下承式钢箱系杆拱桥（精选7篇）
下承式钢箱系杆拱桥 篇1
摘要：对于下承式钢箱系杆拱桥来说,主梁是结构设计的关键部位。其受力性能对全桥的承载能力至关重要。因此有必要建立局部分析模型进行细部应力分析,得到主梁结构的局部应力分布特征及其传力特性,对该主梁的构造的做出综合评价。
关键词：系杆拱桥,钢箱,主梁,应力分析
本文所述设计下承式钢箱系杆拱桥为铁路客运专线上的一座四线铁路桥。中间双线为高速正线，两边为联络线，线间距依次为6.5 m、5.0 m、6.5 m。设计荷载为ZK荷载。设计速度:高速正线350 km/h，初期运营速度300 km/h，联络线160 km/h。正线采用Ⅱ型板式无碴轨道，联络线采用Ⅰ型板式无碴轨道。桥梁位于半径12 000 m缓和曲线上，桥位处纵坡为13.5‰。该桥支座中心至梁端距离为1.0 m。桥面总宽25.7 m，拱肋中心距采用11.68 m。矢高19.2 m，矢跨比1:5，拱轴线为二次抛物线。桥梁总体布置(见图1)[1]。
对于下承式钢箱梁系杆拱来说，主梁是结构设计的关键部位。主梁除承受外界荷载产生的轴力和弯矩外，还收到吊杆的拉力作用。在横桥向梁的弯矩和剪力也较大。本文着重介绍主梁的局部分析。
1 钢箱主梁构造
该拱桥主梁采用等截面钢箱梁，采用Q370qE型钢材为便于拱肋和钢箱梁的连接，整梁采用单箱九室的钢箱截面，桥面总宽25.7 m，钢箱截面高3.0 m，顶底板厚16 mm，拱脚处局部纵向11.5 m范围内顶、底板加厚至32 mm。除端部局部加强外，其余每隔5.0 m设一道横隔板，两道横隔板之间再设两道横肋。顶板每隔0.3 m设置一道U型加劲肋，底板每隔0.6 m设一道加劲肋，腹板和横隔板都分别设有加劲肋。主梁截面见图2。
2 钢箱主梁局部分析
钢箱主梁局部模型采用大型通用软件Ansys进行建模分析。先用Midas建立整体模型(见图3)，根据整体模型得到所选局部主梁段的受力情况。局部模型全部采用板单元，包括顶板、底板、腹板、横隔板、加劲肋和混凝土板。局部分析模型选取的范围:为了准确分析主梁局部的受力状态，模型选取的范围必须满足圣维南原理的要求，应将局部模型选取的足够大，以便在边界处等效的荷载代替实际荷载后不至于影响到所关注区域的受力状态[2]。
主梁局部模型所受荷载包括:边界荷载、结构自重和桥面荷载以及吊杆拉力。边界荷载可根据全桥分析结果得到，然后按静力等效原则，施加于主梁的各边界处;结构自重和桥面荷载按照实际进行施加[3]。约束施加6根吊索锚固区的承压板单元节点上，约束竖向、横向位移和绕竖轴、纵轴的转动，即Dx、Dy、Ry、Rz方向施加约束。该局部模型(见图4)，吊索锚点构造(见图5)。
3 有限元分析结果
在恒载+ZK荷载作用下，主梁顶板、底板、腹板等各部件最大Von Mises应力(见图6至图10)。
从以上图表分析，在恒载+ZK荷载作用下箱梁各板件主要受拉，箱梁各构件的有效应力大部分都在70 MPa以下，应力水平不高，与规范容许应力210 MPa相比，有一定的安全储备。最大有效应力208.5 MPa，出现在吊杆承压板与吊杆相连接处。吊索锚固处有应力集中，且靠近约束位置应力较大，但未超过370 MPa，且区域小，应力扩散快。
吊索处承压板和横隔板局部应力也较大，出现应力集中现象，部分应力超过200 MPa，不过应力扩散较快，吊索处承压板和横隔板整体大部分应力较小，在80 MPa以下。
箱梁顶板因为与加劲肋、横隔板连接，受力较复杂，但整体应力水平很低，有效应力值主要在30 MPa以下。最大有效应力值为76.8 MPa，在吊索附近有应力集中现象。
底板整体应力较大一般在20—40 MPa之间，最大有效应力68.9 MPa，出现在箱梁中部底板与腹板，底板与加劲板相连接区域。
腹板应力分布均匀，应力水平相当，分布相似。腹板大部分区域有效应力值在30 MPa以下，应力水平较低。最大有效应力出现在腹板与底板连接处，应力值为41.9 MPa。
加劲肋板大部分应力都较小，主要在50 MPa以下，最大有效应力出现在底板加劲板与底板相连接处，应力值为115.2 MPa，部分腹板加劲板与腹板相连处应力也较大，最大有效应力为76.4 MPa。主梁顶板、底板、腹板等各部件的应力结果见表1。
4 结语
通过建立拱桥主梁有限元模型，对其进行局部应力分析，整体上看，各构件的应力水平不高，大部分在30—60 MPa之间。在吊索锚固区域内应力较大，出现应力集中现象，部分应力超过200 MPa，可将该区域内钢板适当加厚，并增加适当的加劲肋。顶板、底板受力均匀，加劲肋配置合理。
下承式钢箱系杆拱桥刚度大，抗偏载能力强，结构整体力学性好，结构安全储备大，能够较好地满足高速铁路桥梁的功能需要。该有限元分析结果可为我国高速铁路下承式钢箱系杆拱桥的设计提供参考。
参考文献
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[2]叶梅新,李一可.下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部受力分析.西部探矿工程,2007;18(7):165—169
[3]欧阳辉来,张万华.新开河大桥拱脚设计及局部应力分析.世界桥梁,2009;36(3):33—35
下承式钢箱系杆拱桥 篇2
关键词：下承式钢箱系杆拱桥,横撑,稳定性
下承式钢拱桥因其具有较大的跨越能力,具有良好的受力特性和使用性能,在我国的特大桥梁中得到了广泛的应用。随着拱桥跨度的增大,拱结构面内、面外的稳定性特别是横向面外的稳定问题显得更加重要,立柱、吊杆和风撑等传力构件的工作状态对其稳定的影响也日渐突出。本文以某客运专线上的铁路桥为研究对象,采用ANSYS大型空间有限元分析软件,对横撑给予拱圈稳定性的贡献进行了分析和研究。
1 工程背景
本桥跨度140m,梁与拱刚性连接形成系杆拱结构。系梁高3.5m,箱内宽同拱肋均为1.94m,两拱肋变截面平行布置,横向中心间距16m,拱轴中心线形为二次抛物线,矢高30m,矢跨比1/4.67,吊杆间距8m;全桥设5道横撑,各横撑高度适应拱肋线型变化。
2 第一类稳定问题的基本理论
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时,稳定性平衡状态开始丧失,稍有扰动结构变形迅速增大,使结构失去正常工作能力的现象。结构的稳定问题一般分两种:第一类稳定(分支点失稳问题)和第二类稳定(极值点失稳问题)。文中根据第一类稳定问题,即线性稳定问题进行有限元分析。
第一类稳定问题的有限元矩阵方程为
式中:[K]为结构的弹性刚度矩阵;[K]σ为应力刚度矩阵;{Δu}为节点位移增量向量;{ΔR}为外荷载增量向量。
当结构处在临界状态,{ΔR}→0,{Δu}即使也有非零解,按线性代数理论,必有:
在小变形情况下,[K]σ与应力水平成正比。由于发生第一类失稳前满足线性假设,多数情况下应力与外荷载也为线性关系,因此若某种参考荷载对应的结构几何刚度阵为,临界荷载为,那么在临界荷载作用下结构的几何刚度阵为:
于是(2)可以写成
式(4)就是第一类线弹性稳定问题的控制方程。稳定问题转化为求方程的最小特征值问题,求得的最小特征值λ就是对应荷载的稳定安全系数,相应的特征向量就是失稳模态。
线性稳定分析按如下步骤进行分析:a.建立模型;b.静力分析,获得静力解;c.特征值屈曲分析,获得特征值屈曲解;d.扩展解,获得屈曲模态形状。
3 有限元模型的建立
采用大型有限元分析软件ANSYS对本桥进行稳定性分析。纵横梁、系梁、吊杆、和拱肋均采用梁单元模拟,混凝土板采用壳单元模拟。建立了18不同的有限元模型考察横撑数量、样式、布置对稳定性的影响。
4 成桥状态下稳定性分析
4.1 由表中1知,吊杆使得拱肋的侧向变位受到约束,大大提高了其侧倾稳定性能。
系杆拱桥有密置的吊杆联接拱肋和系梁,吊杆对面内屈曲具有一定的抵抗作用,主要以侧向失稳为主。
4.2 第一道横撑的设置。
对比表中8和10,第一道横撑距端横梁的间距减小,可以提高稳定系数。
拱顶附近横撑的设置。对比表中1,2和3知,由于拱顶横撑的存在,结构原来的一个半波向量转化为两个半波向量。跨度四等分点处的横撑可以进一步使两个半波向量转化为三个半波向量。表中7和11与其它拱顶设横撑模型的失稳形态比较:拱顶设置横撑时,主拱为反对称侧倾失稳拱顶;未设横撑时,主拱失稳为非对称形式,拱顶横撑的设置改变了失稳形态。对比表中8和9、12和14,反映了拱顶处横撑的合理布局,模型9和14稳定系数都偏高,主要是在拱顶处横撑设置较密。拱顶附近增设横撑,有效的加强拱顶的横向刚度可以提高稳定系数。
4.3 横撑间距对稳定性的影响。
由表中4-6知,均匀布置横撑有利于主拱稳定。表中5体现出横撑质量过于集中,刚度过盈,在横撑间的质量对全桥稳定的影响已经大于横撑刚度对主拱稳定的贡献;表中6,表现出横撑间距过大加大了拱肋的自由长度,拱肋横向稳定性下降。横撑间距过大不利于主拱稳定性。
4.4 对比表中1-14知横撑数量设置5~7道比较适合。
对于本桥设7道横撑用料较大,但稳定系数提高幅度有限;而均匀的布置6道横撑拱顶的侧倾没有得到很好的控制。所以本桥采用5道横撑最恰当。
4.5 横撑样式对稳定性的影响。
表中15的K撑稳定系数较一字撑提高近60%。“一”字横撑是竖向布置,抵抗横向弯矩较弱,而K字横撑与拱肋切向布置,在平面内组成不变体系,当拱肋发生横向失稳时,两拱肋发生相对错动,对横撑是横向弯矩;“K”撑约束拱肋相对错动的作用较强,能有效的提高拱圈间协同工作能力。米字撑提高稳定系数的原理与K撑相同,但米字撑用钢量接近于K撑的2倍,而稳定系数提高只有20%左右,所以不太经济。由表中17和18知,适当的在拱顶增设米字撑可以大大的提高主拱刚度。
5 结论
5.1 当横撑增加到一定数量时,稳定系数不会再有显著的增加。
若矢高比及跨度与本桥相近,可参照本桥设置5道横撑较合理。
5.2 横撑间距对稳定性有一定的影响。
间距较大处拱肋变形较大,均匀的布置横撑减小拱肋的自由长度,可以提高稳定系数。
5.3 横撑的样式对稳定性有较大影响。
K撑和米撑加强了拱肋的抗弯刚度,能有效的提高拱圈间协同工作能力。保证经济性的同时,可以适当设置K字横撑。
5.4 保证横撑间距和行车安全的前提下,第一道横撑应适当的接近桥面;
拱顶范围内横向刚度的大小对稳定性的影响较突出,拱顶处可以增加横撑数量、减小拱顶附近横撑的间距或设置米字撑,以增强横向刚度。
参考文献
[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,1992.
[2]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.
下承式斜靠系杆拱桥计算与分析 篇3
本文以连云港西盐河大桥为工程背景, 通过对斜靠拱桥的主副拱肋、纵梁、吊杆以及弹性稳定性的计算, 分析该类桥的结构受力特点, 为斜靠式拱桥结构设计与计算提供参考。
1 工程概况
西盐河桥主桥结构为下承式斜靠系杆拱桥, 主跨72 m, 与河道斜交, 斜交角为67°。主拱肋垂直布置, 副拱肋斜靠布置, 两榀副拱肋各向内倾斜23.03°, 主、副拱肋立面矢跨比为1/4.5, 拱高16 m。拱顶风撑为工字梁结构, 吊杆间距3.735 m, 桥面采用纵横梁体系, 现浇桥面板结构, 非机动车道设于主、副拱肋之间, 人行道设于副拱外侧。
主桥横断面:0.25 m (栏杆) +4.0 m (人行道) +2.4 m (副拱吊杆锚固区) +6.0 m (非机动车道) +2.0m (主拱吊杆锚固区) +23.0 m (机动车道) +2.0 m (主拱吊杆锚固区) +6.0 m (非机动车道) +2.4 m (副拱吊杆锚固区) +4.0 m (人行道) +0.25 m (栏杆) , 总宽52.3 m。机动车道部分双向坡1.5%, 人行道及非机动车道横坡1.5%。
本桥纵向分成主纵梁及副纵梁两部分。主纵梁采用箱型截面, 梁高1.8 m, 梁宽2.0 m;副纵梁采用矩形实体截面, 梁高1.0 m, 梁宽0.45 m。主吊杆锚于主纵梁底部, 副吊杆锚于副纵梁侧底面。主、副纵梁均为预应力混凝土结构, 预应力钢铰线采用φs15.2高强度低松弛 (Ⅱ类松弛) 钢铰线 (标准强度1 860 MPa) 。两端拱脚处设端横梁, 采用箱型断面, 端横梁内设置横向预应力。内横梁间距3.735 m, 采用预应力混凝土T形横梁结构。最高处梁高1.66 m, 腹板厚0.4 m。车行道部分现浇桥面板厚度20 cm, 人行道及非机动车道部分现浇桥面板厚度18 cm。
主拱肋采用哑铃形钢管混凝土结构, 高2.0 m, 宽0.9 m;副拱肋采用圆形钢管结构, 直径1.0 m, 壁厚25 mm。主副拱肋吊杆均采用整束挤压式钢铰线, 为成品索, 吊杆间距3.735 m, 全桥共34根吊杆。拱上为固定端, 梁下为张拉端, 上、下端设抗震橡胶圈。
2 计算模型建立及施工阶段模拟
主桥采用Midas空间杆系有限元程序进行验算, 纵横梁、拱肋采用梁单元进行模拟, 吊杆采用桁架单元进行模拟, 计算模型如图1所示。主拱肋钢管混凝土截面采用Midas联合截面来模拟, Midas施工联合截面分析能模拟拱肋先架设空钢管、后灌注混凝土的施工过程。全桥共划分700个单元, 551个节点, 其中梁单元632个, 桁架单元68个。
据主桥施工流程, 在程序里全桥施工过程共分成15个阶段进行模拟, 如表1所示。
3 拱肋验算
主拱肋为钢管混凝土结构, 采用Midas联合截面进行模拟计算;副拱肋设计为圆形钢管结构。
3.1 施工阶段拱肋验算
拱肋验算控制截面取拱脚截面、1/8截面、1/4截面、3/8截面以及拱顶截面。施工阶段主拱肋的钢管及混凝土应力计算结果如图2~图4所示, 结果表明:
(1) 各施工阶段主拱肋特征截面钢管最大应力为-87.9 MPa (压应力) , 小于容许值210 MPa。
(2) 各施工阶段主肋特征截面混凝土最大应力为-8.9 MPa (压应力) , 按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) 第7.2.8条规定, 在预应力和构件自重等施工荷载作用下, 截面边缘混凝土的法向应力应符合压应力σcct≤0.7f'ck。本桥施工时混凝土强度按标准强度的90%计, 故压应力允许值0.7f'ck=0.70×0.9×32.4=20.41 MPa>8.9 MPa。
(3) 各施工阶段副拱肋特征截面钢管最大应力为-92.1 MPa (压应力) , 小于容许值210 MPa。
3.2 使用阶段拱肋验算
(1) 主拱肋钢管应力
使用阶段主拱肋特征截面钢管应力如表2所示。
MPa
计算结果表明, 使用阶段主拱肋特征截面钢管最大应力为-142.1 MPa (压应力) , 小于容许值210 MPa。
(2) 主拱肋混凝土应力
使用阶段主拱肋钢管内填混凝土应力如表3所示。
MPa
计算结果表明, 使用阶段主拱肋特征截面混凝土受压, 最大应力为-5.4 MPa (压应力) , 小于0.5fck=16.2 MPa, 满足要求。
(3) 副拱肋钢管应力
使用阶段副拱肋特征截面钢管应力如表4所示。
MPa
计算结果表明, 使用阶段副拱肋特征截面钢管最大应力为-111.6 MPa (压应力) , 小于容许值210 MPa。
3.3 拱肋极限承载能力验算[7]
拱肋极限承载力按《钢管混凝土结构设计与施工规程》 (CECS28:90) 进行验算。
(1) 钢管混凝土轴压承载力
(2) 拱肋整体承载力验算
拱肋采用高0.54S (S为拱轴长度) 的等效简支钢管混凝土格构柱, 整体承载力按下式计算:
拱肋整体承载力验算结果如表5所示。
4 纵梁验算
4.1 施工阶段纵梁验算
施工阶段纵梁截面应力曲线如图5所示。
计算结果表明在整个施工过程中, 纵梁未出现拉应力, 压应力最大值15 MPa, 小于应力允许值
4.2 使用阶段纵梁验算
使用阶段纵梁截面应力曲线如图6所示。
使用阶段系杆截面未出现拉应力, 混凝土最大压应力为12.9 MPa, 小于容许值0.5fpk=16.2 MPa。
5 吊杆验算
主吊杆采用12φs15.2高强低松弛钢铰线, 副吊杆采用5φs15.2高强低松弛钢铰线, 标准强度fpk=1 860 MPa, 吊杆验算参考《公路斜拉桥设计细则》中对于斜拉索的规定, 一般取用设计容许应力为0.4fpk, 即安全系数为2.5。吊杆正常使用阶段荷载短期效应组合应力如表6所示。
由表6可知正常使用极限状态下主副吊杆强度不满足规范要求, 应增大主副吊杆钢束面积, 主吊杆由12φs15.2改为17φs15.2, 副吊杆由52φs15.2改为10φs15.2。调整后正常使用短期效应吊杆内力及应力分别如图7、图8所示, 调整后吊杆验算如表7所示。
6 弹性稳定性验算
弹性稳定[8]性分析采用空间有限元程序Midas进行, 首先建立包括拱肋、系杆、吊杆和横梁在内的空间计算模型, 拱肋、系杆、横梁采用梁单元模拟, 吊杆采用桁架单元模拟。
求解结构屈曲特征值系数时, 当有恒载W和活荷载P作用时, 需要计算在恒载存在的情况下, 桥梁发生失稳的活荷载临界值, 即W+Scaleg P中的Scale值, 因此在进行运营阶段屈曲分析时把活载作为可变荷载计算。
首先计算在W+P作用下的特征值屈曲系数N1;然后计算W+N1g P作用下的特征值屈曲系数, …, W+N1g N2…Nn-1g P;直到计算出的Nn接近1时候, 失稳临界荷载系数即为N1g N2…Nn, 最终屈曲分析得到的主拱圈活载作用下的一阶失稳临界荷载系数为31.25大于4, 满足工程设计要求。
7 结论
通过对西盐河斜靠拱桥计算分析得知, 该类桥结构受力较合理, 但在结构设计及计算中需注意以下几点:
(1) 计算模型中施工阶段的合理模拟, 特别是主副吊杆的张拉顺序对计算结果有较大影响。
(2) 主拱肋除应进行应力验算外还需进行极限强度验算。
(3) 主副吊杆验算参考《公路斜拉桥设计细则》中关于斜拉索的规定, 一般取用设计容许应力为0.4fpk, 即安全系数为2.5, 当安全系数小于2.5时, 应通过增大主副吊杆的截面积等方式来重新验算, 直至达到安全系数2.5以上。
(4) 弹性稳定性验算时, 一般采用迭代反复计算, 且要求1阶失稳临界荷载系数要大于4。
参考文献
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下承式混凝土系杆拱桥施工技术 篇4
兴缸大桥主跨的上部结构采用54 m预应力混凝土系杆拱,为刚性系杆刚性拱,计算跨径L=54 m,拱轴线为二次抛物线,拱轴线方程为y=0.8(x-x2/54)m,矢跨比为1/5,矢高为10.8 m。拱肋采用箱型截面,拱肋高1.5 m,宽1.2 m,两片拱肋横向之间设置三道风撑。拱肋和系梁间设置间距为4.5 m的吊杆11根,吊杆采用外套外径D=245 mm的无缝钢管,每一吊杆内设54Φ5的高强钢丝。拱肋、横梁、风撑、5 m的行车道板为普通钢筋砼结构,系梁为预应力砼结构。主要工程量有C50混凝土258 m3,C40混凝土123 m3,C30混凝土104 m3。1-54 m系杆拱桥桥形如图1所示。
1 系杆现浇施工
系杆采用搭设支架现浇的方法施工,该桥设计有两根系杆,系杆全长56 m。因主跨系梁为箱型梁其施工程序为:搭设系梁支架→支架预压→制作底模→绑扎钢筋(底板及腹板)→波纹管定位→立侧模和端模→浇筑砼→养护→立顶模→绑扎顶板钢筋→浇筑砼→养护。系杆现浇支架如图2所示。
根据设计要求,系杆预制时跨中设置2.5 cm的预拱度,系杆预拱度按二次抛物线设置,二次抛物线方程为y=-0.05×x2/1 458+0.1×x/54。底模采用20 cm厚的木方与2 cm后的竹胶板铺设而成。底模外边贴塑料泡沫防止漏浆,然后绑扎系梁底板与腹板钢筋,立侧模板。系杆的侧模板采用竹胶模板,每隔0.8 m设一道夹枋,确保模板稳固。为防止漏浆,保证外观质量,模板接缝处均夹5 mm厚海绵,并打玻璃胶处理。
2 拱肋预制
拱肋采用卧式预制方法施工,其施工顺序为:制作侧面底模→绑扎钢筋→立侧模和端模→安装顶面模板→浇筑砼→养护。
该桥设计有两片拱肋,每片分三段进行预制安装。分段时两端部水平距离长14.7 m,起吊重量37.8 t,中间段长15.6 m,起吊重量40.3 t,相邻间留0.6 m的湿接头,如图3所示。
根据设计要求在平面上放出拱肋的大样,拱轴线方程为二次抛物线y1=43.2×(54-x)/542 m,预制时拱顶设2.1 cm的预拱度修正值,也按二次抛物线设置,该二次抛物线方程为y2=-0.042×2/1 458+0.042x/27。
为了确保拱肋外观线型顺畅,在施工中,将控制点的密度加密至1m。在一块平整的地面上按二次抛物线放出底模的大样,用砖砌出拱的形状,高40 cm,浇筑底模混凝土,表面抹光,要求平面水平,立面垂直。底模中预留对拉螺栓孔,间距为40 cm。然后在底模平面上,再次精准地放出拱肋各截面变化处的位置,凿毛后立模浇筑出形状,并注意加强砼的保养,防止出现裂缝。拱肋平卧后,上下缘变成侧面。由于拱肋呈二次抛物线形状,为不规则的圆形,施工中考虑直接用夹枋将竹胶板固定于底模上形成弧形,夹枋顶部用花篮螺丝校正固定,确保立面垂直。底模和竹胶模板之间贴塑料泡沫,防止漏浆。
3 预应力施工
该桥主桥系杆和吊杆均有预应力施工。其中,系杆内采用低松驰高强度预应力钢绞线,单根钢绞线直径Φj15.24 mm,钢绞线面积Ay=140 mm2,钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa,锚下控制应力为σcon=0.75fpk=1 395 MPa。吊杆内布设54Φ5高强钢丝,单丝直径Φ5 mm,标准强度fpk=1 670 MPa,并裹以聚乙烯防护材料。
3.1 系杆预应力施工
系杆的预应力钢束分两次张拉,第一批为A1~A3,第二批为B1~B2。预应力钢绞线下料采用高速磨切砂轮切割,切割时,在每端离切口3~5 cm处用铁丝绑扎,并将切割端扎牢。然后将钢绞线编束,编束在钢筋场进行,编束时,其下料长度按图纸提供值确定,人工每隔1~1.5 m绑一道铁丝并绑扎牢固,采用人工结合卷扬机穿束。然后预埋好人行道梁埋筋以及锚垫板等埋件,确保锚垫板位置的准确并垂直于出口段孔道轴线。根据张拉力,拟配备2台150YCW150型千斤顶,配ZB4500油泵4台,经标定后使用。预应力张拉前,将锚垫板和锚板接触面清理干净,以保证锚垫板和锚板紧密结合,张拉程序采用0→初应力(15%δ)→30%δ→δcon(持荷2 min,稳定后锚固)。预应力张拉采用双控张拉工艺,即采用应力控制,伸长值校核,实际伸长值与理论伸长值差值控制在6%以内。张拉时,确保锚具变形值不得大于6 mm,放松千斤顶压力时,宜缓慢进行,以免震动锚具和预应力钢绞线,并做好张拉记录。
3.2 吊杆预应力施工
吊杆张拉在吊杆、拱肋、风撑安装及砼浇筑结束达到设计要求强度后进行,吊杆分二次张拉。吊杆控制张拉力见表1。
吊杆预应力施工应按拱肋成形后的实测标高复算后下料高强碳素钢丝,下料应包括墩头及锚杯长度。钢丝束下料完成后,即可进行编束,将钢丝的穿过锚杯后墩头,墩头采用LD—20K型液压墩头机,墩头头型要圆整、不偏斜,强度不低于钢丝标准强度的98%,颈部母材不受损伤。吊杆张拉采用4台YC300型千斤顶,4台ZB4—500型油泵配套张拉,使用前亦需经标定后使用,张拉采用单向、双控工艺,遵照对称、同步、荷载均衡上升的原则。
4 拱肋安装
拱肋吊装采用浮吊,因此受水面影响较大,为稳定拱肋安装,拱肋安装过程中设置临时风撑,将左右两侧拱肋形成刚体,提高了拱肋的稳定性,避免拱肋在安装过程中出现倾斜。因拱肋安装精度要求较高,支点为弧形,拱肋整体线性难以控制,现场通过拱肋支架预压,设置预拱度,并对拱肋轴线进行监控量测,最终拱肋安装质量、桥梁整体受力、线型均满足规范要求。拱肋安装如图4所示。
5 结语
兴缸大桥主跨的上部结构采用54 m预应力混凝土系杆拱,为刚性系杆刚性拱,主跨施工过程中通过主跨系梁现浇、系梁张拉、中横梁预制安装、拱肋分段预制分段安装、吊杆张拉,安全、优质、高效地完成工程施工,其技术可为同类系杆拱桥梁施工提供借鉴。
摘要：S332省道兴化段兴缸大桥为1-54 m下承式系杆拱桥,上跨下官河,施工环境复杂,施工难度大。为确保施工进度,拱肋采取预制拼装的施工方法。该工程施工一切顺利,并满足规范要求,其施工工艺可为同类下承式系杆拱施工提供借鉴。
关键词：下承式系杆拱,系梁,拱肋,吊装
参考文献
[1]中华人民共和国交通部.公路桥涵施工技术规范(JTG/F50-2011)[S].北京:人民交通出版社,2011.
[2]中华人民共和国交通部.公路工程质量检验评定标准(JTG F80/1-2004)[S].北京:人民交通出版社,2011.
下承式钢箱系杆拱桥 篇5
文献[1-4]基于能量法建立了下承式单拱面系杆拱桥侧向承载力的近似计算公式以及拱桥侧倾稳定分析的三维有限元方法.文献[5]基于能量原理建立了有横撑系杆拱桥侧向弹性稳定承载力的近似计算公式,研究了结构参数对稳定承载力的影响.文献[6]采用单元节点截面内力塑性系数法建立单拱面预应力混凝土系杆拱梁桥空间极限承载力计算程序,面外极限承载能力实测值和理论计算值具有良好的一致性.
本文以新建海南东环铁路61.5m跨度的双线下承式系杆拱桥为研究对象,研究了该下承式拱桥第一类面外失稳问题;基于能量法建立客运专线下承式系杆拱桥侧向稳定承载力实用计算公式,采用文中所提出的弹性侧向稳定承载力研究了某客运专线下承式系杆拱的稳定性.
1 下承式系杆拱桥侧向稳定承载力计算
1.1 基本假设
(1)拱轴线为圆弧线形,最低阶失稳模态为双拱肋同向侧倾;
(2)横撑等间距布置,并与拱肋刚性连接;
(3)拱脚两端满足嵌固边界条件,即:当Φ=0,α时,θ=0,θ'=0,u=0,u'=0.
可设拱的侧倾位移函数为
1.2 侧倾屈曲失稳时拱桥结构能量
带横撑下承式系杆拱侧倾失稳时,能量包括拱肋整体变形能、横撑弯曲变形能、拱肋局部弯曲变形能、外力势能、吊杆非保向力势能.
(1)拱肋侧向弯曲和扭转变形能
拱肋侧倾后,其整体变形能U等于侧向弯曲变形能和扭转变形能之和
式中,EIy,GId都是单根肋的抗弯刚度和自由扭转刚度.
将式(1),(2)代入式(3)得到
(2)横撑弯曲变形能和拱肋局部弯曲变形能
拱肋侧倾后,拱肋除了产生整体变形外,还因在节间内的局部变形而产生拱肋局部弯曲变形能Uyl,横撑弯曲变形
(3)外力势能
拱肋侧倾后,拱轴线位置下降了v,外力势能V等于外部载荷q在v上所做功的负值,经过推导后有
将式(2)代入式(6),有
(4)吊杆非保向力效应势能
拱肋侧倾后,吊杆发生了倾斜,其拉力T对下弦桥面产生了一个向外的水平推力,使之发生侧向弯曲变形Ub(φ),而对拱肋产生了一个向内的水平分力H(φ),如图1(c)所示.这个恢复力相当于一个侧向水平的弹性支撑,也就是所谓的“非保向力效应”[1,2,3].设吊杆布置满足膜张力假定,则吊杆的张力为T=qa;于是,吊杆在下弦桥面处的等效弹簧系数k(φ)可取为:k(φ)=qa/y(φ),设想将等效弹簧系数k(φ)平摊在吊杆间距a上,于是得吊杆的非保向力势能Vk为
1.3 侧倾临界载荷计算公式
侧倾屈曲后总势能为∏=U+(Uy1+Uby)+V+Vk.
由势能驻值原理知,在临界屈曲状态下,∏/Ci=0 (i=1,2)
其中
偏安全地可取C=另外,可根据不同的矢跨比f/l,算得C和η的值.
令式(9)系数行列式值为零,可得到侧倾临界载荷qcr为
其中
2 算例
新建海南东环铁路DK177+920万宁2号桥为61.5 m跨度的双线下承式系杆拱桥,矢跨比f/l为1/5,拱轴线为二次抛物线,拱肋中心距为11.1m,净宽为10.1 m.拱肋为钢筋混凝土构件,工字形截面,高2,0m,拱趾处加高至3.0m;拱肋宽1.0 m.两拱肋间除第一、第二个节点为满足桥上净空要求不设横撑外,其余节点均设钢筋混凝土横撑与拱肋连接;横撑为工字形截面.吊杆采用柔性吊杆,吊杆间距6m,为圆形截面,外径12.2cm,其构成为GJ15-27新型环氧喷涂整体挤压成束钢绞线,由27根Φ15.2环氧喷涂钢绞线组成.梁横向为单箱三室,跨中梁高3.0m,梁底宽11.7m,梁顶宽14.8m;梁端部加高至3.5m,梁部结构混凝土标号均为C55.
用圆弧拱近似代替抛物线拱,基本计算参数为:l=61.5 m,λ=1/5,R=44.58 m,α=1.536 rad,拱肋间距b=11.1 m,横撑间距d=6m,拱肋截面EIy=3.46×106 kN,m2,EIby=1.30×107 kN·m2,GId=2.6×106 kN,m2,据此算出:λ=1.33,v=216.6,C=0.638,η1=0.496,η=3.22。ξ1=0.848,代入式(10),得到侧倾临界载荷qcr=22 263.8kN/m.
采用Midas Civil有限元程序建立本桥的空间梁单元计算模型,如图3所示.拱肋、横撑均为空间梁单元;吊杆为柔性杆单元;桥面主梁为箱型空间梁单元,采用主-从连接的方法建立主梁和吊杆之间的联系,对桥面施加40 kN/m均布外载,计算所得失稳模态为双肋同向侧倾,屈曲模态如图4所示,屈曲载荷乘子为548,因此本桥每一拱肋的面外稳定承载能力为40kN/m×548=21520kN/m,与本文给出的实用计算结果相差3.3%.
3 结论
基于Ritz近似方法和能量原理,建立了带横撑下承式系杆拱桥弹性侧向稳定承载力实用计算公式;根据下承式系杆拱桥主拱肋截面特性、拱轴线线形、横撑间距、拱轴线间距,可以快速地应用该公式确定拱桥侧向稳定承载力.采用文中建立的计算方法对一在建的客运专线双线下承式系杆拱桥侧向稳定承载力进行了计算,侧倾临界载荷qcr为22 263.8kN/m,与三维有限元屈曲分析结果吻合良好,具有良好的计算精度.
参考文献
[1]李国豪,项海帆,沈祖炎等.桥梁结构稳定与振动.北京:中国铁道出版社,2003(Li Guohao,Xiang Haifan,Shen Zuyan,et al.Stability and Vibration of Bridge Structures.Beijing: China Railway Press,2003(in Chinese))
[2]项海帆,刘光栋.拱结构的稳定与振动.北京:人民交通出版社, 1991(Xiang Haifan,Liu Guangdong.Stability and Vibration of Arch Structures.Beijing:People Communication Press,1991(in Chinese))
[3]项海帆.高等桥梁结构理论.北京:人民交通出版社,2001.(Xiang Haifan.Advanced Bridge Structure Theory.Beijing: People Communication Press,2001(in Chinese))
[4]贺拴海.桥梁结构理论与计算方法.北京:人民交通出版社, 2003(He Shuanhai.Theory and Calculation Method for Bridge Structures.Beijing:People Communications Press, 2003(in Chinese))
[5]刘钊,吕志涛.有横撑系杆拱桥的侧向稳定承载力.工程力学, 2004,21(3):21-24,54(Liu Zhao,L(u|¨) Zhitao.Lateral buckling load of tied-arch bridges with transverse braces.Engineering Mechanics,2004,21(3):21-24,54(in Chinese))
下承式钢箱系杆拱桥 篇6
以不同控制目标确定的吊杆内力是不同的, 尤其是当采用柔性吊杆且粱和拱的刚度比较接近, 选取的控制目标不合理会出现柔性吊杆受压的情况。因此选择一种合理的方法来确定成桥时吊杆张拉力很重要。以具体算例来说明, 分别以成桥时的位移、弯曲应变及整体受力状态为控制条件来确定吊杆张拉力;并对它们进行分析。
(表中吊杆编号从左至右依次递增, 以下各表同)
1 刚性支承连续梁法确定吊杆张拉力
所谓刚性支承连续梁法就是求一组恒载张拉力值, 使系梁与吊杆连接处节点在恒载和张拉力作用下, 在成桥状态下位移为零, 并且同时认为系梁内的弯矩为刚性支承连续梁弯矩。可见此方法在确定吊杆的内力时, 主要以位移为控制目标, 以保证最终成桥的线型。
首先根据一次落架方式可以算出在恒载g作用下而柔性吊杆初始张拉力为零时, 吊杆与主梁连接处各节点的垂直位移△, 然后依次算出吊杆受单位力作用下这些节点的位移影响向量δki, k为节点编号, i为吊杆编号。于是在恒载和吊杆力的共同作用下, 以各控制节点变位等于零为目标, 可以写出线性方程组:
(1) 式中:{X}={X1, X2, X3, L, Xn}T, Xi为表示第i根吊杆的张拉力矢量。
δij为表示第j根吊杆产生单位力时对第i号节点的位移影响量。
n为表示吊杆与系梁连接处的节点数。
求解方程式 (1) 就可以得到成桥状态时, 以系梁与吊杆连接处各节点位移为控制目标的吊杆张拉力。
2 弯曲能量最小法确定吊杆张拉力
弯曲能量最小法就是求一组成桥索力使得系杆拱的系杆弯曲应变能最小或使系杆和拱的总体弯曲应变能最小, 其中恒荷载产生的弯曲应变能是已知的, 要求的就是由吊杆产生的弯曲能。弯曲应变能可表示为:
式中:Mp为恒载在基本结构上产生的弯矩;为张拉第j对拉索单位力时在结构上产生的弯矩。
将式 (3) 代入式 (2) 得:
式 (4) 取得极小值时, 要求, 可化为一组线性方程组:
求解式 (5) 即可得到所需索力{T}。
3 刚性吊杆法确定吊杆张拉力
刚性支承连续梁法是以成桥状态时系梁与吊杆连接处节点的位移为控制目标另一种确定成桥状态下的柔性吊杆张拉力方法是刚性吊杆法。它是从系杆拱桥的整体受力出发, 以拱作为主要研究对象。作为梁、拱的组合, 改变吊杆张拉力的大小, 可以协调两者之间的关系来获得比较合理的全桥受力状态。众所周之, 拱是主要偏心承压构件, 它充分发挥了混凝土的抗压性能好的特点, 具有良好的经济指标。因此, 拱的受拉潜力很大。于是, 可以通过调整吊杆张拉力, 使恒载尽可能由拱来承担, 达到系杆拱的受力状态, 即梁拱相应吊杆节点无位移差 (∆ij=0, i, j分别表示吊杆两端节点) , 来达到整体受力优化的目的。在具体计算中, 取吊杆轴向刚度很大, 例如使吊杆截面面积增加100倍, 而吊杆的容重γ缩小100倍来计算确定吊杆力的大小。
4 工程算例
4.1 工程概况
某下承式系杆拱结构, 计算跨径L0=116.28m, 矢高f=23.256m, 矢跨比1/5, 吊杆间距5.7m, 共计19根吊杆。拱肋换算截面弹性模量E=2.1×105MPa, 换算惯性矩I=0.254m4, 换算截面积A=0.447m2, 单位自重g=3 5.0 9 k N/m;系杆弹性模量E=3.4 5×1 0 4 M P a, 惯性矩I=1.2 m4, 截面面积A=1.97 m2, 单位自重g=5 1.22 k N/m。各吊杆与系杆结点处的集中荷载为6 1 6 k N。
4.2 计算结果
根据上述三种不同的确定吊杆内力方法, 分别进行计算, 其计算结果见表1～3。
4.3 结果分析
从表1～3的计算结果来看, 吊杆没有出现受压的情况, 这对采用柔性吊杆的组合体系桥是很重要的。三种计算结果除边上两根吊杆内力值差异比较大外, 其余吊杆的内力值均比较接近, 以按最小弯曲能量法确定的吊杆内力分布最均匀, 也比较理想。以刚性支承连续梁来确定成桥状态的吊杆张拉力时 (表1) , 第1、19号吊杆的内力最大, 其值为2230kN;第2、18号吊杆的内力最小, 其值为954kN, 相差57.22%;除边上两根吊杆外, 其他吊杆拉力分布均匀。以最小弯曲能量法确定成桥状态的吊杆张拉力时 (表2) , 最大吊杆内力为1、19号, 其值为1290kN;最小为2、18号, 其值为1020kN, 相差20.93%, 其余吊杆拉力分布均匀。表3是以刚性吊杆法来确定成桥状态时的吊杆内力值, 最大拉力为2、18号吊杆的1240kN最小为1、19号吊杆的451kN, 相差63.63%其余吊杆内力分布均匀。
5 结语
选择合理的方法确定下承式系杆拱桥柔性吊杆的张拉力很重要, 以刚性支承连续梁法来确定梁拱组合桥成桥状态时的吊杆张拉力时, 保证了系梁的线型;但边吊杆和次边吊杆会出现受力不均衡情况, 需要特别注意。以梁和拱肋弯曲应变能最小为控制目标来初定成桥状态, 该方法能较好地确定合理成桥状态, 控制索力的均匀性保证拱跨主梁弯矩较小。刚性吊杆法从整体出发, 避免了柔性吊杆受压的情况。
参考文献
[1]叶建龙, 孙建渊, 石洞.梁拱组合桥柔性吊杆张拉力的确定及分析[J].城市道桥与防洪, 1999 (4) :21～24.
[2]李洪波, 马玉金, 于天龙.基于影响矩阵的系杆拱桥合理成桥吊杆索力确定[J].科学技术与工程, 2009, 9 (10) :2817～2819, 2827.
下承式钢箱系杆拱桥 篇7
近年来,伴随着高强度材料和桥梁施工方法的不断出现,拱桥逐渐向轻薄型和大跨径方向发展。然而在跨越能力不断提高的同时,拱桥的稳定性问题也日趋突出。它具有破坏突然、征兆不明显的特点,并且结构一旦发生失稳破坏,往往导致结构整体垮塌,带来灾难性的后果[1]。拱的稳定问题从空间失稳形态上可分为面内失稳和面外失稳。从失稳时是否发生平衡分支又可分为分支点失稳和极值点失稳,即第一类稳定问题和第二类稳定问题。
1 拱桥稳定性计算理论
大量桥例分析表明,大跨径拱桥的一阶屈曲模态一般为面外失稳。在计算理论方面,建立在小挠度理论基础上的第一类稳定问题是特征值问题,求解方便,在许多情况下两类问题的临界值又相差不大,因此研究第一类稳定问题有着重要的工程意义。在一定变形状态下,结构的静力平衡方程式可以写成下列形式[2]:
其中,[K]为结构的弹性刚度矩阵;[Kσ]为结构的几何刚度矩阵;{Δu}为结构的整体位移向量;{ΔR}为结构的外力向量。由于假定发生第一类失稳前结构是线性的,多数情况下应力与外荷载也为线性关系。所以结构的几何刚度矩阵可通过各个单元的几何刚度矩阵相加而得,而且几何刚度矩阵还可以按下式表示为荷载系数和受荷载作用的结构的几何刚度矩阵的乘积。
其中,λ为临界荷载系数。当结构处在临界荷载状态下时,使{ΔR}趋于零,{Δu}也有非零解,即等价于刚度矩阵的行列式等于零时发生屈曲。按照线弹性代数理论,必有:
上式就是第一类线弹性稳定问题的控制方程。稳定问题转化为求解方程的最小特征值问题。
2 干沟大桥概况
桥梁全长272.13 m,桥宽35 m。主跨纵向加劲梁为单箱五室双向预应力混凝土箱梁,吊杆处设置中横梁,端部设实心截面梁。设计拱轴线采用二次抛物线,矢高55.5 m,净跨247.1 m,矢跨比约为1/4.5。拱肋中段采用钢箱截面,外形尺寸3.8 m×6.4 m,顶板为半径8.8 m的圆弧,底板为直线,长度4.4 m,外侧腹板为部分椭圆,各板均布置纵向加劲肋板;两端为钢混凝土结合段。吊杆纵桥向标准间距7 m。
主桥有限元模型的建立:主桥计算模型采用Midas/Civil建立空间有限元模型,主要由拱肋、系梁、吊杆三部分组成。全桥共建立834个单元,其中桁架单元82个,梁单元752个。主梁和拱肋用一般梁单元模拟,吊杆以桁架单元模拟。拱肋两端与主梁结合处钢混凝土结合段内灌注C50混凝土。同面内(横桥向)的两根吊杆采用刚臂单元与拱肋吊点连接,整体模型如图1所示。
3稳定性影响因素分析
3.1拱肋刚度对结构侧向稳定的影响
计算结果见图2。
通过图2可以看出,拱肋竖向刚度对结构侧向稳定影响不大,且稳定系数的变化曲线趋于平缓;而随着侧向刚度的不断提高,拱桥的屈曲稳定系数增长较快,侧向刚度提高40%时,稳定系数增长32.6%,可见侧向刚度的变化对结构的侧向稳定影响显著。
3.2系杆刚度对结构侧向稳定的影响
计算结果见图3。
从结果中可以看出,当系杆竖向、侧向刚度分别增加40%时,前者使稳定系数增长1.4%,后者使稳定系数增长0.4%,即系杆两个方向刚度的变化对稳定系数有一定的影响,但影响不大。
3.3吊杆刚度对结构侧向稳定的影响
计算结果见图4。
计算结果表明,随着吊杆刚度的增加,侧向稳定系数有所提高,但增加幅度不大。说明该部分对结构的稳定贡献不大,但可以从另一方面肯定,采用刚性吊杆要比柔性吊杆好。
3.4矢跨比对结构侧向稳定的影响
矢跨比f/l即矢高f与跨度l之比。保持其他参数不变,通过改变矢跨比,分析该部分对结构的影响。计算结果见图5。
计算结果表明,矢跨比由1/8逐渐增大到1/4的过程中,结构的稳定系数先由小变大,然后在1/5处又由大变小;而且在1/5～1/4处取得峰值,并非一条单调曲线,这说明对于结构的稳定问题,存在一个最优矢跨比。
3.5吊杆非保向力对结构侧向稳定的影响
将成桥状态下的吊杆力转化为拱肋节点上的集中力,将其作用在裸拱上来比较吊杆非保向力效应对结构的影响,计算结果见表1。
计算结果表明,在考虑非保向力效应时,临界稳定系数提高了2.74倍,而文献[4]中指出,在常用矢跨比的范围内,吊杆的非保向力效应可使拱的横向临界荷载提高约2.5倍～3倍,由此也反映出此类问题的变化规律是一致的。
4结语
1)单肋拱的侧向稳定性随着其侧向刚度的增加而线性增长,并且侧向刚度比竖向刚度对其侧向影响要大很多,说明侧向刚度对拱肋侧向稳定的影响十分显著。2)矢跨比对拱肋刚度的影响较大。矢跨比在0.2～0.25时,其稳定系数出现峰值,因此在拱桥设计中要选择合理的矢跨比。3)吊杆的非保向力对拱桥的稳定性不容忽视,并且证明了非保向力的效应系数一般在2.5～3.5之间这一变化规律。4)系杆及吊杆刚度的变化对拱肋的稳定系数有一定影响,但影响不大。所以实际工程中通过改变两者来调整拱的侧向失稳是不合理的。
摘要：介绍了大跨度系杆拱桥稳定性分析中常用的基本理论,以干沟大桥为例,通过对其临界荷载系数的求解来分别探讨拱肋刚度、矢跨比等因素对结构稳定的影响,积累了同类型桥梁的设计经验。
关键词：系杆拱桥,线性,侧倾稳定性,影响因素
参考文献
[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁路出版社,2007.
[2]项海帆,姚玲森.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.
[3]钟新谷,曾庆元.系杆拱桥稳定性研究[J].湘潭矿业学院学报,1998,13(1):56-60.