设计参数对钢管混凝土系杆拱桥力学性能的影响分析

以中承式钢管混凝土系杆拱桥为计算实例,采用通用软件ANSYS建立了拱桥的有限元计算模型,通过改变其主要设计参数,对该类桥梁在恒载作用下的受力情况进行了对比分析,得出了不同矢跨比、拱轴系数、主拱拱肋含钢率等设计参数对拱桥各控制截面内力、应力、位移变化的影响规律.研究结果表明:改变矢跨比和拱轴系数对系杆拱桥在恒载作用下的内力有较大的影响,且对恒载作用下全截面弯矩的影响比对轴力的影响更为显著;改变钢管的壁厚对于主拱肋各控制截面的轴力、弯矩及应力影响不大.该计算结果可为优化同类桥型的设计提供参考.     

基于ANSYS的钢管混凝土拱桥收缩徐变分析

在采用大型通用有限元程序对钢管混凝土拱桥建立空间模型，准确地模拟桥梁的施工加载过程，计算其拱肋混凝土的收缩徐变量值，对钢管拱肋截面的应力重分布现象的研究过程中。发现混凝土收缩徐变对钢管混凝土拱桥结构体系的全截面轴力基本上无影响，但对结构的全截面弯矩有较大的影响。由于混凝土收缩徐变产生的截面应力重分布使钢与混凝土之间的内力与应力发生了明显改变，引起钢管应力增加，混凝土应力减小，拱顶截面混凝土承受的弯矩显著增加。这一现象应引起工程界的足够重视。     

圆钢管混凝土截面轴力-弯矩-曲率关系实用计算方法

为便于有限元分析,建立圆钢管混凝土压弯构件截面轴力-弯矩-曲率关系实用计算方法,基于合理的钢管混凝土数值本构模型,利用截面分层法对圆钢管混凝土压弯构件截面轴力-弯矩-曲率关系进行全过程分析,根据轴压比、钢管屈服强度、混凝土强度等级和含钢率等各主要因素对轴力-弯矩-曲率关系的影响,通过大量参数分析,分别建立圆钢管混凝土压弯构件截面轴力-弯矩相关方程实用计算公式和轴力-弯矩-曲率关系实用计算方法.通过与圆钢管混凝土压弯构件截面轴力-弯矩相关承载力和轴力-弯矩-曲率关系曲线试验结果的对比,验证该实用计算公式和实用计算方法的正确性.研究结果为圆钢管混凝土结构非线性有限元分析奠定基础.测试结果显示了方法的有效性.     

钢管混凝土拱的面外徐变稳定性分析

为研究混凝土徐变对钢管混凝土拱面外稳定的影响,提出了一种面外徐变稳定的数值分析方法,该方法将混凝土徐变分析的修正龄期有效模量法和有限单元法进行结合,通过引入时变的初始几何缺陷描述钢管混凝土拱在任意时刻的徐变变形,并将该缺陷引入有限元模型求解面外徐变稳定承载力．基于该方法,以已有的钢管混凝土拱试验模型为基本研究对象,讨论了持荷水平、长细比、矢跨比、横向扰动力、截面含钢率和混凝土加载龄期对面外徐变稳定承载力的影响．计算结果表明:该方法具有较好的有效性和适用性;不同参数对钢管混凝土拱面外稳定承载力影响的差异较大,其中长细比、截面含钢率和混凝土加载龄期的影响较大,而矢跨比和横向扰动力的影响相对较小;徐变导致钢管混凝土拱面外稳定承载力的降低幅度可达13.8％,设计时应予以考虑．     

大跨中承式钢管混凝土拱桥的自振特性及稳定性

对一大跨中承式钢管混凝土拱桥分别进行了自振特性分析及稳定性分析,研究了设计荷载、拱肋矢跨比、拱面内倾角对大跨中承式钢管混凝土拱桥自振特性、弹性稳定性及弹塑性稳定性的影响。研究表明,降低拱肋矢跨比或将拱面内倾均可有效改善大跨钢管混凝土拱桥的横向面外刚度,提高结构的面外振动频率,并使结构稳定性呈现不同的变化规律。综合考虑自振特性及弹性稳定性两种分析结果比单纯依靠自振特性分析结果评价结构参数取值更合理。本文讨论的360m跨度中承式钢管混凝土拱桥矢跨比宜在1/4附近取值,拱面内倾角度不宜超过10°。     

基于组合单元的圆钢管混凝土结构非线性分析

基于圆钢管混凝土组合截面轴力-应变关系和轴力一弯矩一曲率关系实用计算方法,采用U.L列式单元增量平衡方程,引入平面梁单元非线性分析方法,建立了钢管混凝土结构组合单元法非线性有限元分析理论.编制了相应的非线性有限元程序,对已有钢管混凝土结构的面内受力,如钢管混凝土偏压柱、不等端弯矩钢管混凝土偏压柱、钢管混凝土压弯构件和钢管混凝土模型拱肋等进行双重非线性有限元分析,与基于钢管混凝土拉压数值本构模型的分层梁单元非线性分析理论比较.结果表明,两种分析方法的载荷一变形曲线和极限承载力都很接近试验结果,与分层法相比,组合单元法直接根据杆端力求解截面刚度,不用分层计算截面刚度,加快了计算速度.     

不同风荷载作用对大跨度钢管混凝土拱桥施工影响分析

为研究不同等级风荷载对施工过程中大跨度钢管混凝土拱桥的力学性能的变化,采用Midas/Civil软件对广西某主跨为336 m的中承式钢管混凝土拱桥的横桥向位移、轴力、拉压应力及拱脚处弯矩值的变化情况进行了分析.分析研究表明:横桥向位移、轴力及拱脚处弯矩随不同重现期风荷载的增加呈现先增大后减小的变化规律,在最大悬臂端阶段时横桥向位移和拱脚处弯矩取得最大值,随后逐渐减小,而轴力在拱肋合龙时取得最大值后才逐渐减小;同一施工阶段拱的拉压应力随重现期风荷载的增加而增大,构件所受的实际拉应力都小于实际压应力,但各相对施工阶段的增长率在逐渐减小.     

钢管混凝土拱桥日照温度应力分析

为研究日照作用下钢管混凝土拱肋截面温度自应力分布情况,以成贵铁路西溪河大桥为背景,利用有限元软件ANSYS建立了拱脚处实腹式拱肋截面及拱顶处哑铃型拱肋截面二维模型,并采用间接法对两类截面温度自应力进行数值分析。结果表明:拱肋截面关键测点温度计算值与实测值差别较小,截面各节点温度计算值可用作求解温度应力的荷载条件;14时截面温差最大,达到了23.19℃,为最不利温差;哑铃型截面应力分布与实腹式截面上弦管应力分布相似,钢管与混凝土截面交界处受压应力作用,核心混凝土受压应力作用。通过对复杂拱肋截面温度自应力的研究,为保障温度效应作用下钢管混凝土拱桥的安全性设计提供了一定的理论依据。     

钢管混凝土柱交错桁架结构杆件内力试验分析

为了研究钢管混凝土柱交错桁架结构在水平荷载作用下的受力性能,对1个3层1/3缩尺的钢管混凝土柱交错桁架结构进行了水平加载试验.分析了钢管混凝土柱交错桁架结构杆件的内力,试验结果分析表明:在水平荷载作用下,钢管混凝土柱、桁架的弦杆和腹杆主要承受轴向力.相邻两层柱的轴力大小基本相等,有桁架层柱的弯矩要比无桁架层柱小.桁架弦杆的轴力和剪力在跨中较小,两端较大.交错桁架的斜腹杆承受的轴力比竖腹杆承受的轴力大,承受的弯矩比竖腹杆承受的弯矩小.靠近空腹节闯斜腹杆的轴力比与柱相连斜腹杆的轴力大,桁架中间节间竖腹杆的轴力比边节问竖腹杆的轴力小.桁架斜腹杆的屈曲和拉断导致结构破坏.     

考虑结构-地基相互作用CFST拱桥地震反应分析

为研究结构-地基相互作用对上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应的影响,以黏弹性人工边界模拟半无限介质的辐射阻尼及远场地球介质的弹性恢复性能.用大型计算软件ANSYS为计算平台,以跨径为430 m的上承式钢管混凝土拱桥为工程背景,分析了多种地基情况对上部结构地震反应的影响.结果表明,考虑结构-地基相互作用后与拱脚固结情况相比拱桥固有频率、地震应力值降低,地震位移反应有所增加;该桥各关键截面的地震应力变化不大,钢管应力下降最大不超过1%,混凝土应力下降最大不超过3.5%;基岩材料变化对结构地震反应的影响大于混凝土桥基材料的变化对结构地震反应的影响;在地震响应下,最危险截面下弦杆是拱脚截面,上弦杆是离拱脚3/8跨径处截面,桥面系是跨中截面.     

钢管混凝土拱桥设计中的几个问题

８０年代末开始，钢管混凝土在我国公路和城市拱桥中得到应用，发展很快，在全国已建工程达一百多座。跨度最大的有乌江二桥，Ｌ＝３６０ｍ，采用了５－４管集束式拱肋和四川万县长江大桥，Ｌ＝４２０ｍ，采用了钢管混凝土劲性骨架箱形截面拱肋。在拱桥的推广应用中，出现了很多创新工作，对钢管混凝土在桥梁工程的应用中作出了贡献。同时，在某些设计中也还存在一些不足之外，作者就这些问题提出了建议，供有关方面参考。     

大跨度CFST拱桥行波效应的地震反应分析

介绍了模拟地震反应地面运动的大质量法，并用大质量法和拱脚固定法在有限元软件ANSYS里对大跨度钢管混凝土（CFST）拱桥地震反应进行分析：用大质量法对大跨度CFST拱桥进行考虑行波效应的地震反应分析，用拱脚固定法证明该法的准确性，并应用到南宁市一座正在施工的跨径为346m CFST拱桥中．通过分析得出了两种方法的结果是一致的，内力和位移的值相差不到0．2％，考虑行波效应时，相位差为0．6s到1．5s时最关键，主要截面内力和位移增大2—3倍，扭矩除圳截面外均较小．     

大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊装非线性分析

建立了大跨径拱桥吊装的空间有限元模型，采用随动坐标迭代法，计入几何非线性的影响因素,基于优化理论，建立了缆索吊装扣索力的优化数凄模型；采用前进分析方法，对大跨径钢管混凝土拱桥吊装施工过程进行分析。以某主跨368m钢管混凝土拱桥为工程算例，验证了文中方法的有效性。计算结果表明，考虑几何非线性影响后，计算得到的吊装控制点偏差值小，计算精度高。     

脱粘对单圆管钢管混凝土拱桥极限承载力的影响

为了解单圆管钢管混凝土拱桥脱粘后受力模式改变带来的受力性能变化,采用有限元方法计算了脱粘对单圆管钢管混凝土拱桥面内极限承载力的影响,基于完全脱粘计算假定,构造了钢管与混凝土之间的连接单元,编制了考虑几何、材料双重非线性的面内极限承载力计算程序,并对无初应力和成桥状态下4种荷载作用方式的面内极限承载力进行计算分析.结果表明:完全脱粘使跨中集中力、L/4集中力和半跨均布荷载作用下的面内极限承载力变化不明显;而使全跨均布荷载作用下的面内极限承载力降低较大.对于单圆管钢管混凝土拱桥,在全跨均布荷载作用下,完全脱粘使得面内极限承载力下降可达10%左右.     

大跨钢管混凝土拱桥混凝土自调载灌注方法

为改善大跨度钢管混凝土拱桥混凝土灌注期间结构受力和变形,基于拱肋应力和变形影响线,提出一种自调载灌注方法. 推导了拱圈加权弯矩能同混凝土龄期的理论公式,提出以分阶段成桥与一次成桥设计状态加权弯矩能差异最小为目标优化灌注间隔,避免已灌混凝土过早承载. 应用ANSYS自带的APDL语言,针对新龙门大桥开发了专门的灌注仿真程序,展开钢管混凝土拱桥分段灌注优化分析. 结果表明:所提出的自调载灌注法应用于钢管混凝土拱桥灌注施工是合理可行的,基于拱肋应力和变形影响线确定的灌注方案,可实现此类拱桥灌注过程中结构变形和应力的自控制;以分阶段成桥与一次成桥设计状态加权弯矩能差异极小为目标建立的优化方法,可合理确定大跨径钢管混凝土拱桥分段灌注的起灌时间. 相比临时扣索、水箱压重等调载方法,自调载灌注方法可减少施工辅助工艺,降低工程建设总造价.     

多跨系杆拱桥极限承载力影响因素

为求得多跨系杆拱桥的稳定系数和安全储备,建立了多跨系杆拱桥的空间有限元模型.通过特征值屈曲分析,得到了成桥状态各工况的稳定系数,并分析了横撑刚度和数量对稳定系数的影响.考虑材料非线性和几何非线性的极限承载力分析,得到了成桥状态的活载稳定系数和恒载稳定系数,并分析了风荷载、温度作用、荷载布置和初始缺陷对稳定系数的影响.分析结果表明,特征值屈曲分析可以提供结构极限承载力的合理估计,横撑刚度对结构稳定系数的影响较横撑数量的影响要大;极限承载力分析过程中主拱四分点部位和跨中部位首先进入塑性状态,静风荷载对结构稳定系数的影响较温度作用和初始缺陷的影响要大.     

大跨中承式钢管混凝土拱桥极限承载能力

分析了大跨中承式钢管混凝土拱桥在设计荷载工况作用下的静力失稳全过程,对其受力特性及破坏机理进行了探讨,并对桥面系非保向力作用对结构稳定性的贡献进行了讨论。结合ANSYS软件的分析功能,对一360 m跨的中承式钢管混凝土拱桥进行了荷载工况-恒载+全跨双向汽车荷载+全跨双向人群荷载+风荷载-作用下的极限承载能力分析,通过内力、变形等指标描述了算例的静力失稳全过程。分析结果表明,结构达极限荷载时发生的面外失稳破坏属于典型的极值点失稳问题,在此过程中,桥面系对拱肋的非保向力作用对结构面内、外刚度均有贡献,且在拱肋弹性受力阶段贡献更大。     

下承式钢管混凝土拱梁组合拱桥拱脚有限元应力分析

通过对某下承式钢管混凝土拱梁组合拱桥拱脚进行空间有限元分析,通过拱脚节点的整体、局部和与系梁交接的截面应力云图,分析得出拱脚节点除在截面变化的局部区域有较大拉应力,其余以受压为主,内部应力分布均匀,结构构造设计合理;通过应力迹线分析,得出系梁刚度的加大更适合拱脚节点的受力;为了避免局部破坏,建议在设计中应注意拉力过大区域的抗裂设计,如加设钢筋网或铺设钢板等。