承式铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆力学行为分析

兰州交通大学硕士学位论文下承式铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆力学行为分析姓名：徐岳震申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：季日臣201206 兰州交通大学 硕 士 学 位 论文摘要本 文 以 某一 实际工 程为 实例 ， 建 立 下承式钢管 混 凝 土 系杆 拱桥 的 有限 元 模型 ， 利用针对 吊 杆 的 疲 劳破 损 受 力问题 ， 分析了影响 吊 杆 受 力行 为的 几 个 主要因素， 包括温度 变化 、 混 凝 土 收 缩 徐 变及 吊 杆 的 风雨 振 问题 、 桥 梁振 动 问题 和 吊 杆 的 连 接形 式等 。分析认 为， 吊 杆 的 破损 原 因包 括其自身所受 的 复 杂的 附 加 剪力和 附 加 弯矩 环 境、 长期 处 于高 频 振 动 状 态 和 材 料 的 锈 蚀 等 综 合 作用， 疲 劳受 力并不 是吊 杆 破断 的 唯 一 原 因。根 据 力的 平衡 法 计 算确定 吊 杆 的 张拉 力， 保证 了拱肋 和 系梁的 恒载弯矩 合 理 分布 ，吊 杆 的 受 力均匀 。对 于 施工 阶段 的 吊 杆 初始张拉 力利 用倒拆 法 求 解 得出 。通过 对吊 杆 的张拉 力进 行合 理 调 整， 使 得系梁控 制 部位 及 拱肋 的 内 力分布 趋于 合 理 。通过 对比 成 桥 前后 吊 杆 受 力变 化 ， 表明 活 载增 大了 吊 杆 所受 的 张力， 吊 杆 索 力增 加 幅度 基 本 一 致， 吊 杆受 活 载影响 较大。关 键词：钢管 混 凝 土 ：吊 杆 张拉 力：疲 劳破 损 ：吊 杆 受 力：论文 类 型 ：应 用研 究 鷄 瑃 曲 谢 梁拱 组合 体 系 简 述材 料抗弯 刚 度 ， 而是 由系 梁与拱 肋 的 拉 压 力 矩承 担很 大部分， 这 样就 大大减小 了 桥梁结构自 重 ， 提升了 材 料利 用率 ， 增大了 桥梁的 跨 越能 力 。 需 要特别 指 出 的 是 ， 在 桥梁承 载范 围 内 所 产生 的 剪 力 ， 基本 由拱 肋 轴 向力 的 竖 直 分量 提供， 对于 体 系 的 抗剪 要求 ， 系 梁和拱 肋 的 截 面 材 料抗剪 能 力 是 很 容易 满 足的 。 因此对于 梁拱 组合 体 系 产生 的 效 应 ， 跨 径范 围 内 的 外 力 以拉 压 轴 力 为 主。 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析梁 拱 组合 体系 桥梁 的 形式 非 常多 样， 由 于系 梁 和 拱 肋的 不 同 组合 形式 ， 大致根 据以图 简 支 体系 、 刚架 体系 、 连 续 体系 拱 桥 图 上 、 下 、 中 承式 系 杆拱 桥根 据系 梁 和 拱 肋相 对抗 弯 刚度的 大小 ， 梁 拱 组合 体系 桥梁 可 分 为三 类 ：柔 梁 刚拱图 式 如 图 所 示 。 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析图 系 杆拱 、 朗 格 尔拱 、 洛 泽 拱 钢 管 混凝 土 在拱 桥 中的 应用 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析钢管 混 凝土 结 构属 于 钢一混 凝土 组合 结 构， 是一种 将 混 凝土 填 充至 钢管 内 ， 实 现 两者协 同工 作 的 受 压 组合 材 料。它利用 混 凝土 和 钢管 两 种 材 料在承受 荷 载过程 时 的 相 互 作用 ， 即 在轴向 荷 载作 用 下 ， 钢管 由于 核 心 混 凝土 的 径 向 约 束作 用 从而 将 钢管 中的 核 心 混凝土 强 度得到 提 高， 混 凝土 处 于 复 杂 应 力状 态 之下 ， 其韧 性 和 塑性 大 为改善； 并且 混 凝土 的 存 在避 免了或延 缓了钢管 产生 的 局部屈 曲 ， 保证 了两 者能 够 充分 发 挥材 料的 性 能 。相 比钢筋 混 凝土 ， 钢管 混 凝土 施工 时 不需要绑扎 钢筋 、 支 模板 及拆 模板 等 工 序 ， 施工 相 对 方 便 。因 钢管 内 无 需钢筋 ， 浇筑 混 凝土 较 为方 便 ， 易振捣 密 实 ， 特别由于 采 用 了泵 送混 凝土 、 自 密 实 混 凝土 及高 抛免振捣 混 凝土 等 施工 工 艺 ， 更 能 有 效 加 快钢管 混 凝土的 施工 进度。 相 比预 制的 钢筋 混 凝土 构件 ， 没有 构件 预 制场 地的 要求 。并且 与钢结 构相比， 钢管 混 凝土 构造 通 常更 为简单 ， 因 而 焊 缝 少 ， 易于 制 作 ， 特别是在 钢管 混 凝土 中 可广 泛 采 用 薄 壁钢管 ， 因 而进行 钢管 现 场 拼 接、 对 焊 更 为简便 快捷。 此外 ， 先 期 架设 的 空钢管 可 以 用 作 浇筑 拱 肋核 心 混 凝土 的 模板 和 支 架， 加 之钢管 混 凝土 自 身 具备 的 抗 压 和 抗 钢管 混 凝 土 拱 桥 吊 杆力 学 行为研 究现 状 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析 式结构。胃 止 芡 饩、横 撑钢 管 外径 啪， 壁厚 均 为 。拱 肋横 撑上设 暮 崞 拢 诵 械 婪段 谖 F狡隆盗 憾 瞬 段 诮 街聚丙 烯 风 状 纤维图格 丑沟 特 大桥 主 跨 构造 示意图 随 着 钢 管混 凝土 系杆 拱 桥在 我 国的 大量 修 建 ， 其 吊杆 的 运 营安 全 问 题逐 渐 引起 工程技术人 员 的 重 视。 工程 实践发 现， 吊杆 的 疲 劳 腐 蚀 破损 已 成 为 吊杆 破坏 的 主要 原 因。 本文 以某下承式 系杆 拱 桥 招韵 盗 焊 招怨 敖 峁固逑 为 例， 对 影 响吊杆 受力行为 的 因素进行探讨， 对 引起 吊杆 破损 的 因素 进行分 析 并 提出了 相 关 建 议。 本文 的 主要 工作 内容如下： 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析 吊 杆的 疲 劳 破 坏 原 理 ，会 造 成吊 杆 的突 然 断 裂。 纤维 状 或粗 粒 状 的材料 断 裂面特 征 就 是 由 这 种 突 然 性 断 裂造 成的。腐 蚀 疲 劳 是 结 构 在 腐 蚀 环 境 下 的常见失 效 形 式 ， 是 由 交变 应力 与 腐 蚀 介质 环 境 的共同作 用 产 生的 【 。 在 设 计、 维 护 、 分 析 等方 面若未 充 分 考虑 吊 杆 的腐 蚀 疲 劳 失 效 ， 将会 带 来 很 大的 危 险性 。 水 和空 气 是 自然 环 境 下 造 成吊 杆 腐 蚀 得主 要原因。 金属 的疲 劳 性能由 于腐 蚀 而大大降 低 ， 腐 蚀 和疲 劳 构 成了 互 相 加 强 的循环 ， 腐 蚀 加 速了 应力 疲 劳 的过程 ， 反 复 应力 又 加 速了 对腐 蚀 的作 用 。 混凝 土 温 度变 化 及 收 缩、 徐变 下 的吊 杆 受 力 行为 国 ：竺 仁国 !#甁 向 的 最 大截 面 尺 寸 。 桥面 由于受到不 对 称的 移 动横 向 荷 载 作 用或 桥梁受到横 向 风 力的 作 用是 桥面 产生横 向 振动的 主要 原 因。由 于桥面 的 横 向 振动， 吊 杆承担 一定的 横 向 力， 从 而 产生 横 向 的剪 切和弯 曲 变 形。对 于下 承式 系 杆拱 桥结 构 ， 由于短 吊 杆的 长 度较短 ， 对 变 形的 适 应 能力较差， 虽 然 横 向 位移 在 桥面 产生 横 向 振动时 最 小 ， 但其承担 的 横 向 力较大， 将会 产生较大的 弹性变 形。 由整体 结构 振动 结果 可 以发 现， 吊 杆 的 变 形 是 拱肋 和 系 杆 变 形 的 几 倍 甚 至更大。并 且 由吊 杆 的 频 率 公 式可 知， 短吊 杆 的 振动 频 率 比长吊 杆 要大， 故 在同 样荷 载 作 用 下 ，短吊 杆 受动 荷 载 冲击 影 响 比长吊 杆 也要大很多 ， 甚 至有时 达 到 数 倍 以上， 这 些 因素 导致 短吊 杆 的 应 力 幅增 大， 其 抗疲劳能 力 亦 随 之 下 降 。短吊 杆 是 对 高 频 振动 状态 受力 非常 不 利 的 一 个 因素 。 所受 的 冲 击 影 响， 对于短 吊 杆来说 尤 其重 要 。 吊 杆 成 桥索 力的确定 吊 杆 张 拉 力 的确定钢 管混 凝土 系 杆 拱 桥属于 梁 拱 组合 结 构，一 方 面其力 学 性 能 充 分 发 挥 了拱 的特 点 ：由于 承受水 平推 力的作用，拱 肋主要 以 承受压 力为主，拱 内 剪力 、弯 矩很 小，使 钢 管内核 心混 凝土 抗 压 能 力强的 优 点 得 到充 分 发 挥 ； 另 一方 面通过 吊 杆 的合 理 布 置 ，吊 杆 的张拉 力合 理 施 加 使 得 系 梁 的弯 矩得 以 减小，并将 系 梁 剪力 转换成 拱 的轴力 ，使 全 桥处 于 合理 均 匀的受力 状 态，吊 杆 对 于 整 个 梁 拱 组合 结 构起着 传递构 件之 作用。 鲜 屏 摹 砰 当 腯 为非奇 异 矩阵时 ，可求 得 ： 尽合 理 。参 考以 往 的成 功 经验 并经反 复 试算，本 文 以 图 所示的 弯 矩作为目 标 弯 矩，计 算所需 的吊 杆 张 拉 力 。 注 ： 图 中 所示的 吊 杆 张 拉 值为单根 吊 杆 的张 拉 值。、 吊 杆初 始 张拉 力的 确 定 蓼、瓜 彳一， 岁 毒 表 吊 杆的 初 始 张拉 力 计 算图 表显 示 ， 程序 输出的 变 形 图 示 与计 算数值较为一 致 ， 吊 杆的 初 始 张拉 力没有 改变 吊 杆初 始 张 拉 力 对 全 桥 的 影响 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析 分 析两 种 工况下的吊 杆 轴 力 ， 得出 如下结 论： 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析 最大应 力 最小 应 力 平均 应 力 应 力幅 应 力幅比 值表 吊 杆间距 变 化 时 跨 吊 杆应 力 一一一表 吊 杆间距 变 化 时 跨 中 吊 杆应 力吊 杆间距 一 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析图 最 大应 力受 吊 杆间距 的影 响图 应 力幅 受 吊 杆间距 的影 响从 以上的计 算 数 据及图 表可 以看 出：最 大应 力和 应 力幅 随着吊 杆间距 的增 加 ， 基 本都 呈现 出线 性增 加 趋 势 ， 跨 吊 杆和 跨 中吊 杆增 大的幅 度 基 本 一 致 ， 边吊 杆增 大幅 度要稍 小 ， 并且 在 各 种 吊 杆间距 情况 下 ， 边 吊 杆的最 大应 力以及应 力幅 值 均为最 小 。 在 增大比 例 上， 不 同吊 杆间距 下 ， 边吊 杆增 大率要大于 跨 及跨 中吊 杆， 这与边 吊 杆距 离拱 脚 过近， 受 到拱 肋 的影 响有 关。 兰州交通大学 硕 士 学 位 论 文 厘应 力力幅幅 比比 值值吊杆位以上计 算 数 据显示 ， 无 论 在 最 大应 力还 是 应 力幅 值 方 面， 边吊 杆都 不 是 所 有 吊 杆中最 大的， 相反却 是 最 小的。 这说 明 实际 工 程中经 常发 生 的边 吊 杆破 损问题 ， 吊 杆的荷 载疲 劳 并不 是 单 纯 的、 主要的原 因， 这与我 们的常识 理 论 是 有 出入 的， 值 得 引起 工 程师们深入 的研 究 和 思考。 数 据同 时显示 ， 跨 中吊 杆的最 大应 力和 应 力幅 值 也 不 是 最 大的， 这也 与我 们平时 主观 认为的中 吊 杆受 力最 大是 不 一 致 的。 吊杆 截 面 积 的 影响表 吊杆 截 面 积 变 化时边 吊杆 内 力 下承 式铁路 钢 管 混 凝土 系 杆 拱 桥吊杆 力 学 行 为 分 析 图 轴力 幅 受吊杆 截 面 积 的影响图 应力 幅 受吊杆 截 面 积 的影响 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析轴力和轴力幅 而增 大， 且 增 幅 明 显； 而应 力和应 力幅 由 于 吊 杆截 面 积的 增 大， 下 降 幅 度较为缓 慢 。 相 比其 他 吊 杆， 其 轴力和应 力都 没 有 由 于 边 吊 杆截 面 积的 变 化 而发 生明 显改变 。 在 柔 性吊 杆结 构设计 中 ， 针对边 吊 杆容 易 产生破损失 效 的 问 题 ， 我 们 可 根 据 这一分析 结 果对边 吊 杆做适 当 的 加 强 ， 例 如 采取加 大边 吊 杆截 面 积或 对边 吊 杆设计 相 对保 守的做法 ， 对其 他 吊 杆的 受 力基 本 没 有 影响 。 在 下 承式 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥的 运 营 中 ， 由 于响 不 大。 兰州交通大学 硕 士 学 位 论文图 最大应 力受 矢 跨 比的 影响图 应 力幅 受 矢 跨 比的 影响 兰州交通大 学 硕 士 学 位 论文图 应 力幅 受 梁拱 刚度 比 的 影 响 边吊 杆的应力幅 增 大幅 值 相应增 大 左 右 ； 跨 吊 杆最大应力和 应力幅 值 略 有增 大， 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析 本章 小 结 兰州交通大 学 硕 士 学 位论文 下 承式 铁路 钢管 混 凝土 系 杆拱 桥吊 杆力学 行 为分 析 针对下 承式 钢管 混凝 土系杆 拱 桥的 吊 杆 受力 ， 还 有 如 下 问 题 值得深 入研 究 。目前 钢管 混凝 土拱 桥 成 桥 状 态 吊 杆 张 拉力 优 化 理论参 考 的 是 斜 拉桥 的 索力 优 化 理论， 由于 两种 结构存在如 整体受力 状 态 不 同、非 线 性影 响不 同、施工 方 法 不 同的 诸 多 不同点 ， 其直 接 引用 并不 合理。 根 据不 同梁拱 刚 度比 及施工 方 法 ， 开展针对梁拱 组合体系吊 杆 张 拉力 优 化 理论的 研 究 是 非 常迫 切的 。对于 柔 性吊 杆 ， 高强钢丝 索的 弯曲 形 式 、应 力大小 、弯 曲 曲 率 对其疲 劳 抗 力都有 影响， 加 之 短 吊 杆 容易 存在的 附 加 剪 力与 附 加 弯矩 ， 这些 都影响到柔 性吊 杆 的 疲 劳 寿命 ，由于 吊 杆 的 疲 劳 与 腐 蚀严重影 响吊 杆 的 受力 ， 因 此 加 强对吊 杆 材 料 的 防 护， 加 大对吊 杆的 日常检测 和 对吊 杆 结构的 健 康诊 断 能 够 有 效 保 证 吊 杆 的 受力 处 于 安 全可控状 态 。 在拱桥 吊 杆 设计 施工 中， 这需 要引起 相 关工 程人员 的 足 够 注 意。 谢 兰州交通大学 硕 士 学 位 论文 由 仆 止 芑 炷 两峁 修 订版 哈 尔滨： 黑 龙 江 省科 学 技术 出版 社， 縏 琄 ： 浚 甋 瓻 唱 ： 一