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钢管混凝土拱桥的极限承载力研究

滕启杰  
【摘要】: 在公路和城市桥梁中,钢管混凝土拱桥以跨越能力大、承载能力高、工程造价低、养护维修费用少、结构轻盈美观和施工方便等特点,在国内外得到了广泛的应用。由于交通流量、地形地势及投资规模的需要,公路桥梁设计经常会遇到宽跨比小于等于1/20的大跨度窄桥,而仅由两根钢管混凝土弦杆和钢管腹杆组成的平面桁架式拱肋为大跨度窄拱桥的设计增加了一种新颖的桥梁结构型式,具有明显的合理性和优越性。由于其拱肋自身的横向抗弯刚度较小,所以横向稳定性问题更加突出。本文结合主跨238m、宽跨比仅为1/23.8铜瓦门大桥和主跨202m、宽跨比仅为1/22.44丹东月亮岛大桥工程实际,在钢管混凝土拱桥横向稳定性解析法、稳定性可靠度、极限承载力方面进行了研究和探讨,具体研究内容如下: 1、利用能量原理,首次采用一个半波对称和两个半波反对称两种位移函数,以桥面高度处的拱肋中心距作为桥梁的宽度,考虑中承式拱桥桥面位置的影响,建立了包含上承式、中承式和下承式X型抛物线双肋拱在保向力和非保向力作用下的横向稳定承载力的统一计算公式。分析了拱肋的抗扭刚度和竖向抗弯刚度、横系梁的抗弯刚度与数量、矢跨比、宽跨比、拱肋内倾角度、桥面位置、桥面横向抗弯刚度等结构参数对拱横向稳定性的影响,给出相应的图表,并讨论了提高拱系横向稳定性的有效途径。 2、根据钢管混凝土主要理论,在充分考虑材料性能、结构几何参数和计算模式的不定性基础上,建立了主要受力部件拱肋局部稳定性失效模式下功能函数,以浙江铜瓦门大桥和丹东月亮岛大桥为工程背景,建立了拱肋在最不利荷载工况下,五个典型截面的功能函数,计算结果表明五个典型截面稳定性可靠指标都满足公路桥梁结构安全等级为一级的延性破坏目标可靠指标要求;对于大型复杂桥梁结构的极限功能函数不能用显式表达的可靠度评估问题,采用与结构可靠度几何法相结合的响应面样本选取的新方法,针对中承式拱和下承式系杆拱进行整体稳定性可靠度研究,获得了基于可靠度的评估结果,并对相关参数进行了分析,找出了影响面外失稳的主要参数。 3、基于非线性有限元法的基本原理,采用核心混凝土偏心受压应力—应变关系,开发出用于钢管混凝土拱桥极限承载力的分析软件。以铜瓦门大桥为工程背景,进行了考虑几何和材料双重非线性的极限承载力分析,研究了加载方式、拱肋含钢率、拱肋混凝土标号、腹杆塑性等因素对桥梁极限承载力的影响。全桥和半桥加载时,弹塑性极限活载系数分别为10.73和5.6;对比弹塑性和线弹性的计算结果,无论是变形还是内力,均有较大的差异,说明该桥进入弹塑性阶段,由于截面刚度的变化,存在显著的内力重分布现象;该桥的线弹性稳定安全系数远大于弹塑性极限荷载安全系数。在实际工程应用的范围内,提高拱肋的含钢率并没有显著提高结构的极限承载力;对于径厚比的选取,除了参照规范规定还应考虑结构的实际受力特性,这样保证体系稳定安全的前提下,采用合理的含钢率不仅能保证结构的极限承载力还能具有可观的经济效益。


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