大跨度钢桁架拱桥的极限承载力研究

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1、大跨度钢桁架拱桥的极限承载力研究方明霁，孙海涛35大跨度钢桁架拱桥的极限承载力研究方明霁1，孙海涛1’2(1．同济大学，上海200092；2．上海市政工程设计研究总院，上海200092)摘要：在强地震设防区或桥梁承受铁路荷载且地质条件良好时，钢桁架拱桥是理想的大跨度桥梁选择方案。以朝天门大桥和大宁河大桥为背景，从边界条件、初始状态、荷载要素等几个关键影响参数着手，对大跨度钢桁架拱桥的极限承载能力进行参数研究，指出活载的布置形式、侧向风荷载及不同的约束条件对钢桁架拱桥的极限承载力有较大影响。关键词：钢桁架拱桥；参数

2、分析；极限承载力；研究中图分类号：U448．26文献标志码：A文章编号：1671—7767(2010)04—0035—041前言钢桁架拱桥和钢斜拉桥相比，具有刚度大，稳定籁；糕i翳z性和抗震性好等优点。当桥址处于风速或地震烈度壬M1较大的地区，或桥梁承受铁路荷载且地质条件良好雏登j时，钢桁架拱桥是一种理想的大跨度桥梁选择方案。拱J贞竖同位移／m拱项竖同位移／m国内外学者采用解析法、数值分析法和试验法对影(a)大宁河大桥(b)朝天门大桥响钢拱桥极限承载力的因素进行了大量的研究，为实际设计和制定规范提出了具体建议[1

3、“]。但其中图1不同边界条件时荷载位移曲线的主要研究对象大多是钢箱拱桥，有关钢桁架拱桥8％，在极限荷载下的结构变形响应也要多出近的研究很少。本文以大宁河大桥(主跨400m钢箱50％。而对于朝天门大桥(连续拱梁组合体系)，拱桁架上承式拱桥)和朝天门大桥(190m+552m+脚铰接与固接差别不大，在1％以内，采用边界条件190m中承式钢桁连续系杆拱桥)为背景，应用大型三时，朝天门大桥的极限承载力高出其它2个边界有限元分析软件ANSYS从边界条件、初始状态、荷条件近7．5％，其变形能力亦为最大。综合可见，当载要素等几个

4、方面对大跨度钢桁架拱桥的极限承载以稳定控制桥梁设计时，上承式拱桥采用拱脚固接能力进行参数研究，找出影响钢桁架拱桥极限承载的形式为宜；对于中承式连续拱梁组合体系而言，采力的主要因素，为实际设计提供有益的帮助。用边界条件三最为合适。本文后续计算分析中，大宁河大桥采用拱脚固接的约束形式，朝天门大桥采2边界条件对承载力的影响用的是一侧铰接一侧滑动的约束形式。不同的边界条件将直接影响拱肋的力学性能。铰接拱脚相对于固接拱脚而言，由于不产生弯矩而3初始几何缺陷对承载力的影响使基础部分的材料用量降低，但可能会导致拱肋轴大跨度钢桁

5、架拱桥在架设过程中，多采用杆件力增加并降低结构的刚度。或节段拼装的施工方法，由于拼接的节点多，施工中为研究改变边界支承条件对钢桁架拱桥极限承容易产生线形误差，使拱肋在平面内、外均存在一定载力的影响，取3种不同的边界条件进行计算。边的初始挠度，在结构自重及外荷载作用下，拱肋将产界条件一：两侧拱脚处固接；边界条件二：两侧拱脚生附加的内力和变形，这势必会影响成桥以后的桥处铰接；边界条件三：拱脚处一侧为铰接，另一侧为梁承载能力。为分析初始几何缺陷对大跨度钢桁架滑动。计算结果如图1所示。拱桥极限承载力的影响，在计算模型中，

6、分别取弹性计算结果表明，对于大宁河大桥(上承式钢桁架稳定计算的面内和面外1阶屈曲模态作为初始几何拱)，拱脚固接比拱脚铰接的全桥极限承载力高出近缺陷构形，给结构施加L／4000--L／1000(L为主跨收稿日期：2009—10—13作者简介：明霁(1977一)，女，副教授，1999年毕业于安徽建筑工业学院建筑工程专业，工学学士，2002年毕业于大连理工大学防灾减灾及防护工程专业，工学硕士，2005年毕业于同济大学结构工程专业，工学博士(E—mail：fangmji@126．corn)。36世界桥梁2010年第4期跨

7、长)的初始缺陷幅值。计算结果如表1、2所示。计算结果表明，无论是面内还是面外的非对称从表中结果可以看出，对于大宁河大桥，考虑面荷载，相对于对称荷载来说，都将大大地降低桥梁的内初始缺陷为L／1000时，其恒载稳定安全系数降极限承载能力。鉴于桥梁自身不同的刚度特点，对低了3％；考虑面外初始缺陷为L／1000时，其恒载于大宁河大桥，其面内非对称荷载产生的面内弯矩稳定安全系数几乎没有降低；对于朝天门大桥，考虑对结构极限承载力的影响最为显著；对于朝天门大面内初始缺陷为L／1000时，其恒载稳定安全系数桥，由于面内、外刚度比

8、较相近，在偏载产生的面内、降低了5％；考虑面外初始缺陷为L／1000时，其恒外弯矩耦合作用下会导致拱桥刚度急剧减小，拱桥载稳定安全系数降低了4％。总体来看，2座桥的极极限承载能力大大降低。限承载力对几何初始缺陷并不敏感，相对较小的初4．2温度荷载始扰动对结构承载力影响较小，设计计算时可以忽温度荷载是钢桥设计中需要着重考虑的因素。略不计。温度荷载的大小将直接影响结构内力、竖