钢筋混凝土箱型拱桥（精选4篇）
钢筋混凝土箱型拱桥 篇1
1工程概况与实验目的
正舟大桥扩建桥位于重庆黔江区舟白———正阳道路上,其主跨为100 m等截面钢筋混凝土箱型拱桥,全长147.48m,设计荷载采用城市B级,人群2.5 kN/m2。该桥上部结构纵断面形式设计为10 m混凝土板拱+6.0 m混凝土板拱+100 m等截面钢筋混凝土箱型拱(单箱7室、宽10.6 m)+10 m混凝土板拱;横断面形式设计为0.5 m隔离带(一部分)+0.5 m防撞护栏+8.5 m单向两车道+2.75 m人行道+0.25 m栏杆;下部结构采用重力式混凝土拱座及桥台。为检验正舟大桥扩建桥的施工质量与力学性能,以指导竣工验收,有必要对其进行荷载试验。
2荷载试验参数
2.1截面选取与测点布置
在试验中,选取有代表性的100、10 m两跨作为荷载试验的主、次跨。其中,选择主拱圈的舟白侧拱脚截面C-C、舟白侧L/4截面B-B以及跨中截面A-A作为主要控制截面,以及舟白侧引孔的拱脚截面E-E、跨中截面D-D为控制截面,按最不利布载进行试验(该桥立面布置如图1所示)。
对于应变测点的布置,主跨分别布置在对应截面每一箱室的上缘和下缘(拱顶只布置在下缘),上缘、下缘均布置7个;次跨布置在下缘与侧面,跨中均布布置5个应变测点,拱脚下缘布置5个,两侧面各1个。位移测点主跨布置在拱顶和L/4的上游和下游侧,用水准仪观测,次跨在跨中均布3个位移测点,用百分表观测。
2.2荷载工况的类型
根据拱桥的受力特点,其荷载工况类型如表1所示。
2.3有限元模拟
对该桥采用桥梁结构专用分析软件MIDAS/Civil 2012进行有限元模拟,其模型如图2所示,主拱圈截面高1.6m,中性轴高0.8 m,设计荷载等级为城B级、人群荷载2.5 kN/m2,边界条件按实际情况模拟。
在加载时,对于主拱圈采用2车、4车车尾相对的形式,次拱圈采用2车横向布置,分别靠近分隔带、人行道偏心加载。试验用车辆共计4辆,前中轴距3.8 m,中后轴距1.4 m。
2.4数据比对分析
将实测值与理论计算值比较,静荷载试验利用静载试验效率ηq(0.8≤ηq=Sstate/[(1+u)S≤1.05)作为控制值,Sstate为加载试验项目对应的控制截面内力或变位的最大计算效应值、S为控制荷载作用下控制截面最不利计算内力值、u为冲击系数,其结果如表2所示。
对于挠度、应变,采用挠度、应变校验系数小于1的标准进行控制,通过计算模拟与实测分析,主拱圈与次拱圈挠度、应变校验系数均小于1,卸载后相对残余挠度、残余应变均小于20%,满足规范要求,其结果如表3~4所示。
注:D-1,D-2,D-3只在工况十一与工况十二的情况下计算与实测。
2.5动载试验
为真实反映结构动力特性,在测试截面对应的主拱圈与桥面处安置速度传感器,并绘制自由振动曲线,以取得结构的自由振动频率。试验中采用高灵敏度的DH610拾振器拾取振动信号,采用频域分析方法分析结构的振动频率,其中计算频率为2.20 Hz,实测频率为1.46 Hz,实测频率大于理论计算频率,表明主桥结构实际刚度大于理论刚度,结构动力特性满足要求。
3结论
本文对黔江正舟大桥扩建桥荷载试验进行了全面分析,结果如下。
1)静载试验效率位于区间0.8~1.05,满足规范要求。
2)挠度、应变校验系数均小于1,并且相对残余挠度、应变小于20%,桥梁处于弹性变形阶段,性能指标符合规范要求。
3)实测振动频率与理论计算频率的比值为1.51,结构整体动力特性处于良好的状态。
参考文献
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[2]YC4-4/1982大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].
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钢筋混凝土箱型肋拱桥抗震分析 篇2
关键词：箱型肋拱桥,反应谱分析法,地震力
钢筋混凝土箱型肋拱桥具有质量轻, 恒载内力减小, 相应活载内力比重大, 可充分发挥钢筋等材料性能, 具有较好的经济性, 现已在大中型拱桥中广泛使用。但由于其结构的空间性与复杂性, 其地震反应比较复杂[1]。为了研究箱型肋拱桥的抗震性能, 采用有限元软件Midas Civil, 结合桥梁结构特点, 建立桥梁的空间有限元模型, 分析了桥梁的动力性能;采用反应谱法计算了桥梁结构在地震作用下的内力响应;验算了桥梁各个关键截面抗震性能;为该桥梁抗震设计提供了依据与参考。
1 工程概况
本桥主跨为88m的钢筋混凝土箱型肋拱桥。桥型布置图如图1所示:
主要设计参数:桥长160m, 主拱圈长88m, 矢高16m, 主拱圈采用单箱双室箱形肋拱, 在墩柱位置通过横向连接形成整体, 横向连接在每个立柱位置设一道, 拱上建筑为盖梁柱式墩加空心板, 主拱圈拱上采用10m跨径空心板, 边跨采用13m跨径空心板。主拱圈箱型拱肋高1.8m, 横向连接为箱形截面, 高度与拱肋同高。立柱沿路线方向位于横向连接位置, 立柱沿路线方向每10m设置一列, 横桥向每列立柱设置2根, 横桥向间距为6m。
2 反应谱分析动力平衡方程
反应谱分析是将多自由度体系视为多个单自由度体系的组合, 通过计算各单自由度体系的最大地震响应后再进行组合的方式计算多自由度体系的最大地震响应的分析方法。反应谱分析的动力平衡方程如下[3,4]:
式中:M—质量矩阵;
C—阻尼矩阵;
K—刚度矩阵;
r—基底加速度向量;
—基底加速度时程;
u (t) —相对位移;
—速度;
—加速度。
3 有限元模型建立
全桥有限元分析模型如图2所示, 模型中主要构件均采用空间梁单元进行模拟, 主拱与立柱采用刚性连接, 上部结构与桥墩、立柱的相互作用采用弹性连接模拟。上部质量和主拱、桥墩、盖梁质量通过定义结构自重向X、Y、Z三个方向转化。
4 桥梁动力性能
由图2所示的有限元分析模型计算得到桥梁的前100阶振型的特征, 同时列出了前10阶振型周期和频率及振型描述。由表1可以看出, 桥梁基本频率为0.5299Hz、基本周期为1.8873s。基本振型为横桥向振动, 前几阶振型均为横桥向和顺桥向的整体振动。
5 桥梁抗震性能分析
5.1 桥梁地震响应反应谱分析法
在不同超越概率下对应的地震动参数, 见表2。
桥梁地震响应反应谱分析法阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱S为[2]:
其中:Tg—特征周期 (s) ;
T—结构自振周期 (s) ;
Smax—水平设计加速度反应谱最大值。
上式中:本桥特征周期Tg=0.35s, Cs=1.00, 阻尼调整系数Cd=1.00, 图3是E1地震作用和E2地震作用下地震响应系数曲线, 其中E1、E2地震作用下反应谱曲线是在50年超越概率10%反应谱曲线的基础上分别考虑结构重要性系数Ci为0.43、1.3得到, 分析时采用的是设计反应谱曲线。
本桥应用反应谱法分析时考虑顺桥向、横桥向及竖向地震同时作用, 分析时振型组合采用CQC法, 方向组合按SRSS法。
5.2 结构抗震性能验算
参照《公路桥梁抗震设计细则》中第1.0.3条规定, B类桥梁抗震设防目标为:当桥梁遭受E1地震作用时, 桥梁不受损坏或不需修复可继续使用;当桥梁遭受E2地震作用时, 横撑、桥墩与立柱可进入塑性状态, 但不倒塌。
结构的抗震能力可以用截面的初始屈服弯矩和等效屈服弯矩来衡量, 初始屈服弯矩为截面最外层钢筋首次屈服 (考虑相应轴力) 时对应的弯矩, 而等效屈服弯矩为根据截面M-φ分析 (考虑相应轴力) , 把截面M-φ曲线等效为双线性所得到的等效屈服弯矩, 见图4所示, 本文采用XTRACT软件计算初始和等效屈服弯矩。
在进行强度验算时, 根据在恒载和地震作用下的轴力组合对主拱圈、横撑、桥墩及拱上立柱等控制截面进行M-φ分析, 得出各控制截面的初始屈服弯矩和等效屈服弯矩, 再进行结构的抗震性能验算。在计算初始屈服弯矩和等效屈服弯矩时, 对相同尺寸和相同配筋的截面, 取恒载和地震最不利组合进行抗震验算, 大量研究和本桥的试算表明:恒载和地震最不利组合为恒载和地震组合轴力的最小值控制验算, 因此取恒载和地震组合轴力的最小值进行计算。
5.3 结构抗震计算结果
根据主拱圈、横撑、桥墩及拱上立柱截面的配筋方式, 以及反应谱分析结果, 对结构体系在两种设防水准下的抗震性能进行了验算, 主要结论有:
(1) E1地震作用
在E1地震作用下, 关键截面最不利荷载下截面验算, 见表3:
在顺、横桥向地震输入下, 主拱圈、横撑、桥墩及拱上立柱关键截面地震弯矩需求小于初始屈服弯矩, 结构满足抗震性能目标。
(2) E2地震作用
在E2地震作用下, 关键截面最不利荷载下截面验算, 见表4:
在顺、横桥向地震输入下, 主拱圈、横撑、桥墩及拱上立柱关键截面地震弯矩需求小于初始屈服弯矩, 结构满足抗震性能目标, 结构有一定安全储备。
6 结语
本文通过对钢筋混凝土箱型肋拱桥的空间有限元模型的分析, 可得出以下结论:
(1) 该桥整体振动基频为0.5299Hz, 第一阶阵型为横向振动, 桥梁结构响应比较对称、均衡。
(2) 该桥满足《公路桥梁抗震设计细则》中两水平设防、两阶段设计的要求。
参考文献
[1]邵旭东.桥梁工程[S].北京:人民交通出版社, 2006.
[2]JTG/T B02-01-2008, 公路桥梁抗震设计细则[S].
[3]范立础, 胡世德, 叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[S].北京:人民交通出版社, 2001.
净跨径120m箱型肋拱桥设计 篇3
某山区水库库区河道呈V型深谷,两岸基岩裸露,基岩承载力良好,根据地质和地形条件,在该处选择桥型为箱形肋拱桥。
该桥的结构形式为2×9.8m简支钢筋混凝土空心板+120m钢筋混凝土箱形肋拱桥+4×9.8m简支钢筋混凝土空心板,主桥下部构造为重力式拱座,引桥采用桩柱式墩,重力式桥台。
主桥为净跨径120m、净矢高24m的箱形肋拱桥,主桥净矢跨比为1/5,主桥计算跨径为121.483m,计算矢高为24.287m,主拱圈为悬链线无铰拱,拱轴系数m=2.0。每片拱肋为单箱双室,考虑施工因素,每片箱室分5段预制,箱形拱肋高2.2m,除拱脚外顶底板厚度均为18cm,在拱脚处顶底板厚度由18cm线性渐变为38cm。该桥位于VI地震区。拱桥总体布置图如图1所示,拱箱截面示意图如图2所示。
2 设计参数
汽车荷载为汽车II级,行车道宽度为2×3.75m,汽车荷载的偏载系数为1.313;无挂车荷载,冲击系数为0.388;人群荷载为3.5kN/m2,人行道宽度为2×1m。
拱肋和桥面系空心板采用C40混凝土,其余均采用C30混凝土,受力钢筋采用HRB335钢筋。
结构的总体温度变化采用升温20℃和降温20℃。
拱圈由于不直接受太阳照射,拱圈的非线性温度采用顶板升温5℃。
在计算时采用结构梁柱非线性,考虑拱圈的弹性压缩变形对拱圈受力的影响;混凝土容重为27kN/m3;结构重要性系数为1.0;计算时考虑混凝土的收缩徐变;拱圈抗压承载能力计算时采用的0.36倍压杆长度为48.095。
该拱桥的静力计算采用桥梁博士3.0软件计算。
3 裸拱计算
拱圈吊装后,浇筑拱脚混凝土、接缝混凝土和拱顶混凝土,形成裸拱,计算整个拱圈截面的内力。
裸拱状态下拱圈的轴力图和弯矩图如图3和图4所示:
拱圈控制截面的结构抗力验算结果如表1所示:
4 拱圈使用状态下计算
按规范JTG D60-2004中第4.1.6节的规定,计算主拱圈在组合I、组合II和组合III作用下的内力值。
4.1 承载能力极限状态荷载组合I内力计算
主拱圈在承载能力极限状态荷载组合I作用下的轴力和弯矩包络图如图5和图6所示。
4.2 正常使用状态状态荷载组合I内力计算
主拱圈在正常使用状态荷载组合I作用下的轴力和弯矩包络图如图7和图8所示。
4.3 正常使用极限状态荷载组合II内力结果
主拱圈在正常使用状态荷载组合II作用下的轴力和弯矩包络图如图9和图10所示。
4.4 正常使用极限状态荷载组合III内力结果
主拱圈在正常使用状态荷载组合III作用下的轴力和弯矩包络图如图11和图12所示。
4.5 截面承载能力验算
按规范JTG D60-2004中第5.2节和第5.3节的规定,验算结构的承载能力极限状态强度,计算结果如表2所示。
经验算,拱圈截面的承载能力符合规范要求
4.6 裂缝验算
经过计算可知:主拱圈正常使用极限状态裂缝宽度如表3所示。
经计算可知:最大裂缝宽度为0.0318mm。根据规范JTG D62-2004第6.4.2规定,I类和II类环境钢筋混凝土最大裂缝宽度为0.2mm,所以主拱圈的裂缝宽度符合规范要求。
5 工程经济分析
经过施工图设计,主拱圈共用C40混凝土612.4m3,II级钢筋用量为241.7kg/m3,I级钢筋用量为44.7kg/m3。
该桥的结构和工程数量和以往已建成同类型同跨径的桥梁相比略有增加,计算结果合理。
6 结论
(1)该桥经过静力计算,和已建同类同跨径桥梁的结构对比,计算结果可靠。说明可以采用类似的有限元软件进行钢筋混凝土肋拱桥设计。
(2)采用新规范后较大跨度的箱型钢筋混凝土肋拱桥的结构尺寸和工程数量比旧规范相比均有所提高。
参考文献
[1]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].
[2]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
基于梁格法的箱型拱桥内力分析 篇4
1 单梁模型
本结构在midas Civil中均采用空间梁单元模拟, 计算截面的内力时, 拱圈纵向划分为127个单元。
2 梁格模型
此单箱多室箱拱选择的梁格网格是具有与腹板重合的九根纵向构件2~10, 和两根边构件1、11, 代表顶板和底板的横向构件与纵向构件正交, 纵向划分127个梁格, 在立柱处梁格加密, 纵向构件的单元划分同单梁模型一致。行车道板为连续板, 在拱顶处设伸缩缝, 在midas Civil中采用板单元模拟。
对于纵向和横向构件的截面等效刚度, 主要参考文献[1]、[2], 这里对其计算过程不再赘述。
3 分析结果对比
3.1 自重荷载作用下拱脚处水平反力值对比 (表1) 。
3.2 自重荷载作用下拱脚处竖直反力值对比 (表2) 。
3.3 自重荷载作用下拱圈轴力值对比 (表3) 。
3.4 自重荷载作用下拱圈弯矩值对比 (表4) 。
4 结论
通过以上两种有限元计算模型的对比分析发现, 结构的反力和内力在横向的差值均较大, 梁格模型能够直观地反映出来, 相比实体模型而言, 梁格法工程实用性和可操作性强。未考虑由于剪力滞后引起的有效翼缘宽度折减, 没有考虑横隔梁的作用。用梁格法分析箱型拱桥概念清晰、易于理解和使用, 用等效梁格来代替上部结构, 分析梁格的受力状态可得实桥的受力状态, 通过纵向梁格可以获取结构纵向内力, 通过横向梁格可以获取结构横向内力, 这对于指导结构的截面配筋设计, 尤其是横向偏载作用下的截面配筋设计具有一定的意义。
单位:KN
单位:KN
单位:KN
单位:KN
参考文献
[1 (]英) 汉勃利 (E.C.Hambly) 著;郭文辉译.桥梁上部构造性能, 1982.
[2]戴公连, 李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社, 2001.
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[4]向海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社, 2001.
[5]范立础, 杨澄宇.空间结构在桥梁工程中的应用[J].空间结构学报, 2009.
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[8]邱顺东.桥梁工程软件midas Civil常见问题解答[M].北京:人民交通出版社, 2009.
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