哑铃型钢管混凝土拱桥的计算方法研究
V ol 121 N o 16
公 路 交 通 科 技
JOURNA L OF HIGHWAY AND TRANSPORT ATION RESEARCH AND DEVE LOPMENT
2004年6月
文章编号:1002Ο0268(2004) 06Ο0054Ο04
哑铃型钢管混凝土拱桥的计算方法研究
严圣友, 郑江敏, 项贻强, 赵 阳
1
2
1
1
(11浙江大学交通工程研究所, 浙江 杭州 310027; 21江山市城建局, 浙江 江山 324100)
摘要:以中承式钢管混凝土拱桥———江山市城中大桥为工程背景, 对哑铃型钢管混凝土拱桥的计算方法进行研究, 对于钢管混凝土拱肋的简化计算, 目前常采用换算截面法和统一模量法, 应用这两种方法分别建立平面有限元模型, 同时, 采用大型通用有限元程序, 根据实际截面建立空间有限元模型, 对这几种方法计算所得的理论值以及成桥荷载试验所得的实测值进行分析比较, 为该类桥梁的计算提供参考。关键词:钢管混凝土拱桥; 拱肋; 哑铃型
中图分类号:U448122 文献标识码:A
Study on Calculating Methods of Dumbbell Οshaped CFST Arch Bridge
Y AN Sheng Οyou , ZHENG Jiang Οmin , XIANG Yi Οqiang , ZH AO Yang
1
2
1
1
(11Institute of C ommunication Science &T echnology , Zhejiang University , Zhejiang Hangzhou 310027, China ;
21Jiangshan C onstruction Bureau , Zhejiang Jiangshan 324100, China )
Abstract :Based on the half Οthrough CFST arch bridge , Chengzhong Bridge in Jiangshan City , the calculating method of the dumbbell
Οshaped CFST arch bridge is studied 1F or the simplified calculation of the CFST arch rib , at present , the trans formed section method and
the uniform m odulus method are usually used 1T w o planar finite element m odels are established separately according to the tw o methods mentioned above 1At the same time , with the great general finite element program , the spatial element m odel is als o established accord 2ing to the true cross Οsection of the CFST arch rib 1The theoretical results gained by the three methods are compared with the data from the experimental investigation , which can be reference for calculation of the similar bridges 1K ey words :The CFST arch bridge ; Arch bib ; Dumbbell Οshaped
0 引言
在交通和城建行业, 由于对钢管混凝土拱桥的理论研究还不够成熟, 在相关的桥梁规范中, 还没有关于钢管混凝土拱桥的设计、计算的规定或规程。从我国对于钢管混凝土结构的研究来看, 目前主要有3个理论体系
[7～9]
钢管混凝土作为一种新的组合材料, 非常适合拱式体系的桥梁, 其自重轻、强度高、抗变形能力强, 较好地解决了修建桥梁所需求的用料省、安装重量轻、施工简便、承重能力大的诸多矛盾, 是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。随着国家交通事业的发展, 钢管混凝土拱桥已在我国得到广泛的应用, 目前我国已建成了百余座形式多样的大跨度钢管混凝土拱桥, 其中即将建成的世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥为我国的巫山长江大桥, 主跨为460m 。
虽然目前我国已建成了不少钢管混凝土拱桥, 但
收稿日期:2003Ο05Ο07
, 分别体现在我国现行的3部有关钢管混凝
[4～6]
土结构的设计与施工规程中。
主拱肋为哑铃型截面在钢管混凝土拱桥中的应用较为广泛, 对其进行分析计算时结构材料的处理有多种简化方法, 本文以一座三跨不等跨中承式钢管混凝土拱桥为工程背景, 采用有限元理论, 从不同的角度出发, 分别进行了计算分析, 并将计算结果与成桥荷载试验所得的实测值进行了比较, 以研究探讨较为适
作者简介:严圣友(1978-) , 男, 江苏泰兴人, 工学硕士, 研究方向为桥梁与隧道工程1
用的方法。1 简化计算方法
ζ+C ζ) ・f sc =(11212+B f ck
B =011759(f y Π235) C =-011038(f ck Π20)
y 2
+01974+010309
对于拱肋为哑铃型截面的钢管混凝土结构的计算
分析, 在结构材料的处理上主要有二种简化方法:换算截面法、统一模量法。111 换算截面法
在本方法中, 根据刚度等效的原则, 将钢管混凝土复合材料等效简化为一种材料, 即全部等效为混凝土或全部等效为钢。本文以全部等效为混凝土为例列出一些计算公式如下
A =A c +nA s I =I c +nI s
n =
E s E c A
ζ=A s f y ΠA c f ck
A =A c +A s I =I c +I s
γ=
γA c +γA s c ・s ・
A
式中, f y 为钢管的屈服点; f ck 为混凝土强度标准值; f s 、
f c 分别为钢管、混凝土抗压强度设计值; A c 、I c 、E c 分
别为混凝土的面积、惯性矩以及弹性模量; A s 、I s 、E s γ分分别为钢管的面积、惯性矩以及弹性模量; A 、I 、别为钢管混凝土的面积、惯性矩以及容重; E sc 为钢管混凝土这样一种单一组合材料的弹性模量。2 工程背景
γ=
γA γA ・・
γ分别为钢管混凝土组合材料全部等式中, A 、I 、
效为混凝土后的面积、惯性矩以及容重; A c 、I c 、E c 分别为混凝土的面积、惯性矩以及弹性模量; A s 、
I s 、E s 分别为钢管的面积、惯性矩以及弹性模量。
江山市城中大桥位于浙江省江山市, 西接城中路, 东接江东开发区, 横跨江山港。该桥为三跨不等跨中承式钢管混凝土拱桥, 计算跨径为54m +80m +54m , 桥梁设计荷载为城ΟA 级, 人群315kN Πm , 桥面宽度为315(人+拱肋) +1510(车) +315(人+拱
2
112 统一模量法
将钢管混凝土视为单一的组合材料, 计算时采用组合材料的指标
p p εE sc =f sc Πsc
f sc =(01172f y Π235+01488) f sc
p
εsc =0167f y ΠE s
p
y
肋) =22m 。主桥下部采用大开挖浅基础, 80m 跨径
钢管拱肋高度为210m , 由2根直径为85cm 的钢管通过中间腹板组合而成; 54m 跨径拱肋高度为118m , 由2根直径为75cm 的钢管通过中间腹板组合而成。拱肋截面均为哑铃型, 钢管内灌注掺有微膨胀剂的C40混凝土。江山市城中大桥示意图如图1所示。
图1 江山市城中大桥示意图Πcm
3 计算分析
根据111、112所述结构材料的2种处理方法,
结合江山市城中大桥的成桥荷载试验, 荷载试验采用汽车加载, 因城ΟA 级的荷载等级很难模拟, 故试验中加载车辆选用大型载重汽车, 试验主要测试在外荷载作用下, 中跨和试验一侧边跨的跨中及四分点等主要截面的挠度, 中跨和试验一侧边跨的跨中及四分点
ζπ
和拱脚等主要截面钢管的应力, 挠度通过在相应截面装置索佳2″级全站仪十字丝, 用架设在能通视测点的桥头的全站仪进行观测, 应力则在相应截面的主要受力部位粘贴应变片, 采用静态电阻应变仪测量钢管的应变, 然后再计算钢管的应力, 本文选取其中的两种荷载工况, 如图2所示。理论上, 根据杠杆法计算得一片拱肋的横向分布系数, 然后采用平面杆系有限元程序建模计算; 另外, 本文还采用大型通用有限元程
序ANSY S 进行空间建模计算。城中大桥从形式上是
三跨连拱体系, 但由于中间两墩为刚度较大的低墩, 且从实际荷载试验测试结果看, 中间两墩的水平位移基本为零, 也即连拱效应基本没有, 故空间分析时采取边跨和中跨分别建模和计算。
方法1:根据111换算截面法, 采用平面杆系有限元程序计算, 全桥桥面系170个单元, 非桥面系89个单元, 有限元模型见图3所示, 各计算参数见表1所示。
方法2:根据112统一模量法, 采用平面杆系有限元程序计算, 全桥桥面系180个单元, 非桥面系89个单元,
图2 江山市荷载试验加载车辆载位图
有限元模型见图3所示, 各计算参数见表2所示。
表1 方法1的各计算参数
参 数
位置边跨1Π4上边跨1Π4下中跨1Π4上中跨1Π4下
A c Πm 2A s Πm 2I c Πm 4I s Πm 4E c ΠMPa E s ΠMPa
A Πm 2I Πm 4γΠkg ・m -2
2111E +032107E +032109E +032106E +03
[***********]27
[***********]9
[***********]11
[***********]29
3130E +043130E +043130E +043130E +04
2106E +052106E +052106E +052106E +05
[***********]
[***********]9
表2 方法2的各计算参数
位置边跨1Π4上边跨1Π4下中跨1Π4上中跨1Π4下
参 数
A c Πm 2
A s Πm 2
I c Πm 4
I s Πm 4
E c ΠMPa
E s ΠMPa
E sc ΠMPa
A Πm 2
I Πm 4
γΠkg ・m -2
2168E +032174E +032169E +032174E +
03
[***********]27
[***********]9
[***********]11
[***********]29
3130E +043130E +043130E +043130E +04
2106E +052106E +052106E +052106E +05
3156E +043183E +043164E +043188E +04
[***********]
[***********]4
图3 平面计算有限元图式
方法3:采用通用程序ANSY S 空间建模计算, 对
拱肋用Beam188单元模拟, 单元特性中截面采用实际的组合截面, 如图4(c ) 所示, 材料1代表钢, 材料2代表混凝土, 对吊杆横梁、拱肋横梁、风撑均用Beam188单元模拟, 而吊杆则用Link10单元模拟, 桥面板用Shell63单元模拟。经离散后, 边跨梁单元共933个, 索单元共18个, 壳单元共3348个, 中跨梁单元共1267个, 索单元共26个, 壳单元共4455个, 计算模型见图4。4 结果分析比较
图4 ANSY S 网格模型图
表3给出了各工况下边跨和中跨的跨中拱肋截面上缘和下缘采用上述3种方法的钢管应力计算值, 表4还给出了各工况下相应跨跨中拱肋的挠度值
。为了
{π
说明问题, 文中还将相应的实桥荷载试验测试结果一并列于表中进行比较。
从表3和表4的比较可看出, 理论计算值中方法3与实测值较为接近, 方法1次之; 其次, 理论计算的3种方法中, 方法3精度最高, 方法1次之。这和计算中的建模方法是一致的。方法3对拱肋采用的是空
间梁单元近似模拟, 在单元特性输入中并未加入任何
假设, 而是按实际的材料和几何特性输入; 方法1对拱肋根据刚度等效的原则用平面有限元进行简化计算; 方法2同样采用平面有限元进行计算, 但在拱肋的建模过程中, 将拱肋视为单一的组合材料, 根据统一模量理论, 计算得到统一的弹性模量E sc , 而截面的几何特性按实际的输入。很明显, 方法2计算中拱肋的刚度小于方法1, 故其计算精度不及方法1。
表3 各工况下拱肋截面钢管应力值比较
加载工况中跨跨中5
辆偏载中跨跨中5辆偏载边跨跨中4辆偏载边跨跨中4辆偏载
测点
实测值ΠMPa
-1719222140-131606159-151458145-81654112
5 结论
(1) 空间建模分析计算值与实桥荷载试验测试结
果符合较好。
(2) 在采用简化方法时, 对钢管混凝土拱肋宜选择等效刚度法建模分析。
参考文献:
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理论值ΠMPa
方法1
-3017623174-13169
10178-2113114141-91346152
版社, 19991
[2] 许士杰, 王元丰1钢管混凝土肋拱桥拱肋截面几何特性计算的
方法2
-3611828161-16112
12198-2510317112-101987175
方法3
-2511018170-121009125-1718011110-71965117
探讨[J]1力学与实践, 1999, 21(5) :48-491
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中跨拱肋上缘
跨中上游下缘中跨拱肋上缘跨中下游下缘边跨拱肋上缘跨中上游下缘边跨拱肋上缘跨中下游下缘
分析[J]1建筑结构学报, 1992, 13(1) :43-521
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(JC J Ο089) [S]1同济大学出版社, 19891
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程(CECS 28:90) [S]1北京:中国计划出版社, 19921
[6] 能源部颁1钢Ο管混凝土组合结构设计规程(D L 5099Ο97) [S]1
表4 各工况下拱肋挠度值比较
加载工况中跨跨中5
辆偏载边跨跨中4辆偏载
测点
实测值Πmm
-8180-4160-3160-1140
北京:中国电力出版社, 19991
[7] 蔡绍怀1钢管混凝土结构[M]1北京:中国建筑科学研究院,
19921
理论值Πmm
方法1
-11120-4180-4110-1170
方法2
-13100-5160-4180-2100
方法3
-8182-4117-3183-1166
[8] 蒋家奋, 汤关祚1三向应力混凝土[M]1北京:中国铁道出版
中跨拱肋上游
跨中下游边跨拱肋上游跨中下游
社, 19881
[9] 钟善桐1钢管混凝土结构[M]1哈尔滨:黑龙江科技出版社,
19941
(上接第53页)
(2) 钢管混凝土哑铃型偏压短柱的荷载Ο挠度曲
出版社, 20021
[2] 刘金福1哑铃型钢管混凝土拱桥拱肋截面设计[J]1福建建
线随偏心率增大的变化规律与单圆钢管混凝土偏压柱的相似。在哑铃型截面中圆钢管混凝土的受力相当于
单圆钢管混凝土小偏压受力, 腹板对腹腔内的混凝土有一定的约束作用, 但作用较小。计算其极限承载力时, 可以将哑铃型偏压短柱等效成单圆管截面进行, 等效时不考虑腹板和腹腔内混凝土的作用, 具体等效方法与采用的钢管混凝土结构设计规程有关。
(3) 无论是轴压短柱还是偏压短柱, 钢管混凝土哑铃型截面的极限承载力等效成单圆管的算法, 计算结果与试验结果均吻合良好。然而, 从应用角度出发, 偏压构件中个别计算值大于试验值, 在应用中是偏于不安全的。因此, 对钢管混凝土哑铃型截面极限承载力的计算还有待进一步的探讨。
参考文献:
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[8] 中国电力行业标准1钢管混凝土组合结构设计规程(D L ΠT 5058Ο
1999) [S]1中国电力出版社, 19991
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