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°。     

基于统一理论的钢管混凝土拱桥稳定性分析

基于GB 50923-2013及JTG/T D65-06-2015两种钢管混凝土拱桥规范对拱肋刚度取值的差异,利用15组钢管与混凝土组合依据两种规范规定的方法计算拱肋刚度,并利用ANSYS分别基于两种拱肋刚度取值方法模拟单拱肋试验,分析两种规范对拱肋刚度取值的合理性. 最后以一标准钢管混凝土拱桥为对象,利用统一理论建立有限元模型,分析横撑对其稳定性的影响. 结果表明：两种规范对拱肋刚度的计算结果误差在10%以内;利用ANSYS采用统一理论模拟单拱肋比采用双单元法建模更为方便快捷,且模拟结果更符合试验结果. 横撑形式为“X”撑时,拱桥稳定系数比“H”撑、“K”撑及“一”字撑分别高出4.3%、0.6%及17.8%;横撑数量由0增加到2时,标准钢管混凝土拱桥稳定系数提高41.2%,提高速率最快且继续增加横撑数量,而稳定系数提高速率有所降低;在1/4跨至5/8跨之间设置横撑可以使钢管混凝土拱桥稳定性达到最优的效果.     

斜靠式钢管混凝土异形拱桥非线性稳定分析

斜靠式拱桥是在无风撑拱桥基础上发展起来的一种新型拱桥结构型式.针对此类钢管混凝土异形拱桥的特点对其非线性稳定求解机理和方法进行了分析介绍,以一座拟建的大跨径斜靠式拱桥为例,采用通用程序ANSYS建立该桥的空间有限元计算模型,分工况对其成桥状态进行了线弹性、几何非线性和双重非线性稳定分析计算.同时分析了其主要结构参数(矢跨比、斜拱倾角、横撑数量及位置)对非线性稳定性的影响.计算分析发现:斜靠式拱桥的失稳形式一般表现为面外拱肋侧倾失稳;几何非线性对斜靠式拱桥稳定极限承载力影响较小,要准确的分析其稳定极限承载力必须采用双重非线性的分析方法;横向静风和桥上荷载分布对结构稳定有一定影响而对结构变形影响显著;结构稳定性与矢跨比和斜拱倾角增加均成正比,靠近拱脚和L/4处横撑对结构稳定性影响较大.     

钢管混凝土组拼管拱面外屈曲参数分析

以福鼎山前大桥空间有限元模型为基础,分析了影响钢管混凝土组拼管拱面外屈曲的主要参数,包括横撑布置形式、横撑刚度、拱脚约束情况、截面含钢率和混凝土弹性模量。有限元分析结果表明,横撑布置形式、横撑刚度和截面含钢率对钢管混凝土组拼管拱面外屈曲影响很大,但混凝土强度等级和拱脚约束对其影响很小。     

大跨中承式钢管混凝土拱桥的横撑布置

对大跨中承式钢管混凝土拱桥常用的X撑及米字撑的合理间距进行了探讨。鉴于结构自振频率、振型及弹性稳定系数的求解均可转化为源自结构动力平衡方程的特征值问题,先以结构基频及弹性稳定系数为衡量标准,对一座360 m跨的中承式钢管混凝土拱桥可能的米字撑及X撑布置方案进行了分析对比,并据此提出了X撑及米字撑的合理间距。按照布撑区域相等、横撑体系材料用量相近的原则,提出4个布撑方案,并分别进行了极限承载能力分析。结果表明,结合模态分析及弹性稳定性分析确定结构参数的方法可行;对于本文的360 m跨的中承式钢管混凝土拱桥,采用X撑即可满足刚度要求,且能获得更为轻巧的视觉效果。     

下承式双肋斜张拱桥侧倾稳定实用计算方法

考虑索和吊桥的非保向力效应,利用能量法对下承式平行双肋斜张拱桥的横向稳定问题进行分析,得到了斜张拱桥横向屈曲临界荷载的实用计算表达式.研究表明,索结构的索面大小、水平倾角、索张力大小及拱上锚固位置和拱结构的矢跨比、横撑在拱切向面内抗弯刚度、横撑数量等因素对结构横向稳定性能影响很大,而横撑在拱径向面内抗弯刚度和拱肋抗扭刚度、竖向抗弯刚度等因素的影响很小;考虑非保向力效应后,拉索使结构横向稳定性能有显著提高.     

中承式钢筋混凝土拱桥结构动力特性研究

利用有限元通用软件ANSYS,对一座中承式钢筋混凝土拱桥进行了结构动力特性的数值模拟分析,求出了自振频率、振型等动力参数,对其模态特征进行了描述,并通过变换拱桥的主要结构参数对比分析了它们对结构动力特性的影响.计算结果表明,自振频率随矢跨比的减小略有提高;横撑有助于增强拱肋的横向刚度,减小拱肋面外振动,提高抗风稳定性;各振型的自振频率值随拱肋刚度的提高近似成线性增大,可以通过改变拱肋刚度来调整其自振特性.这些研究结果可以为同类桥梁的抗震设计提供参考.     

横撑布置对六管拱肋钢管混凝土拱桥动力和稳定性的影响

根据国内已建成的钢管混凝土拱桥,构造了跨径为400m的六管拱肋钢管混凝土拱桥,运用通用有限元分析软件ANSYS建立空间有限元计算模型,分8种工况计算了该桥的动力特性和稳定安全系数,对比分析了横撑的位置、形式及数量等因素对这类型桥梁结构的动力性能和稳定性能的影响．计算结果表明,大跨度钢管混凝土拱桥的拱脚和拱顶必须设置横向联系,拱脚横撑对面内基频的影响不大,对面外基频和结构稳定性影响大,而拱顶横撑对面外基频、面内竖弯基频以及稳定性影响不大,但对扭转基频影响显著,另外,“K”撑对动力和稳定性能的影响比“米”撑显著,建议在不改变横撑数量的情况下优先采用“K”撑。     

大跨度钢管混凝土双肋拱桥侧倾稳定性研究

根据径向荷载作用下双肋组拼圆弧拱的几何方程、物理方程,考虑结构的总体变形能和构件的局部变形能,利用最小势能原理推导拱桥结构在竖向均布荷载作用下的侧倾稳定临界力的近似解析解,讨论了横撑设置、横撑刚度等因素对稳定性的影响.结合六座大跨度钢管混凝土双肋拱桥在施工阶段和营运阶段的稳定性有限元分析结果,探讨了横撑形式与类型对双肋拱桥的稳定系数和失稳模态的影响规律,对该类桥梁的横撑设置提出了参考建议.     

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．     

大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段非线性稳定分析

湖北景阳河大桥为大跨度上承式钢管混凝土拱桥,净跨径为260 m,桥面宽9 m,宽跨比较小,该桥的稳定问题是施工控制的关键.本文介绍了钢管混凝土拱桥弹性屈曲、几何非线性和材料非线性的稳定分析方法,以景阳河大桥为工程背景,基于有限元理论,运用ANSYS建立空间有限元计算模型,进行大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段的弹性屈曲和非线性稳定分析,得到了各个施工工况的稳定系数和失稳模态.研究结果表明:各施工工况下该桥的稳定系数都大于10,拱肋整体失稳的可能性很小;几何非线性对该桥稳定性的影响较小,而材料非线性的影响不容忽视.     

钢管混凝土拱桥侧倾稳定性参数研究

根据双肋拱桥结构在竖向均布荷载作用下的侧倾稳定临界力的近似解析解,讨论了横撑设置、横撑刚度等因素对稳定性的影响.结合六座大跨度钢管混凝土双肋拱桥在施工阶段和营运阶段的稳定性有限元分析结果,对该类桥梁的横撑设置提出了参考建议.     

地震作用下斜靠式拱桥的动力稳定性

以某钢管混凝土斜靠式拱桥为研究对象,基于Lyapunov运动稳定性原理,给出斜靠式拱桥的动力稳定性判断准则.通过地震时程响应和屈曲分析,绘制斜靠式拱桥在顺桥向、横桥向及竖向地震激励下的动力特征值时程曲线,描述斜靠式拱桥的动力失稳模态,揭示地震输入方向及稳定拱肋倾角对斜靠式拱桥动力稳定性的影响规律.研究表明,地震荷载作用下斜靠式拱桥动力稳定性的最不利激励方向为竖向;随着稳定拱肋倾角的增大,斜靠式拱桥的侧向刚度显著提高,动力稳定系数基本呈增大趋势.     

钢管混凝土系杆拱桥温度应力的数值模拟分析

采用通用软件ANSYS计算钢管混凝土系杆拱桥拱肋结构各控制截面在温度荷载作用下的内力与应力值，并通过改变矢跨比和拱轴系数将不同设计参数情况下的温度应力进行了对比。研究表明，钢管混凝土拱桥矢跨比和拱轴系数的变化对结构体系温差引起的拱顶截面轴力和弯矩的影响相当显著，而对1／4跨和拱脚各截面轴力和弯矩的影响则较小。     

戴河大桥整体稳定性研究

基于有限元理论,考虑结构的几何非线性和材料非线性,以戴河大桥为例,建立了下承式钢管混凝土拱桥的计算模型,运用ANSYS软件对该桥的拱肋施工过程和全桥建成后整体的稳定性进行了研究,分析结果表明:戴河大桥整体稳定安全系数相对于同类钢管混凝土拱桥较大;戴河大桥的面内刚度大于面外刚度,且材料非线性对稳定性的影响显著.这些结论对类似桥梁的设计和施工具有较好的参考价值.     

多跨连续斜靠式异型拱桥的设计与稳定分析

斜靠式异型拱桥是一种新型的、特点鲜明的空间组合结构体系，以韩江北桥为例，介绍了多跨连续斜靠式异型拱桥桥型的设计与布置，分析了桥梁结构的体系特点，通过平面和空间的静力计算，表明全桥结构设计受力合理，拱截面、吊杆、系杆、V撑箱梁混凝土应力储备适中，各跨住移均满足规范要求；主桥动力结构分析计算A，B，C三跨结构面内、外刚度接近，对第1阶失稳模态求解临界荷载比例因子计算结果为稳定系数均大于5，结构发生一类失稳的可能性较小，空间稳定性亦满足要求．     

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。     

基于新规范的哑铃型拱肋徐变效应分析

针对钢管混凝土拱桥由于钢管内混凝土徐变导致的拱肋下挠和截面应力重分布问题,基于《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG-T D65-2015),考虑哑铃型拱肋截面的截面特性,计算新规范下的徐变系数,通过对一座152米钢管混凝土拱桥建立全桥的有限元模型,并与按原JTG D62-2004路桥规范中的徐变系数计算所得出的结果进行对比分析。结果表明:针对钢管混凝土的JTG-T D65-2015规范的徐变系数比针对普通钢筋混凝土的JTG D62-2004规范的徐变系数小。按JTG-T D65-2015规范计算的由徐变引起的拱肋下挠值比按JTG D62-2004规范计算所得值小10%左右,徐变引起钢管截面应力增大和混凝土截面应力减小,按JTG-T D65-2015规范计算得到的钢管应力增大值比按JTG D62-2004规范计算所得到的值小10%-15%左右。     

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.     

钢管混凝土拱桥弹塑性极限承载力分析的截面内力塑性系数法

结合钢管混凝土的本构关系模型，基于修正的拉格朗日列式单元增量平衡方程，采用单元节，色截面内力塑性系数法建立了钢管混凝土空间拱单元弹塑性刚度矩阵，按当前刚度参数法对材料非线性与几何非线性进行分析，研究了钢管混凝土拱桥空间弹塑性稳定权限承载力非线性分析方法；采用初始内力法考虑阶段间体系转换及弹性内力的传递，计算分析了益阳资江三桥主孔钢管拱桥施工阶段及成桥使用阶段空间弹塑性稳定极限承载力，探讨了仅考虑几何非线性稳定安全系数与弹塑性稳定安全系数之间的区别．研究结果表明：几组钢管混凝土轴心受压构件和偏心受压构件弹塑性稳定极限承载力与试验结果较接近，验证了本文方法与程序正确、可靠；对于钢管混凝土拱桥，弹塑性稳定极限承载力比仅考虑几何非线性的弹性失稳临界力要小，必须考虑弹塑性对稳定安全系数的影响．