跨系杆拱桥的分析研究铁道科学研究院

会计学1跨系杆拱桥的分析研究铁道科学研究院跨系杆拱桥的分析研究铁道科学研究院第1页/共25页系杆拱桥起源于19世纪末的欧洲, 它是由拱、系杆、吊杆和桥面系梁板等协同工作的结构体系，拱的推力由系杆（或系梁）承受而不传给墩台，所以它能象简支梁一样不受地基不均匀沉陷的影响，可以适用于地质条件较差的情况。第2页/共25页分类一：系杆拱根据拱肋与系杆的刚度比分为三种结构形式。 1）当系杆与拱肋刚度比小于1/80时，系杆可视为只承受轴向力,不承受弯矩，称之为柔性系杆刚性拱；2）当系杆与拱肋刚度的比值大于80时，拱肋可视为只承受轴向力，不承受弯矩，称之为刚性系杆柔性拱；3）介于以上两者之间则称之为刚性系杆刚性拱。第3页/共25页分类二：依据吊杆按其在拱平面内的布置形式不同，可分为竖吊杆、斜吊杆、网状吊杆。 三种吊杆布置形式对拱肋及系梁的轴向压力没有显著影响，但对它们的弯矩影响较大。1）对拱肋弯矩的影响从大到小依次为：斜吊杆、竖吊杆、网状吊杆2）对系梁弯矩的影响从大到小依次为：竖吊杆、斜吊杆、网状吊杆。3）竖吊杆结构的吊杆内力影响线均为拉应力，斜吊杆和网状吊杆内力影响线则有正有负，所以斜吊杆和网状吊杆的疲劳应力幅比竖吊杆要大一些。第4页/共25页我国从1990年在四川省旺苍县建成我国第一座大跨度钢管混凝土拱桥以来，已建和在建的钢管混凝土系杆拱桥已近百余座 。第5页/共25页表1 我国主要大跨度系杆拱桥 桥名跨度(m)概述地点建成年代九江长江大桥180216180双层公铁两用，主桥三跨连续系杆拱，栓焊钢桁梁江西九江1992三山西大桥4520045三跨中承自锚式，4750mm广东南海1995绵阳涪江三桥4620246三跨中承自锚式，4750mm四川绵阳1997天津彩虹桥3160下承式钢管混凝土拱，2500mm16mm天津1998深圳市芙蓉大桥558055三跨连续下承式有风撑钢管混凝土杆拱结构深圳2000广州丫髻沙桥360自锚式系杆拱，转体施工广东广州2001武汉江汉五桥240中承式钢管混凝土系杆拱桥湖北武汉2001第6页/共25页京杭运河特大桥235三跨自锚中承式空间曲线钢管混凝土拱，4850mm江苏2002上海卢浦桥550中承式钢拱桥结构，主干线为双向六车道上海2003东莞水道特大桥5028050三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥41000mm东莞2003嵊州大桥2136刚性系梁钢管拱桥嵊州2003钟宅湾大桥5820858三跨钢箱拱中承式提篮拱桥厦门2004钱江四桥2190985大小拱结合，双层多拱组合连跨的拱桥钱塘江2004无锡市新下甸桥225哑铃型侧倾提篮拱桥无锡市2004重庆菜园坝长江大桥8010242010280钢构与提篮式钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构半漂浮体系，以钢绞线作为系杆重庆建设中第7页/共25页 该128m系杆拱桥的梁部拱肋轴线采用二次抛物线，以拱顶为坐标原点，其方程为y=3x2/512，矢高为f=24m，矢跨比为1/5.33。两片拱肋中心距为16.0m，吊杆间距为10+129+10m，每侧共设13根吊杆，拱肋设7根横撑。两系梁内侧由29根横梁、4根纵梁及钢筋混凝土板组成桥面系，具体形式见图1。图1 128m系杆拱桥的MIDAS模型第8页/共25页表2 动力特性计算结果NO振型主要特性自振频率（Hz）自振周期（s）自振圆频率（r/s）1主桁横弯0.9761.0256.1292主桁竖向一阶1.1470.8727.2033主桁扭转1.7630.56711.072第9页/共25页第一阶振型第10页/共25页第二阶振型第11页/共25页第三阶振型第12页/共25页计算表明：1、拱肋的撑杆和下平联斜撑所受竖向荷载的应力较小，但其对全桥横向刚度值影响很大。占总用钢量2.1%的下平联斜撑对横向自振频率的贡献约34，占总用钢量0.3%的拱肋斜撑的贡献约7。2、该系杆拱桥系梁的最大挠度为5.38cm，挠跨比为1/2379，满足京沪高速铁路设计暂行规定中竖向挠度不应大于的限值。 第13页/共25页 方案四 方案五 方案六 第一种方案为分块方案，即上下两部分分别制造，现场采用高强度螺栓实现连接；第二种方案为整体方案，内角采用圆弧过渡，拱肋下翼缘板斜向延长，在系梁中间位置改变方向，延伸至端部；第三种方案是在第二种方案的基础上，将主梁的上翼缘板延伸至梁端，拱肋下翼缘板斜向延长，并延伸至梁底；第四种方案是在第三种方案的基础上取消了内角圆弧；第五种方案是在第四种方案基础上，延长节点尖端长度；第六种方案是在第一种方案的基础上，内角采用了圆弧过渡。第14页/共25页 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六 方案二 方案三 方案四 第15页/共25页 方案一应力分布情况 方案二应力分布情况第16页/共25页 方案三应力分布情况 方案四应力分布情况第17页/共25页 方案四 方案五 方案六 方案五应力分布情况 方案六应力分布情况第18页/共25页通过上述的分析可以看出：拱脚的应力集中主要分布在系梁和拱肋交汇处截面变化的部位，应力集中影响最为严重的是系梁和拱肋交汇的内角，该处分布着很大的拉应力，最易发生疲劳破坏。从六种拱脚的应力分布云图看，应力分布最匀顺的是第二种拱脚方案，由于在内角和外角均采用了圆弧过渡，使得内角的应力集中得到了很好的缓和，同时外角的应力集中消失。第19页/共25页结合上述六种方案的制造和应力分布情况可以看出：方案一由于是分块制造，现场用高强螺栓连接，它的制造单元小，便于运输，但是材料用量大，外观不简洁。从应力分布看在拱肋和系梁相交部分的内角和外角端部都有很大的应力集中，其中内角受拉，外角受压。方案二是整体方案，节点需要整体制造，运输比较困难，它的构造简洁，节点尺寸小，可以节省材料。它的内角采用圆弧过渡，拱肋下翼缘板斜向延长，在系梁中间位置改变方向，延伸至端部，这样可使拱肋根部的强大弯矩得到有效传递。从应力分布看，通过这些措施，内角的应力集中得到了很好的缓和，应力集中系数最小，同时外角的应力集中消失。方案三与方案二外形相似，应力分布情况基本相同，只是圆弧部位的应力集中略大。它将主梁的上翼缘板延伸至梁端，拱肋下翼缘板斜向延长，并延伸至梁底，比方案二稍复杂，材料用量也有所增加，需要整体制造，运输也比较困难。第20页/共25页方案四与方案三相似，只是在该方案的基础上取消了内角圆弧，从应力分布看，在内角端部有明显的应力集中，其中上部受压，下部受拉。方案五与方案四相似，在内角端部有明显的应力集中。该方案在方案四的基础上，延长了节点尖端长度，从应力分布看，节点端部的尖角对应力分布没有影响，采用这样的做法主要考虑美观因素。方案六和方案一外形相似，只是在方案一的基础上增加了很小的内角圆弧过渡，从应力分布看在拱肋和系梁相交部分的内角应力集中也很大，略小于方案一。第21页/共25页该桥式方案的系杆和拱肋的刚度EI之比为1.483:1，为刚性拱刚性系杆体系，它适用于铁路桥的特性（承受的活载很大，疲劳问题突出，对桥梁的刚度有较高的要求）。通过计算得出，该拱桥的刚度很大，在双线中活载作用下系梁的最大挠度为5.38cm，挠跨比为1/2379，满足京沪高速铁路设计暂行规定中的相关要求。该桥的第一阶振型为横弯，横向自振频率为0.976 Hz，拱肋的撑杆和下平斜撑对横向刚度影响很大，经计算得出，占总用钢量2.1%的下平联斜撑对横向自振频率的贡献约34，占总用钢量0.3%的拱肋斜撑的贡献约7。第22页/共25页由于初步设计方案图纸中没有给出具体的连接形式。通过初步计算分析，所有杆件的强度和疲劳均满足规范要求，纵梁的应力较小，截面富余量大，如无其它考虑，建议适当减小纵梁的截面尺寸。通过对提供的六种拱脚构造细节的应力分布情况分析可以看出：应力集中主要分布在系梁和拱肋交汇处截面变化的部位，应力集中影响最为严重的是系梁和拱肋交汇的内角，该处分布着很大的拉应力，最易发生疲劳破坏。从应力分布情况、构造形式以及材料用量看，在运输条件允许的情况下，最优的拱脚构造细节方案是方案二。第23页/共25页第24页/共25页