云计算-悬索线钢管混凝土拱梁组合体系及其吊杆张拉力计算研究.pdf资源-CSDN文库

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第一章绪论

１．１问题的提出及现实意义

设计经常选用的拱轴线型有圆弧线、抛物线、悬链线和三次样条曲线四种。这些

线型或者其适用荷载形式与拱肋实际受力状态有一定偏差。或者在实际应用中过于繁

琐。假设荷载沿拱轴线均匀分布，如旄工中常见的裸拱状态，如何寻找一种计算简单

的合理拱轴线型式，是一个值得研究的问题。

钢管混凝土结构在受力方面由于钢管对混凝土的套箍作用具有承载能力大及施

工方面具有自架设能力的优点，因此在拱桥得到了广泛的应用。考虑到现有中、下承

式钢管混凝土拱桥存在采用悬吊结构导致桥梁挠度大、桥面系容易开裂等问题，需要

采用连续化的行车道梁。

连续化的行车道梁达到一定刚度，就形成了钢管混凝土拱梁组合体系桥。拱梁组

合体系桥将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道梁组合起来共同承受荷载，

充分发挥组合体系优势，在外部构造上表现为无推力或有推力结构。钢管混凝土拱梁

组合体系桥的出现，既充分利用了钢管混凝土结构的优点，又克服了钢管混凝土拱桥

行车道梁选用悬吊结构时出现的一系列问题。

拱梁组合体系桥的构件分为三类：拱、梁和吊杆，与斜拉桥类似，也是三元构件。

其中吊杆与斜拉桥斜拉索类似，属于可调构件。通过合理设置吊杆张拉力，可对拱肋

及行车道梁的受力状态和线形进行调整和优化。而如何合理确定吊杆在成桥状态及施

工过程中的张拉力，即拱梁组合体系桥梁合理成桥状态及合理施工状态的研究，一直

是桥梁工程师们关心的课题。

拱梁组合体系桥梁的吊杼张拉力分析，目前主要沿用斜拉桥的调索理论，对具体

的拱梁组合体系桥梁工程进行分析的文献目前还不多见，即使是已有的相关研究，也

主要是结合无推力拱梁组合体系桥梁进行的，对有推力拱梁组合体系桥吊杆张拉力的

分析研究工作还有待进行；斜拉桥的调索理论能否直接应用于拱梁组合体系也值得进

一步研究和探讨。因此，对钢管混凝土拱梁组合体系桥的吊杆张拉力进行分析和计算

具有极为重要的工程价值和相应的理论意义。

１．２研究现状及分析

１．２．１拱轴线型的选择

常见拱轴线型有圆弧线、抛物线、悬链线…和三次样条函数。圆弧线是对应于径

向均布荷载的合理拱轴线，抛物线是对应于沿拱跨均布荷载的合理拱轴线，悬链线是

对应于从拱顶向拱脚连续分布荷载的合理拱轴线，三次样条曲线多用于空腹拱，用分

段函数逼近各段的恒载压力线。这些线型是在假设拱桥的拱轴线与恒载压力线重合的

条件下推导得出，因此恒载分布的选择十分重要。如果将这些既有线型作为组合体系

中拱肋的拱轴线，将导致拱轴线与恒载压力线偏差较大，或在使用中计算比较复杂，

能否找出一种便于计算分析，又与拱肋恒载分布比较接近的压力线作为拱轴线型，该

问题值得研究。

１．２．２钢管混凝土拱桥

钢管混凝土在拱桥的应用始于上个世纪３０年代的前苏联，但其真正的发展是在

９０年代的中国ｆ２】州。１９９０年，我国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥建成。

由于钢管混凝土拱桥具有材料强度高、施工方便、造型美观等优点，又恰逢我国大规

模交通基础设施建设时期，因此在我国得以迅速发展。据不完全统计，已建和在建的

钢管混凝土拱桥超过２００座。主跨大于２００ｍ的钢管拱桥，在建１９座，建成１３座１６１。

其中采用钢管混凝土作劲性骨架的四川万县上承式拱桥和广西邕江邕宁中承式拱桥，

窟接采用钢管混凝土作拱肋的广东丫辔沙大桥中承拱，均是该类桥型的世界之最

１２］１７］［引。在建的重庆巫山县巫峡长江大桥主跨跨径４６０ｍ，为采用全桁式断面拱肋的中

承式钢管混凝土拱桥，建成后将是世界上最大跨径的钢管混凝土拱桥【３１。

近年来，我国桥梁工作者通过学术交流将我国钢管混凝土拱桥的应用和发展向海

外进行介绍【７ｌ～【２１】，已引起国外的关注【２２】’【州，一些国家也有修建钢管混凝土拱桥的

报导‘２５１￣【２９１，如法国最近修建的Ａｎｔｒｅｎａｓ桥㈣（跨径５６ｍ，宽１５ｍ，主骨架为中＝

１２００ｍｍ，ｔ＝３２ｍｍ的单钢管）、美国的Ｎｅｗ

Ｄａｍｅｎ

Ａｖｅｎｕｓ桥‘２６１１２７１（跨径７４ｍ，宽

２１．９ｍ，拱肋采用ｍ＝１２００ｍｍ，ｔ＝２５ｍｍ的钢管，肋问无风撑）、捷克某钢管混凝土

拱桥㈣（跨径６０．７５ｍ，拱肋为单肋）、日本在建的青叶大桥［２９１（跨径１８０ｍ，采用钢

管混凝土劲性骨架，双边斜吊式悬臂施工）等。

钢管混凝土拱桥虽倍受青睐，但也存在不少有待改进的地方［３０１，比如对行车道

梁的构造处理。行车道梁从支承体系上看，可分为简支体系和连续体系两种。简支体

系是指吊杆吊横梁，在横梁上再铺纵向桥面板的悬吊结构，已建钢管拱桥绝大多数都

内部为高次超静定结构，但在体系外部支承上表现为静定结构，如温州殴江三桥（图

１１）为三跨中承式连续拱梁组合桥，拱肋采用钢管劲性骨架，拱肋和系梁固结，其

外部支承与连续梁相同，支座处只产生竖向反力，没有水平力作用。

有推力的拱梁组合体系，虽然拱的推力全部由墩台承受，但拱和梁共同受力，吊

杆在拱梁问起到传递荷载的作用，本文的工程背景—韶关百旺大桥（图１．２）就是这

种类型。

对拱梁组合体系桥进行的研究主要包括：用弹性支承连续梁法计算某空间梁拱组

合式桥梁的横向分布系数，实例计算与试验结果基本吻合【３７１；在分析传统的梁式桥

和拱式桥受力特点的基础上，用三维八结点块体单元对一座刚架拱进行有限元分析计

算，计算结果分析表明，拱一梁共同作用充分发挥各自的优点，结构受力合理，适用

于较大跨径【３８］；分别介绍上、中、下承式三跨连续拱梁组合体系桥的性能和特点，

不过没有结合具体算例，仅做定性分析１３９】等。

１．２．４吊杆张拉力的研究

目前对吊杆张拉力进行的研究主要集中在无推力拱梁组合体系桥梁方面，其基本

思想都是借用斜拉桥的合理成桥状态及合理施工状态确定的方法，主要包括：

用刚性支承连续梁法、力的平衡法和刚性吊杆法计算成桥状态吊杆索力，并对温

州殴江三桥的成桥吊杆索力进行初步计算，结论认为刚性支承连续梁法会出现某些柔

性吊杆受压的情况，内力平衡法计算比较繁琐，刚性吊杆法则能避免柔性吊杆受压

【４０ｌ。

用最优化方法计算成桥及施工阶段的吊杆张拉力，并对殴江三桥进行分析，认为

内力较合理，系梁混凝土应力分布符合要求…。

分析系杆拱吊杆的初始张拉力，假设成桥吊杆索力（文中称为最终内力）已确定，

而且每根吊杆只张拉一次，求出影响系数ｔ，，（表示在单位张拉力带作用下，在其余

已张拉吊杆中产生的内力），然后可求出各根吊杆的初始张拉力【４２１。

结合有支架施工的施工工艺，考虑支架对梁的支撑作用，仍以影响矩阵法为核心

思想，用Ｅ＝０或Ｅ≠０（也可在模型中直接删除）模拟吊杆是否已经张拉，用温度

应力模拟吊杆施加的预应力，对吊杆的初始张拉力进行分析。文中假设吊杆均为一次

张拉，使得计算简单，施工方便，但拱梁组合体系由于吊杆张拉力将引起整个结构的

内力重分布，尤其是大跨径桥梁吊杆的张拉力可能需要多次张拉调整，以满足施工阶

段结构内力状态及成桥状态内力和线形的要求。而如何确定不同施工阶段吊杆的张拉

力成为问题的关键，只有合理确定不同施工阶段吊杆张拉力才能保证施工期安全，使

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