papangelis

7、andTrahair对拱的弹性弯扭屈曲进行了研究”1，研究中考虑了拱面内的初始变形、拱长度对弹性弯扭屈曲的影响，建立了单对称截面拱的弯扭屈曲的能量方程，并得到了均布弯矩作用下的闭和解，同时利用空间非线性有限元进行了研究，在其空间曲梁单元中考虑了截面的翘曲因素。3)1998年陈友杰u”首次进行了钢管混凝土单圆管拱肋的实验和双重非线性有限元分析，在钢管混凝土拱桥材料非线性分析中，采用了考虑等效紧箍西南交通大学硕士研究生学位论文第6页力作用的铜管混凝土轴压本构关系。在结构受力全过程中钢管的弹性阶段基本可行，但钢管进入屈服后。误差就较大；4)1998年杨永

8、清In)引入曲梁单元有限元法，对钢管混凝土肋拱的极限承载力进行了计算，分析中考虑了钢管混凝土非线性本构关系和结构几何非线性