m跨度系桿拱橋的分析研究(鐵道科學(xué)研究院)課件

1、128m跨度系桿拱橋的分析研究陶曉燕鐵道科學(xué)研究院 第1頁(yè)，共25頁(yè)。主要內(nèi)容一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀二、128m系桿拱橋的整體受力分析三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析四、結(jié)論第2頁(yè)，共25頁(yè)。一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀系桿拱橋起源于19世紀(jì)末的歐洲, 它是由拱、系桿、吊桿和橋面系梁板等協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系，拱的推力由系桿（或系梁）承受而不傳給墩臺(tái)，所以它能象簡(jiǎn)支梁一樣不受地基不均勻沉陷的影響，可以適用于地質(zhì)條件較差的情況。第3頁(yè)，共25頁(yè)。一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀分類一：系桿拱根據(jù)拱肋與系桿的剛度比分為三種結(jié)構(gòu)形式。 1）當(dāng)系桿與拱肋剛度比小于1

2、/80時(shí)，系桿可視為只承受軸向力,不承受彎矩，稱之為柔性系桿剛性拱；2）當(dāng)系桿與拱肋剛度的比值大于80時(shí)，拱肋可視為只承受軸向力，不承受彎矩，稱之為剛性系桿柔性拱；3）介于以上兩者之間則稱之為剛性系桿剛性拱。第4頁(yè)，共25頁(yè)。一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀分類二：依據(jù)吊桿按其在拱平面內(nèi)的布置形式不同，可分為豎吊桿、斜吊桿、網(wǎng)狀吊桿。 三種吊桿布置形式對(duì)拱肋及系梁的軸向壓力沒(méi)有顯著影響，但對(duì)它們的彎矩影響較大。1）對(duì)拱肋彎矩的影響從大到小依次為：斜吊桿、豎吊桿、網(wǎng)狀吊桿2）對(duì)系梁彎矩的影響從大到小依次為：豎吊桿、斜吊桿、網(wǎng)狀吊桿。3）豎吊桿結(jié)構(gòu)的吊桿內(nèi)力影響線均為拉應(yīng)力，斜吊桿和網(wǎng)狀吊

3、桿內(nèi)力影響線則有正有負(fù)，所以斜吊桿和網(wǎng)狀吊桿的疲勞應(yīng)力幅比豎吊桿要大一些。第5頁(yè)，共25頁(yè)。一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)從1990年在四川省旺蒼縣建成我國(guó)第一座大跨度鋼管混凝土拱橋以來(lái)，已建和在建的鋼管混凝土系桿拱橋已近百余座 。第6頁(yè)，共25頁(yè)。一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀表1 我國(guó)主要大跨度系桿拱橋 橋名跨度(m)概述地點(diǎn)建成年代九江長(zhǎng)江大橋180216180雙層公鐵兩用，主橋三跨連續(xù)系桿拱，栓焊鋼桁梁江西九江1992三山西大橋4520045三跨中承自錨式，4750mm廣東南海1995綿陽(yáng)涪江三橋4620246三跨中承自錨式，4750mm四川綿陽(yáng)1997天津彩虹

4、橋3160下承式鋼管混凝土拱，2500mm16mm天津1998深圳市芙蓉大橋558055三跨連續(xù)下承式有風(fēng)撐鋼管混凝土桿拱結(jié)構(gòu)深圳2000廣州丫髻沙橋360自錨式系桿拱，轉(zhuǎn)體施工廣東廣州2001武漢江漢五橋240中承式鋼管混凝土系桿拱橋湖北武漢2001第7頁(yè)，共25頁(yè)。一、系桿拱橋的受力特性及在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀京杭運(yùn)河特大橋235三跨自錨中承式空間曲線鋼管混凝土拱，4850mm江蘇2002上海盧浦橋550中承式鋼拱橋結(jié)構(gòu)，主干線為雙向六車道上海2003東莞水道特大橋5028050三跨連續(xù)自錨中承式鋼管混凝土拱橋41000mm東莞2003嵊州大橋2136剛性系梁鋼管拱橋嵊州2003鐘宅灣大橋582

5、0858三跨鋼箱拱中承式提籃拱橋廈門2004錢江四橋2190985大小拱結(jié)合，雙層多拱組合連跨的拱橋錢塘江2004無(wú)錫市新下甸橋225啞鈴型側(cè)傾提籃拱橋無(wú)錫市2004重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋8010242010280鋼構(gòu)與提籃式鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結(jié)構(gòu)半漂浮體系，以鋼絞線作為系桿重慶建設(shè)中第8頁(yè)，共25頁(yè)。二、128m系桿拱橋的整體受力分析 該128m系桿拱橋的梁部拱肋軸線采用二次拋物線，以拱頂為坐標(biāo)原點(diǎn)，其方程為y=3x2/512，矢高為f=24m，矢跨比為1/5.33。兩片拱肋中心距為16.0m，吊桿間距為10+129+10m，每側(cè)共設(shè)13根吊桿，拱肋設(shè)7根橫撐。兩系梁內(nèi)側(cè)由29根橫梁、4根

6、縱梁及鋼筋混凝土板組成橋面系，具體形式見(jiàn)圖1。圖1 128m系桿拱橋的MIDAS模型第9頁(yè)，共25頁(yè)。二、128m系桿拱橋的整體受力分析表2 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果NO振型主要特性自振頻率（Hz）自振周期（s）自振圓頻率（r/s）1主桁橫彎0.9761.0256.1292主桁豎向一階1.1470.8727.2033主桁扭轉(zhuǎn)1.7630.56711.072第10頁(yè)，共25頁(yè)。二、128m系桿拱橋的整體受力分析第一階振型第11頁(yè)，共25頁(yè)。二、128m系桿拱橋的整體受力分析第二階振型第12頁(yè)，共25頁(yè)。二、128m系桿拱橋的整體受力分析第三階振型第13頁(yè)，共25頁(yè)。二、128m系桿拱橋的整體受力分析計(jì)算

7、表明：1、拱肋的撐桿和下平聯(lián)斜撐所受豎向荷載的應(yīng)力較小，但其對(duì)全橋橫向剛度值影響很大。占總用鋼量2.1%的下平聯(lián)斜撐對(duì)橫向自振頻率的貢獻(xiàn)約34，占總用鋼量0.3%的拱肋斜撐的貢獻(xiàn)約7。2、該系桿拱橋系梁的最大撓度為5.38cm，撓跨比為1/2379，滿足京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定中豎向撓度不應(yīng)大于的限值。 第14頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析 方案四 方案五 方案六 第一種方案為分塊方案，即上下兩部分分別制造，現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)度螺栓實(shí)現(xiàn)連接；第二種方案為整體方案，內(nèi)角采用圓弧過(guò)渡，拱肋下翼緣板斜向延長(zhǎng)，在系梁中間位置改變方向，延伸至端部；第三種方案是在第二種方案的基礎(chǔ)上，將主梁的上

8、翼緣板延伸至梁端，拱肋下翼緣板斜向延長(zhǎng)，并延伸至梁底；第四種方案是在第三種方案的基礎(chǔ)上取消了內(nèi)角圓??；第五種方案是在第四種方案基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)尖端長(zhǎng)度；第六種方案是在第一種方案的基礎(chǔ)上，內(nèi)角采用了圓弧過(guò)渡。第15頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六 方案二 方案三 方案四 第16頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析 方案五應(yīng)力分布情況 方案六應(yīng)力分布情況圖4 六種拱腳的應(yīng)力分布情況方案一應(yīng)力分布情況 方案二應(yīng)力分布情況第17頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析 方案三應(yīng)力分布情況 方案四應(yīng)力分布情況第18頁(yè)，共

9、25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析 方案四 方案五 方案六 方案五應(yīng)力分布情況 方案六應(yīng)力分布情況第19頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析通過(guò)上述的分析可以看出：拱腳的應(yīng)力集中主要分布在系梁和拱肋交匯處截面變化的部位，應(yīng)力集中影響最為嚴(yán)重的是系梁和拱肋交匯的內(nèi)角，該處分布著很大的拉應(yīng)力，最易發(fā)生疲勞破壞。從六種拱腳的應(yīng)力分布云圖看，應(yīng)力分布最勻順的是第二種拱腳方案，由于在內(nèi)角和外角均采用了圓弧過(guò)渡，使得內(nèi)角的應(yīng)力集中得到了很好的緩和，同時(shí)外角的應(yīng)力集中消失。第20頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析結(jié)合上述六種方案的制造和應(yīng)力分布情況可以看出：方案一由于是分塊

10、制造，現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)螺栓連接，它的制造單元小，便于運(yùn)輸，但是材料用量大，外觀不簡(jiǎn)潔。從應(yīng)力分布看在拱肋和系梁相交部分的內(nèi)角和外角端部都有很大的應(yīng)力集中，其中內(nèi)角受拉，外角受壓。方案二是整體方案，節(jié)點(diǎn)需要整體制造，運(yùn)輸比較困難，它的構(gòu)造簡(jiǎn)潔，節(jié)點(diǎn)尺寸小，可以節(jié)省材料。它的內(nèi)角采用圓弧過(guò)渡，拱肋下翼緣板斜向延長(zhǎng)，在系梁中間位置改變方向，延伸至端部，這樣可使拱肋根部的強(qiáng)大彎矩得到有效傳遞。從應(yīng)力分布看，通過(guò)這些措施，內(nèi)角的應(yīng)力集中得到了很好的緩和，應(yīng)力集中系數(shù)最小，同時(shí)外角的應(yīng)力集中消失。方案三與方案二外形相似，應(yīng)力分布情況基本相同，只是圓弧部位的應(yīng)力集中略大。它將主梁的上翼緣板延伸至梁端，拱肋下翼緣板

11、斜向延長(zhǎng)，并延伸至梁底，比方案二稍復(fù)雜，材料用量也有所增加，需要整體制造，運(yùn)輸也比較困難。第21頁(yè)，共25頁(yè)。三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析方案四與方案三相似，只是在該方案的基礎(chǔ)上取消了內(nèi)角圓弧，從應(yīng)力分布看，在內(nèi)角端部有明顯的應(yīng)力集中，其中上部受壓，下部受拉。方案五與方案四相似，在內(nèi)角端部有明顯的應(yīng)力集中。該方案在方案四的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)尖端長(zhǎng)度，從應(yīng)力分布看，節(jié)點(diǎn)端部的尖角對(duì)應(yīng)力分布沒(méi)有影響，采用這樣的做法主要考慮美觀因素。方案六和方案一外形相似，只是在方案一的基礎(chǔ)上增加了很小的內(nèi)角圓弧過(guò)渡，從應(yīng)力分布看在拱肋和系梁相交部分的內(nèi)角應(yīng)力集中也很大，略小于方案一。第22頁(yè)，共25頁(yè)。四、

12、結(jié)論該橋式方案的系桿和拱肋的剛度EI之比為1.483:1，為剛性拱剛性系桿體系，它適用于鐵路橋的特性（承受的活載很大，疲勞問(wèn)題突出，對(duì)橋梁的剛度有較高的要求）。通過(guò)計(jì)算得出，該拱橋的剛度很大，在雙線中活載作用下系梁的最大撓度為5.38cm，撓跨比為1/2379，滿足京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定中的相關(guān)要求。該橋的第一階振型為橫彎，橫向自振頻率為0.976 Hz，拱肋的撐桿和下平斜撐對(duì)橫向剛度影響很大，經(jīng)計(jì)算得出，占總用鋼量2.1%的下平聯(lián)斜撐對(duì)橫向自振頻率的貢獻(xiàn)約34，占總用鋼量0.3%的拱肋斜撐的貢獻(xiàn)約7。第23頁(yè)，共25頁(yè)。四、結(jié)論由于初步設(shè)計(jì)方案圖紙中沒(méi)有給出具體的連接形式。通過(guò)初步計(jì)算分析，所有桿件的強(qiáng)度和疲勞均滿足規(guī)范要求，縱梁的應(yīng)力較小，截面富余量大，如