我国拱形钢结构设计理论研究现状与展望

结合我国JGJ/T 249-2011《拱形钢结构技术规程》的颁布,对拱形钢结构设计、计算及施工中的关键问题如受力性能、结构选型、稳定性能及加工制作等方面进行了阐述。研究表明：与梁柱等直构件相比,拱形钢结构的设计理论、特别是稳定设计方法更为复杂,其受力和工作机理受拱轴线形式、跨度、矢跨比、拱脚边界条件、截面形式、荷载形式及组合、面外支撑条件等诸多因素影响。拱形钢结构平面内失稳对荷载和变形的非对称初始缺陷较为敏感,对于钢管桁架拱必须考虑弦杆局部失稳对整体稳定承载力的削弱作用;平面外弯扭失稳时,变形及受力复杂,其稳定承载力受拱脚、荷载条件及支撑布置影响显著;初步建立平面内稳定设计方法并在规程中予以体现,包括实腹式截面拱（含腹板开孔钢拱）、钢管桁架拱以及钢管混凝土拱等结构形式;平面外稳定性及面外支撑设计是拱形钢结构设计理论的重要组成部分,在规程中还有待进一步补充和完善。     

某钢管混凝土拱桥自振特性分析

采用有限元软件ANSYS,对一座下承式钢管混凝土桥的自振特性进行了分析。结果表明:该下承式钢管混凝土拱桥主要为桥面及拱肋横向振动、整体竖向振动和扭转振动三种振动形式,且振型越往后越复杂;该桥梁的桥面、拱肋的横向振动以及整体竖向振动、扭转振动,其相邻模态频率几乎接近,与其它该类桥梁大为不相同。另外,通过各种设计参数的改变,对自振特性进行分析,结果发现,考虑自重及改变混凝土弹性模量对结构自振频率影响不大;减少横撑则影响高阶模态振型;矢跨比对其自振频率的影响不大,但对振型的影响却不尽相同。     

拱脚带水平约束弹簧的车辐拱平面内稳定性能

针对非落地拱承受竖向荷载作用时拱脚水平约束刚度不足会产生水平位移,导致拱脚的受力性能和承载能力发生较大变化的问题,采用ANSYS有限元软件建立拱脚带水平约束弹簧的模无索拱和车辐拱有限元模型。采用数值分析方法分别对无索拱和车辐拱在全跨竖向均布荷载和半跨竖向均布荷载进行一阶弹性和弹塑性分析,研究其拱脚水平弹簧刚度幅值变化对车辐拱受力性能的影响,包括拱脚水平推力和位移的变化、沿拱轴线内力变化和分布以及平面内稳定承载性能等。结果表明:车辐拱中的拉索可以有效约束拱脚的水平位移和减小水平推力,显著提高拱整体刚度和稳定承载力; 车辐拱中的拉索可以有效限制拱脚弹簧刚度幅值的下降对车辐拱内力分布及稳定承载性能的影响; 研究成果为非落地车辐拱及拱脚支承构件的设计提供了依据。     

石家庄站大跨度钢拱试验研究

针对石家庄站上部钢结构钢拱的竖向静载、水平往复荷载的受力性能进行了试验研究。竖向静载试验结果表明,钢拱壁在应力很小的情况下即可发生局部屈曲变形,应增加钢拱内部的纵向加劲肋和隔板数量,增大肋板厚度和尺寸。水平往复静载试验结果表明,钢拱在面外水平往复荷载作用下,表现出良好的整体稳定性和耗能能力,具有较强的平面外刚度和延性。优化钢拱轴线曲线,可有效减小拱身弯矩,改善钢拱受力状态。结合试验分析,为钢拱的结构设计提供了参考。     

双跨钢管高强混凝土拱桥模态分析与对比

为了获得钢管高强混凝土拱桥的和振型特征,文中以某双跨拱桥为例,通过改变拱肋中混凝土强度、钢管厚度、径厚比等参数,分析其对钢管混凝土拱桥的刚度及自振频率的影响,明确混凝土强度及拱肋钢管厚度对固有频率及拱肋位移的影响规律.结果表明拱桥最大竖向振动频率与最大水平振动频率均小于人体感知范围,振动发生时并不会使人感觉到有明显的振感.拱肋、桥面系的平面内刚度大于平面外刚度,拱肋和桥面系的平面内弯曲变形出现的时间较晚.拱肋中混凝土强度的增加对拱肋刚度的提高并不明显.随着钢管厚度的增加,拱肋的延性和拱桥的竖向刚度逐渐提高,但钢管厚度过大会不利于拱桥的整体稳定性.钢管径厚比的增大有利于提高拱肋的平面外刚度及拱桥整体的竖向刚度.为进一步开展拱桥的动力响应分析奠定基础.     

外倾中承式拱桥主拱钢混结合段受力分析

大跨度外倾中承式拱桥造型美观,在桥梁工程中应用广泛。由于拱肋与主梁垂直方向不在同一平面,且横向连接相对薄弱,使其受力比传统结构复杂。本文以某大跨度外倾中承式拱桥为研究对象,使用有限单元法,采用整体计算与局部精细化分析相结合的方式,以拱肋与拱脚抗压刚度比、拱肋插入拱脚百分比为参数,对外倾式拱桥钢-混结合段内最大应力进行分析。研究表明:外倾主拱使结构呈复杂空间受力状态,在钢-混结合段同时存在面内和面外弯矩;刚度和质量的突变使得钢-混结合段位容易出现应力集中现象;拱肋与拱脚抗压刚度比和拱肋插入拱脚百分比对钢-混结合段最大应力的影响呈负相关,抗压刚度比对钢拱肋内最大应力影响较明显,而拱肋插入拱脚百分比对混凝土拱脚的最大应力影响更显著。     

X型双肋拱横向振动的参数分析

以一座X型肋拱桥为基础,采用有限元分析方法,用ANSYS通用程序建立多个不同参数的空间三维实体模型,计算并分析了不同矢跨比、拱肋侧内倾角及自身刚度对结构横向振动的影响,并列出自振频率对比分析表,对相关工程设计提出了一些建议。     

均匀受压圆弧拱平面外弹塑性稳定设计方法

作为建立压弯钢拱平面外稳定承载力设计方法的第一步,综合考虑拱截面形式、初始几何缺陷、残余应力、矢跨比及拱脚条件的影响,通过弹塑性有限元分析,对均匀受压圆弧拱的平面外稳定承载力进行了数值分析,获得了平面外稳定设计曲线。研究表明：保向力作用下钢拱的平面外初始刚度及稳定承载力明显低于向心力作用下的相应结果,是一种较为不利的工况;相比几何初始缺陷和残余应力,矢跨比和拱脚条件对均匀受压圆弧拱平面外稳定承载力影响较大;通过引入拱正则化长细比,统一了不同矢跨比和拱脚条件的均匀受压圆弧拱的平面外稳定设计曲线的表达式;对于热轧圆钢管截面、焊接箱形截面、焊接工字形截面圆弧拱,可以采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》中的b类、c类和d类截面的柱子曲线计算其平面外稳定承载力。     

大跨空间网壳结构动力特性研究

大跨空间网壳结构在地震荷载作用下的振动反应规律不仅与地震荷载有关,还与结构自振特性紧密相关,分析结构的自振特性是进行结构抗震分析的基础。大跨空间网壳结构的自振特性比较复杂且影响因素多,通过探讨大跨空间网壳结构的基本自振特性、各阶周期、对应振型结构及各向刚度分布情况,把握结构的基本自振特性;随后主要对结构周期随支座的数量、矢跨比和载荷等三个主要因素的影响进行参数分析,得出他们之间频率和振型的异同,从而得出一些有益于结构设计的结论。     

张拉膜结构的结构刚度及其对结构性能的影响

张拉膜结构的力学性能与结构刚度密切相关。采用非线性有限元方法对开敞式鞍形膜结构的静力性能及自振特性进行了参数化分析,主要考虑了膜面预应力、矢跨比、弹性模量等对开敞式鞍形膜结构振动响应的影响规律,重点分析了结构刚度对于结构静力性能及自振特性的影响规律。研究发现:影响开敞式鞍形膜结构刚度的主要参数是膜面预应力、矢跨比和膜材弹性模量,其中预应力影响最大;膜结构的结构刚度可以分为非线性刚度和线性刚度,随着矢跨比的增大,膜结构由非线性体系向线性体系过渡,非线性刚度作用逐渐弱化,线性刚度逐渐强化。     

钢管混凝土单肋拱面外屈曲参数分析

以钢管混凝土单肋拱桥空间有限元模型为基础,对面外屈曲临界荷载的计算方法进行了探讨和比较,并就拱轴线型、加载点数、矢跨比、含钢率、管内混凝土以及拱肋刚度等参数对面外屈曲的影响进行了分析,分析结果可为钢管混凝土拱桥拱肋的设计提供建议。     

大跨度自锚式悬索桥的自振特性分析

运用数值积分法对自锚式悬索桥自振特性进行分析,通过改变自锚式悬索桥矢跨比、边跨与中跨比、桥面系质量、主梁刚度、主缆刚度变化、横梁数量及位置等结构参数,探讨其对自振特性的影响,结果表明,横梁数量及布置方式、矢跨比、主缆与吊杆抗拉刚度变化对自振特性的影响较大,自振频率随着桥面系质量、边跨与主跨的比值的增大而减小等自振特性规律,为大跨度自锚式悬索桥结构动力特性优化设计提供可靠的科学依据,具有重要的研究意义。     

中承式异形钢管混凝土拱桥动力特性分析

运用通用有限元软件ANSYS对某中承式异形钢管混凝土拱桥进行了动力特性的数值模拟分析,给出了自振频率和振型描述,并对自振特性的影响因素进行了研究.结果表明:主拱肋、竖吊杆、斜撑有助于增强拱桥的竖向刚度;副拱肋对拱桥面外振动影响较大,其外倾角影响结构整体刚度;横撑、斜撑的设置有助于提高拱肋的横向刚度,增强抗风的稳定性;二期恒载集度对竖弯振动影响较大;边界条件对拱桥的动力特性有显著影响.研究结果可以为同类桥粱的抗震设计提供参考.     

某博物馆大跨拱形入口结构设计

某博物馆大跨入口形态呈拱形,矢跨比较小,为扁平拱,扁平拱兼具拱形结构与梁式结构的受力特征,构件承受轴力的同时也会承受弯矩,并会在拱脚处产生更大的水平推力。根据选型分析可知,混凝土结构自重产生的水平推力为钢结构的4~10倍,且跨中承受较大的弯矩,易使混凝土受拉开裂,不能充分发挥混凝土结构的受压性能。另外,混凝土构件的施工精度不高,容易造成初始缺陷偏大,不利于拱的稳定。综合比较,采用钢桁架拱结构较为合理,通过对该大跨钢桁架拱结构详尽的静力分析、强度验算、稳定性分析,可知钢桁架拱自重轻、刚度大、冗余度高、稳定性好,结构经济合理,且能很好地实现建筑形态和功能需求。     

Kiewitt型弦支穹顶结构自振特性研究

弦支穹顶结构的自振特性是其本身固有的重要力学性能.运用有限元方法,基于ADINA软件建立了大跨度Kiewitt型弦支穹顶结构非线性动力特性分析的有限元模型.首先对35.4m跨度的K6型弦支穹顶结构进行了自振性能分析,得出结构前15阶自振频率及振型,由于弦支穹顶结构的对称性,其前15阶自振频率数值密集且变化均匀,说明结构的刚度分布均匀合理;前两阶振型水平与竖向振动同时存在,后几阶以竖向振动为主.着重针对环索预应力、撑杆长度、杆件截面、矢跨比四个因素对自振频率的影响进行了分析,拉索预应力及杆件截面对自振频率的影响非常小,矢跨比是影响自振性能最敏感的因素.     

大跨径偏态抛物线拱桥设计与分析

基于景观要求,主跨桥梁采用(165+70)m两跨简支偏态抛物线拱肋的系杆拱桥,桥梁线形优美,属国内类似桥梁的最大跨径。主要介绍矢跨比、合理拱轴线、拱肋及桥面系等结构设计。通过计算分析拱肋及系杆受力特点,强大的桥面系刚度及空间吊杆提供的非保向力作用,使拱肋不设置横撑便满足稳定要求。偏态抛物线拱桥体现结构美,为今后大跨径类似桥梁提供经验。     

下承式钢桁架拱桥关键设计参数应用研究

钢桁架拱桥因造型优美、刚柔相济的建筑效果而得到广泛应用。但是桥梁设计时结构刚度、矢跨比、以及吊杆的设计直接影响桥梁的美观和安全运营。文中在总结国内外钢桁架拱桥设计经验的基础上,以自贡市汇兴路1号桥项目为工程依托,采用有限元软件Midas/Civil程序建立全桥的计算模型,对下承式钢桁架拱桥的结构刚度、矢跨比、吊杆等关键设计参数进行了研究分析,结果表明相似桥梁设计时,主梁与拱肋刚度不宜过大,吊杆刚度不宜过小。下弦杆矢跨比在1/4.5～1/6之间取值时,结构受力比较合理。吊杆断裂仅对吊杆断裂处拱肋影响较大,而对整个拱肋影响很小,吊杆断裂对相邻两根吊杆索力的影响较大。为下承式钢桁架拱桥的合理设计提供参考。     

混凝土折板形柱面网壳结构静力性能的参数化分析

通过等分柱面后,采用密肋平板交汇出混凝土折板形柱面网壳.基于有限元原理求解结构内力和挠度,并在此基础上考虑矢跨比及主拱、脊线、肋刚度和屋面板厚度等因素影响进行静力性能的参数化分析.结果表明,主拱是主要传力结构,脊线及平向肋内力较小,端隔在固支条件下主要由上弦传递荷载,边梁为双偏心受力构件,结构刚度主要由密肋平板控制.过大的矢跨比反而不利于结构刚度和强度控制,建议结构矢跨比不大于1/6;脊线刚度对结构整体刚度和承载力几乎没有影响,脊线截面高度可按构造确定.主拱刚度增加有利于调整结构的内力分布并提高屋盖的整体刚度,主拱截面高度可取屋盖跨度的1/80～1/100.肋刚度的提高有利于大幅度提高屋盖整体刚度,但对主拱内力影响较小,肋截面高度可取屋盖跨度的1/100～1/80.不建议采用过厚的屋面板.     

主要设计参数对斜靠式拱桥地震响应的影响

以某斜靠式拱桥为工程背景,采用有限元软件MIDAS/Civil建立该桥的空间有限元计算模型,分析主要设计参数对斜靠式拱桥地震响应的影响。计算结果表明:斜靠拱与主拱刚度比的变化决定了斜靠拱对该斜靠式拱桥的作用;矢跨比变化对该斜靠式拱桥的顺桥向地震响应影响较大,尤其是对轴力和面内剪力的影响较大;横撑数量减少时,主副拱之间的连接变弱,使其整体性变弱,不仅削弱了斜靠拱对结构的作用,而且不利于斜靠自身受力。尼尔森体系吊杆形式使桥面系与拱肋的连接增强,使主拱肋的轴力变化均匀,同时增加了对桥面系的约束,可适当减小桥面系的位移。     

拱型波纹钢屋盖下部支承结构的设计与分析

主要针对拱型波纹钢屋盖结构的钢与混凝土两种下部支承结构在实际设计中的问题和影响因素等问题展开分析。根据拱型波纹钢屋盖结构的受力特点,建立了下部结构的计算模型。算例分析表明:跨度、矢跨比对拱脚水平推力影响均较大;矢跨比较大、柱高较小或柱距6m左右时,拱型屋盖下部采用钢结构较经济,而对于小跨度(尤其是跨度为18m左右)时,采用钢支承结构不够经济。建议通过梁端加肋或采用箱形截面钢梁减小拱脚水平推力的扭转影响。此外,按照悬臂梁对称配筋的方式对下部混凝土柱进行设计较简单方便且误差很小。