钢管混凝土拱桥计算模式研究
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摘要
我国自1990年建成第一座钢管混凝土拱桥以来,钢管混凝土拱桥以其施工快捷、跨度大、外形优美等诸多优点而得到迅猛发展,已经建成的巫山长江大桥跨径达到460m,目前钢管混凝土拱桥仍在向更大跨径、更大规模方向发展,应用领域和范围也在不断扩大。然而其理论研究还相对滞后于工程实践,钢管混凝土拱肋计算模式就是其中之一。本文以哑铃型和四肢格构型钢管混凝土拱桥为对象,研究了这两种截面型式的计算模式。
首先,基于组合空间梁单元法,将哑铃型拱的上肢、下肢钢管、管内混凝土和缀板以及内部的核心混凝土分七部分模拟为空间梁单元,将各个梁单元刚度矩阵集合成为组合空间梁单元刚度矩阵,并通过矩阵转换推导了哑铃型截面空间组合梁单元的刚度矩阵,使单元的节点数大为减少,通过算例验证了空间组合梁单元法的正确性。
其次,针对现有哑铃型截面钢管混凝土拱桥格构柱法公式存在的问题,提出了修正的格构柱计算公式,该公式考虑了缀板承受的轴向力和上下弦杆承受的弯矩,提高了计算精度,通过算例比较了格构柱法公式修正前后的位移与内力差异。对四肢格构型钢管混凝土拱桥,提出了缀板及缀板内混凝土按抗弯刚度等效和按轴压刚度等效的计算模式,并给出了相应的计算公式;分析了等效板厚弹性模量取值对结果的影响;比较了四肢格构型竖向缀板和横向缀板不同模拟方法的计算结果和计算精度。
最后,结合新龙门大桥工程实例,进一步比较了按按抗弯刚度等效和按轴压刚度等效的计算结果差异,在此基础上开展了大桥施工全过程仿真分析,结果为设计和施工监控提供了理论基础。
In China,arch bridge has been rapidly developed with its fast,large span,beatuful appearance,and many other advantages,since the first CFST.The span of Wu Gorge Yangtze River Bridge reach 460m.CFST is still direct to a greater span, but also to the direction of large-scale,and application areas and range are also expanding.However, the theoretical study is also lagging behind in the engineering practice, the calculation model of CFST arch rib is one of them.This article aimed to the CFST arch bridge with dumbbell section and CFST arch bridge with four limb lattice section,Studied the calculation model cross-section of these two types’cross-section.
Firstly,based on the spatial beam element combination method,divided the steel pipe upper limb and lower limb of dumbbell arch,concrete in steel pipe,batten plate and core concrete into seven parts to simulate beam element,aggregate beam element stiffness matrix for space beam element stiffness matrix,derivation stiffness matrix of dumbbell section space beam element through the matrix converter,reduce the number of element nodes, proof the correctness of spatial beam element combination method through examples.
Secondly,for the problem that lattice method formula of CFST arch bridge with dumbbell section exists,put forward modified lattice formula.The formula considered the axial force that batten plate beared and moment that upper and lower chord beared,improved the calculation accuracy,compared displacement and internal force differences of lattice method formula before and after amendment throgh examples. For CFST arch bridge with four limb lattice section,put forward computing model of equivalent flexural rigidity method and equivalent pulldown rigidity method for batten plate and concrete in batten plate,and gave relevant formula;analyse influence to the results that the value of equivalent thickness elastic modulus brings;Compared the calculation results and calculation accuracy of different analog methods to four limb lattice vertical batten plate and horizontal batten plate.
Finally, With practical Xinlongmen Bridge engineering examples,compared the difference calculation results of equivalent flexural rigidity method and equivalent pulldown rigidity method.On this basis,carry out simulation analyses of the construction process,and the results provide design construction monitoring with theoretical basis.
首先,基于组合空间梁单元法,将哑铃型拱的上肢、下肢钢管、管内混凝土和缀板以及内部的核心混凝土分七部分模拟为空间梁单元,将各个梁单元刚度矩阵集合成为组合空间梁单元刚度矩阵,并通过矩阵转换推导了哑铃型截面空间组合梁单元的刚度矩阵,使单元的节点数大为减少,通过算例验证了空间组合梁单元法的正确性。
其次,针对现有哑铃型截面钢管混凝土拱桥格构柱法公式存在的问题,提出了修正的格构柱计算公式,该公式考虑了缀板承受的轴向力和上下弦杆承受的弯矩,提高了计算精度,通过算例比较了格构柱法公式修正前后的位移与内力差异。对四肢格构型钢管混凝土拱桥,提出了缀板及缀板内混凝土按抗弯刚度等效和按轴压刚度等效的计算模式,并给出了相应的计算公式;分析了等效板厚弹性模量取值对结果的影响;比较了四肢格构型竖向缀板和横向缀板不同模拟方法的计算结果和计算精度。
最后,结合新龙门大桥工程实例,进一步比较了按按抗弯刚度等效和按轴压刚度等效的计算结果差异,在此基础上开展了大桥施工全过程仿真分析,结果为设计和施工监控提供了理论基础。
In China,arch bridge has been rapidly developed with its fast,large span,beatuful appearance,and many other advantages,since the first CFST.The span of Wu Gorge Yangtze River Bridge reach 460m.CFST is still direct to a greater span, but also to the direction of large-scale,and application areas and range are also expanding.However, the theoretical study is also lagging behind in the engineering practice, the calculation model of CFST arch rib is one of them.This article aimed to the CFST arch bridge with dumbbell section and CFST arch bridge with four limb lattice section,Studied the calculation model cross-section of these two types’cross-section.
Firstly,based on the spatial beam element combination method,divided the steel pipe upper limb and lower limb of dumbbell arch,concrete in steel pipe,batten plate and core concrete into seven parts to simulate beam element,aggregate beam element stiffness matrix for space beam element stiffness matrix,derivation stiffness matrix of dumbbell section space beam element through the matrix converter,reduce the number of element nodes, proof the correctness of spatial beam element combination method through examples.
Secondly,for the problem that lattice method formula of CFST arch bridge with dumbbell section exists,put forward modified lattice formula.The formula considered the axial force that batten plate beared and moment that upper and lower chord beared,improved the calculation accuracy,compared displacement and internal force differences of lattice method formula before and after amendment throgh examples. For CFST arch bridge with four limb lattice section,put forward computing model of equivalent flexural rigidity method and equivalent pulldown rigidity method for batten plate and concrete in batten plate,and gave relevant formula;analyse influence to the results that the value of equivalent thickness elastic modulus brings;Compared the calculation results and calculation accuracy of different analog methods to four limb lattice vertical batten plate and horizontal batten plate.
Finally, With practical Xinlongmen Bridge engineering examples,compared the difference calculation results of equivalent flexural rigidity method and equivalent pulldown rigidity method.On this basis,carry out simulation analyses of the construction process,and the results provide design construction monitoring with theoretical basis.
引文
[1]顾安邦主编.桥梁工程(下册)[M].北京:人民交通出版社.2000.
[2]万明坤主编.桥梁漫笔.北京:中国铁道出版社.1997.
[3]罗英,唐寰澄.中国石拱桥研究.北京:人民交通出版社.1993.
[4]陈德荣,徐风云.从宜宾桥看钢骨钢筋混凝土拱桥的发展前景.中国公路学会桥梁和结构工程学会.贵阳.1991:19-23.
[5]李毅谦,王吉力耘,李一兵等.斜拉扣挂连续浇筑拱肋混凝土施工方法的研究.中国公路学会桥梁和结构工程学会.广西.北京:人民交通出版社,1996:293-300.
[6]杨如刚,徐基伟,李文琪.万县长江大桥拱圈混凝土浇筑.四川省公路学会桥梁学术讨论会.万县.成都:西南交通大学出版社.1996:122-128.
[7]钟善桐.钢管混凝土结构(第三版).北京:清华大学出版社.2003.
[8]蔡绍怀.钢管混凝土结构的计算与应用[M].北京:中国建筑工业出版社.1989:95-101.
[9]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构.北京:人民交通出版社.2003.
[10]John M.Kulicki,The Once and Future Steel Bridge[J],Transportation Research Record.1696,paper No.5B0136.
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[16]周念先.新型大跨度拱桥的设计构思.杭州:中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第九届年会论文集,1990.
[17]韩林海.钢管混凝土结构.北京:科学出版社,2000.
[18]钟善桐.高层钢管混凝土结构.黑龙江科学技术出版社,1999.
[19]徐升桥.丫髻沙大桥主桥设计研究.铁道标准设计.Vol.21,No.6,P2-7,2001.
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