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钢管初应力对钢管混凝土拱桥承载力的影响研究

周水兴  
【摘要】: 钢管混凝土拱桥因其较好的解决拱桥吊装重量和跨度的矛盾,是近十多年来发展最为迅速的桥梁结构之一,至2005年,国内已建成跨度为460m的钢管混凝土拱桥,而且跨度和数量仍在不断增大之中。相对于工程实践,钢管混凝土拱桥的设计理论相对滞后,如钢管初应力对钢管混凝土拱桥承载力影响问题就是其中之一。钢管混凝土拱桥是在空钢管拱桥的基础上逐根灌注混凝土而形成的钢-混凝土组合结构,在形成钢管混凝土拱桥之前钢管因承受自重和湿混凝土重量,不可避免地产生钢管初应力。钢管初应力使钢管屈服提前,影响钢管混凝土拱桥承载力,但迄今为止尚未开展深入系统地研究。 本文以西部交通科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究”(合同编号:2003318814202)中的子题“钢管初应力对拱桥结构行为及承载力的影响研究”为研究内容,开展了以下研究工作: 1、采用空间梁单元计算拱桥极限承载力。为反映钢管初应力对拱桥极限承载力的影响,根据空间梁单元非线性几何方程,应用虚功原理,推导了包含初应力和初应变在内的一般线弹性本构关系的空间梁单元显式切线刚度矩阵。为考虑钢管提前屈服进入弹塑性状态后钢管与核心混凝土的套箍效应,文中提出了综合应用实体-空间梁单元法和普通空间梁单元法计算拱桥承载力的新方法,并推导了计入初应力的实体-空间梁单元刚度矩阵及其转换矩阵; 2、详细推导了单肢、哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥初应力计算公式,并给出了初应力计算流程图; 3、根据线性徐变理论,推导了轴心和小偏心钢管混凝土受压构件徐变应力计算公式。徐变度采用最普遍的退化核Dirichlet级数形式,进一步导出了钢管混凝土拱桥计算核心混凝土徐变变形的递推公式和有限元方程。应用共轭斜量法拟合混凝土徐变系数,拟合结果与试验值吻合良好; 4、开展了8根不同初应力系数和偏心距的钢管混凝土初应力构件承载力试验; 5、编制了钢管混凝土拱桥考虑钢管初应力影响的综合分析程序,程序得到轴心受压、偏心受压初应力试验构件和模型拱桥的验证。在此基础上,开展单肢、哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥在不同初应力系数β、不同跨径以及不同含钢率α下的承载力计算。此外,还分析了矢跨比变化对拱桥承载力影响系数K p的影响; 6、应用回归分析法求出了单肢、哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥的承载力影响系数计算公式,并给出了各自的初应力系数限值; 7、计算结果表明,钢管初应力的存在,使钢管混凝土拱桥的承载力下降,下降的程度不但与钢管初应力系数、截面含钢率和拱桥跨径等有关,而且还与拱肋截面型式有关,最大下降值可超过10%。以承载力降低不超过10%为界限,则单肢、哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥初应力系数β应分别控制在0.3、0.6和0.6以内。因此,在确定钢管初应力限值时,必须依截面型式而定。目前国内在设计哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥时,把初应力系数β控制在0.6以内是比较合适的,而单肢钢管混凝土拱桥初应力系数β也控制在0.6以内是偏大的,承载力将降低20%; 8、钢管混凝土拱桥多为大跨度结构,几何非线性对钢管混凝土拱桥承载力影响较大。因此,在分析钢管初应力对钢管混凝土拱桥承载力时,应同时开展材料非线性和几何非线性分析。


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