跨度系桿拱橋的分析研究（鐵道科學(xué)研究院）.ppt

128m跨度系桿拱橋的分析研究,陶曉燕 鐵道科學(xué)研究院,主要內(nèi)容,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(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,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(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。,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(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1/80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。,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(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。,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(fā)展現(xiàn)狀,我國從1990年在四川省旺蒼縣建成我國第一座大跨度鋼管混凝土拱橋以來，已建和在建的鋼管混凝土系桿拱橋已近百余座 。,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(fā)展現(xiàn)狀,表1 我國主要大跨度系桿拱橋,一、系桿拱橋的受力特性及在我國的發(fā)展現(xiàn)狀,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根縱梁及鋼筋混凝土板組成橋面系，具體形式見圖1。,圖1 128m系桿拱橋的MIDAS模型,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,二、128m系桿拱橋的整體受力分析,第一階振型,二、128m系桿拱橋的整體受力分析,第二階振型,二、128m系桿拱橋的整體受力分析,第三階振型,二、128m系桿拱橋的整體受力分析,計(jì)算表明： 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。,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)角采用圓弧過渡，拱肋下翼緣板斜向延長，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，將主梁的上翼緣板延伸至梁端，拱肋下翼緣板斜向延長，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，延長節(jié)點(diǎn)尖端長度； 第六種方案是在第一種方案的基礎(chǔ)上，內(nèi)角采用了圓弧過渡。,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 方案四,三、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,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,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,三、六種拱腳構(gòu)造細(xì)節(jié)方案的應(yīng)力分析,通過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。,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： 方案一由于是分塊制造，現(xiàn)場用高強(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)角采用圓弧過渡，拱肋下翼緣板斜向延長，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，拱肋下翼緣板斜向延長，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。,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，延長了節(jié)點(diǎn)尖端長度，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。,四、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，疲勞問題突出，對(duì)橋梁的剛度有較高的要求）。 通過計(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。,四、結(jié)論,由于初步設(shè)計(jì)方案圖紙中沒有給出具體的連接形式。通過初步計(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，如無其它考慮，建議適當(dāng)減小縱梁的截面尺寸。 通過對(duì)