大跨度鋼桁架拱橋的極限承載力研究

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1、大跨度鋼桁架拱橋的極限承載力研究方明霽，孫海濤35大跨度鋼桁架拱橋的極限承載力研究方明霽1，孫海濤1’2(1．同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2．上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海200092)摘要：在強(qiáng)地震設(shè)防區(qū)或橋梁承受鐵路荷載且地質(zhì)條件良好時(shí)，鋼桁架拱橋是理想的大跨度橋梁選擇方案。以朝天門大橋和大寧河大橋?yàn)楸尘?，從邊界條件、初始狀態(tài)、荷載要素等幾個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)著手，對(duì)大跨度鋼桁架拱橋的極限承載能力進(jìn)行參數(shù)研究，指出活載的布置形式、側(cè)向風(fēng)荷載及不同的約束條件對(duì)鋼桁架拱橋的極限承載力有較大影響。關(guān)鍵詞：鋼桁架拱橋；參數(shù)

2、分析；極限承載力；研究中圖分類號(hào)：U448．26文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671—7767(2010)04—0035—041前言鋼桁架拱橋和鋼斜拉橋相比，具有剛度大，穩(wěn)定籟；糕i翳z性和抗震性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)橋址處于風(fēng)速或地震烈度壬M1較大的地區(qū)，或橋梁承受鐵路荷載且地質(zhì)條件良好雛登j時(shí)，鋼桁架拱橋是一種理想的大跨度橋梁選擇方案。拱J貞豎同位移／m拱項(xiàng)豎同位移／m國內(nèi)外學(xué)者采用解析法、數(shù)值分析法和試驗(yàn)法對(duì)影(a)大寧河大橋(b)朝天門大橋響鋼拱橋極限承載力的因素進(jìn)行了大量的研究，為實(shí)際設(shè)計(jì)和制定規(guī)范提出了具體建議[1

3、“]。但其中圖1不同邊界條件時(shí)荷載位移曲線的主要研究對(duì)象大多是鋼箱拱橋，有關(guān)鋼桁架拱橋8％，在極限荷載下的結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)也要多出近的研究很少。本文以大寧河大橋(主跨400m鋼箱50％。而對(duì)于朝天門大橋(連續(xù)拱梁組合體系)，拱桁架上承式拱橋)和朝天門大橋(190m+552m+腳鉸接與固接差別不大，在1％以內(nèi)，采用邊界條件190m中承式鋼桁連續(xù)系桿拱橋)為背景，應(yīng)用大型三時(shí)，朝天門大橋的極限承載力高出其它2個(gè)邊界有限元分析軟件ANSYS從邊界條件、初始狀態(tài)、荷條件近7．5％，其變形能力亦為最大。綜合可見，當(dāng)載要素等幾個(gè)

4、方面對(duì)大跨度鋼桁架拱橋的極限承載以穩(wěn)定控制橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，上承式拱橋采用拱腳固接能力進(jìn)行參數(shù)研究，找出影響鋼桁架拱橋極限承載的形式為宜；對(duì)于中承式連續(xù)拱梁組合體系而言，采力的主要因素，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供有益的幫助。用邊界條件三最為合適。本文后續(xù)計(jì)算分析中，大寧河大橋采用拱腳固接的約束形式，朝天門大橋采2邊界條件對(duì)承載力的影響用的是一側(cè)鉸接一側(cè)滑動(dòng)的約束形式。不同的邊界條件將直接影響拱肋的力學(xué)性能。鉸接拱腳相對(duì)于固接拱腳而言，由于不產(chǎn)生彎矩而3初始幾何缺陷對(duì)承載力的影響使基礎(chǔ)部分的材料用量降低，但可能會(huì)導(dǎo)致拱肋軸大跨度鋼桁

5、架拱橋在架設(shè)過程中，多采用桿件力增加并降低結(jié)構(gòu)的剛度?；蚬?jié)段拼裝的施工方法，由于拼接的節(jié)點(diǎn)多，施工中為研究改變邊界支承條件對(duì)鋼桁架拱橋極限承容易產(chǎn)生線形誤差，使拱肋在平面內(nèi)、外均存在一定載力的影響，取3種不同的邊界條件進(jìn)行計(jì)算。邊的初始撓度，在結(jié)構(gòu)自重及外荷載作用下，拱肋將產(chǎn)界條件一：兩側(cè)拱腳處固接；邊界條件二：兩側(cè)拱腳生附加的內(nèi)力和變形，這勢(shì)必會(huì)影響成橋以后的橋處鉸接；邊界條件三：拱腳處一側(cè)為鉸接，另一側(cè)為梁承載能力。為分析初始幾何缺陷對(duì)大跨度鋼桁架滑動(dòng)。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。拱橋極限承載力的影響，在計(jì)算模型中，

6、分別取彈性計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于大寧河大橋(上承式鋼桁架穩(wěn)定計(jì)算的面內(nèi)和面外1階屈曲模態(tài)作為初始幾何拱)，拱腳固接比拱腳鉸接的全橋極限承載力高出近缺陷構(gòu)形，給結(jié)構(gòu)施加L／4000--L／1000(L為主跨收稿日期：2009—10—13作者簡介：明霽(1977一)，女，副教授，1999年畢業(yè)于安徽建筑工業(yè)學(xué)院建筑工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，2002年畢業(yè)于大連理工大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，2005年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)博士(E—mail：fangmji@126．corn)。36世界橋梁2010年第4期跨

7、長)的初始缺陷幅值。計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。計(jì)算結(jié)果表明，無論是面內(nèi)還是面外的非對(duì)稱從表中結(jié)果可以看出，對(duì)于大寧河大橋，考慮面荷載，相對(duì)于對(duì)稱荷載來說，都將大大地降低橋梁的內(nèi)初始缺陷為L／1000時(shí)，其恒載穩(wěn)定安全系數(shù)降極限承載能力。鑒于橋梁自身不同的剛度特點(diǎn)，對(duì)低了3％；考慮面外初始缺陷為L／1000時(shí)，其恒載于大寧河大橋，其面內(nèi)非對(duì)稱荷載產(chǎn)生的面內(nèi)彎矩穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎沒有降低；對(duì)于朝天門大橋，考慮對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響最為顯著；對(duì)于朝天門大面內(nèi)初始缺陷為L／1000時(shí)，其恒載穩(wěn)定安全系數(shù)橋，由于面內(nèi)、外剛度比

8、較相近，在偏載產(chǎn)生的面內(nèi)、降低了5％；考慮面外初始缺陷為L／1000時(shí)，其恒外彎矩耦合作用下會(huì)導(dǎo)致拱橋剛度急劇減小，拱橋載穩(wěn)定安全系數(shù)降低了4％?？傮w來看，2座橋的極極限承載能力大大降低。限承載力對(duì)幾何初始缺陷并不敏感，相對(duì)較小的初4．2溫度荷載始擾動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響較小，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以忽溫度荷載是鋼橋設(shè)計(jì)中需要著重考慮的因素。略不計(jì)。溫度荷載的大小將直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、豎