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大跨度钢管混凝土拱桥施工稳定性分析.pdf
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1、第 3卷第 5期 2 0 0 6年 l 0月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF F l Al L WA Y S CI E NCE AND E N GI NEE RI NG V o I 3 Oc t N0 5 2 【 x ) 6 大跨度钢管混凝土拱桥施工稳定性分析 王元清 。 姜波 。 石永久。 , 张勇 ( 1 清华大学 土木工程系, 北京 1 0 0 0 8 4 ; 2 北方交通大学 土木建筑工程学院, 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要: 阐述了钢管混凝土拱桥稳定性的计算方法, 然后根据江西吉安赣江大桥分析 了钢管混凝土拱桥施工过程的线性和 非线性稳定性, 得到 了各个施工
2、阶段的稳定安全系数。分析结果表明, 在钢管中混凝土已经灌注但是还没有形成强度的时 候 整体稳定性最低; 当混凝土刚度形成以后 , 整体稳定性最高; 成桥以后, 因为自重增加, 稳定性略有降低; 考虑非线性, 尤 其是材料非线性以后, 稳定安全系数降低较大, 因此, 在施工过程的稳定性分析中应该考虑非线性的影响。 关键词: 钢管混凝土拱桥 ; 非线性; 稳定性 中图分类号: u 4 4 8 2 2 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 6 ) 0 5 0 0 0 1 0 5 An a l y s i s o f s t a b i l i t y o f
3、l o n g s p a n c o n c r e t e f i l l e d s t e e t u b e a r c h e d b r i d g e i n c o n s t r u c t io n WA N G Y u a n q i n g 。 , J I A N G B o , S H I Y o n g - j i u , Z H A N G Y o n g 2 ( 1 、 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , T s i n g h u a U n i v e r s i t y ,B
4、 e ij i n g 1 0 0 0 8 4, C h i n a ; 2 D e p ;t r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g T r m s p o r t a t i o n U n i v e r s i t y , B e ij i n g 1 f f g , C h i n a ) Ab s t l t : Th e t w o me t h o d s f o r s t a b i l i t y a n a l y s i s ,i e ,t h e l i n e a r a n d
5、 n o n l i n e a r b u c k l i n g ana l y s i s ,w e r e i n t rod u c e d T h e n a c c o r d i n g t o J i m g x i j i a n G a n j i ang c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h b ri d g e , s o m e a s p e c t s a b o u t s t a b i l i t y w e r e d i s c u s s e d Th e r e s u
6、 l t s s h o w t h a t t h e c o e f fi c i e n t s o f s t abi l i t y a r e s mall e r w h e n t h e c o n c r e t e i s fi l l e d b u t n o t f r o z e n and c oef f i c i e n t s o f s t abi l i t y i n c r e a s e w h e n t h e c o n c r e t e i n t h e t u b e i s f r o z e n;t h e n o n l i
7、n e a r m u s t b e c o n s i d e r e d i n t h e a n aly s i s o f s t abi l i t y o f C F S T a r c h b r i d g e i n c o n s t r u c t i o n :t h e ma t e ri a l n o n l i n e ar h as a g r e a t e r i n f l u e n c e t h an t h e g e o m e t ri c al n o n l i n e a r o n t h e s t a b i l i t y
8、o f t h e b r i d g e Ke y wo r d s : C F S T a r c h e d b ri d g e ;n o n l i n e a r ;s t a b i l i t y 随着我国国民经济的蓬勃发展, 交通工程建设 不断扩大, 长大跨度桥梁日益增多。近几年来, 作 为大跨度桥梁的主要形式之一 的拱桥得到了迅速 发展l 。钢管混凝土拱桥是大跨拱桥的一种 比较 理想的结构形式, 也是我国近年来桥梁建筑发展的 新技术。它具有 自重轻 , 强度大 , 抗变形能力强 的 优点, 能较好地解决修建桥梁所需求的用量省, 施 工简便 , 承载能力大的诸多 问题_ 2
9、j 。但是 , 随着跨 度的增加, 稳定性成为制约钢管混凝土拱桥发展的 主要因素之一。尤其是在很多情况下 , 施工过程中 的稳定性要低于成桥 以后的稳定性 。对施工过程 中的整体稳定性分析要通过科学的计算予以确认 和评 价。目前 , 我 国在这个方 面的研究还很少, 在 此, 本文作者主要以 1 个工程实例为分析对象, 研 究钢管混凝土拱桥施工过程的整体稳定性。 1 钢管混凝土拱桥结构稳定分析的 基本理论 1 1 分析方法 钢管混凝土拱桥施工过程 的难点 、 重点和风险 收稿 日期 : 2 0 0 6 0 51 0 基金项目: 北京市 自 然科学基金资助项目( 8 0 5 3 0 2 1 )
10、作者简介 : 王元清( 1 9 6 3 一) , 男, 安徽霍 山人 , 副教授 , 博士, 从事结构工程教学 研究 维普资讯 http:/ 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6 年 1 O月 在于施工时主拱圈的吊装及钢管中混凝土的灌注, 即形成整个钢拱骨架这一施工过程 3。这种施工 过程稳定性的核心 问题还是拱结构 的稳定性 。拱 桥的失稳可分为平衡分支失稳( 第 1 类) 和极值点 失稳( 第 2 类) 2 类。第 1 类稳定问题, 力学概念单 纯明确, 结构稳定通常转化为特征值问题, 计算方 便, 而且其临界荷载近似地代表第 2 类稳定问题的 上限, 因而受到技术人员的
11、欢迎。 由于拱桥结构不可避免地存在初始的弯曲、 偏 心等缺陷, 尤其对于大跨度拱桥结构, 在外荷载作 用下主拱肋的内力除了轴向压力外, 弯矩、 扭矩所 占比例也比较大, 结构的变形呈非线性状态, 因此, 拱桥的失稳皆为第 2 类稳定问题引。实际拱桥的 失稳大部分是发生在弹塑性变形范围, 即拱发生侧 向屈曲时结构的应力大于材料的弹性极限, 钢管混 凝土拱桥中的钢和混凝土的弹性模量将随着应力 的变化而变化, 这时按弹性理论计算的拱桥稳定安 全系数就有可能大大超过实际值。这需要考虑拱 的变形影响和材料弹塑性影响, 按几何非线性和材 料非线性理论来求得拱桥的失稳极限荷载是拱桥 的压溃荷载, 属于第 2
12、类稳定问题。在这个意义 上, 当考虑材料非线性时, 拱桥的稳定问题与强度 问题趋于统一 。 稳定极限荷载的求解方法通常采用荷载增量 法, 荷载从 0 开始, 按照某种形式逐步增大, 当位移 开始发散时 , 即得到拱桥的极限承载力 。 1 2 有限元理论介绍 第 1 类稳定问题假定结构为小变形, 材料为线 弹性。其特征方程为: d =( + K ) F 。 ( 1 ) 当 + =0 时, 结构丧失稳定性。 考虑几何非线性后, 总体平衡方程为: ( K o + + ) = F 。 ( 2 ) =I ( L T D + I T D + T D d V 。 ( 3 ) 钢管混凝土拱桥失稳大部分是发生在
13、弹塑性 变形范围, 即拱发生屈曲时结构的应力大于材料的 弹性极限, 这时按弹塑性理论计算的稳定安全系数 就可能大于超过实际值。 因而需要考虑材料非线 性, 材料非线性分析的主要问题是本构关系的选 取_ 5 , 其基本平衡方程为: ( K 0 + ) d = F 。 ( 4 ) 当同时考虑几何非线性和材料非线性时, 基本 方程变为 : ( + + K t ) d = F 。 ( 5 ) 其中: 为一个常数; K 为小位移弹性刚度矩 阵; 为初位移矩阵; 为初应力刚度矩阵; F 为等效节点荷载; d 为节点位移。 和 均为 d 的函数, 所以, 上式为非线性方程 组; F 为荷载的相对值所组成的列
14、向量; 是与 F 相应的几何刚度矩阵。 求出 最低值 , , 再由 F = F 就可求 出屈曲荷载。 2 工程概况 2 1 工程背景 江西吉安赣江大桥位于江西省吉安市内, 是吉 安市连接赣江两岸东西市区的主要通道之一, 大桥 工程总长 1 7 4 4 2 9 m, 主桥长 5 3 6 m, 桥面宽为 2 8 m, 为中承式钢管混凝土拱桥。 中跨跨度为 1 8 8 m, 主拱 圈计算跨度为 1 8 0 m, 矢高为 5 4 m , 矢跨比为0 3 ; 次 边跨跨度为 1 3 8 m , 次拱圈计算跨度为 1 3 0 m, 矢高为 2 8 m , 矢跨比为0 2 1 5 3 8 ( 见图1 ) 。
15、 主桥的拱肋均采用 三肢桁架式钢管混凝土拱( 见图2 ) , 中间跨与两边跨 拱肋截面相同, 高度为3 5 m , 底边宽度为2 m , 3 根钢 管呈正放的三角形布置, 上弦钢管外径为1 0 0 0 m m, 壁厚为 1 6 m m, 下弦钢管外径为 7 5 0 m m , 壁厚为 1 2 m m 。 上下弦钢管间采用 删1 0 腹杆连接, 下弦钢 管间采用 0 o 1 0 底杆连接( 图2 ) , 钢管材料均为 Q 3 4 5 q C钢。 吊索间距为 6 m。 图 1 白鹭大桥主桥布置图 F i g 1 T h e a r r a n g e me n t p l a n o f t h
16、e h o i s t i n g b r a c k e t o f t h e b r i d g e 图 2 拱肋截 面 F i g 2 T h e s e c t i o n s o f t h e r i b s 一 蘑 维普资讯 http:/ 第 5期 元清, 等: 大跨度钢管混凝土拱桥施一 I 稳定性分lf 斤 3 2 2 施工过程 该侨施J 二 主要采用悬臂扣挂法, 根据施工方提 供的施。 1 技术方案 , 其主要施工过程为: 施T主墩基础 一 落地支架现浇飞燕 一 施。 1 吊塔和扣塔 一 安装临时铰 一 吊装拱段( 同时安装 相应拱段内风撑 ) 一 主拱圈合拢 一 调整拱圈
17、线形 一 各拱段焊接固定一 拆除扣索一 封铰 一 第 1 7,人 张拉系杆一灌注拱 下弦钢管混凝土一第 2 次张 拉系f r 一 灌注拱圈 卜 弦钢管和实心段混凝土 一 安装吊杆、 拱 卜 立柱、 横梁一第3 次张拉系杆 一安 装 一 期桥面板 、 施工桥面板湿接缝 一 第 4 次张拉 系杆 一 安装二期桥面板 、 施 J 桥面板湿接缝 一 第 5 次张拉系杆一 施工 + 期桥面系一 第6 次张掠系 杆 一 施工二期桥面系一 第7 次张拉系杆 一 钢构件 防腐 一拆除施工设备 根据上述施工过程将其分为 9 个施工步骤, 建 立不同的有限元模型, 各个施工过程对应的有限元 模型见表 1 。 表
18、J 施工步骤表 T a b l e 1 Th e c o n s t r t l ( !t h ) n p i o c e d u r e o f t h e br i d g e 施上步骤 1 1 4 6 结构特征 填亩 丽 丽 而百 蕊 拱肋为空钢管 , 两端和墩 台刚接 批肋上弦为空钢管, 下弦灌注 1 2 , 管内混凝 无刚度 拱肋 卜弦为空钢管 , 卜弦灌 注混凝 七, f H是还 没自 彤 成刚度 拱肋上弦为卒钢管 , 下弦灌 注混 凝上 , 管 内混 凝土 有 刚度 拱肋 上弦 混凝土灌 注 1 4 ( 无刚度 ) , 下弦 部 灌注混 凝土( 有刚度) 拱肋 上弦 混凝土灌 注
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