尼爾森體系鋼管混凝土系桿拱橋拱助穩(wěn)定性及系梁橫向受力研究.pdf

1、普通的鋼管砼拱橋在國(guó)內(nèi)外已有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史，且應(yīng)用廣范，在橋梁建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的重要作用，近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了尼爾森體系系桿拱橋，該種拱橋的主要特征為用斜向的吊索代替了傳統(tǒng)的豎向吊索，這必將帶動(dòng)拱橋新的發(fā)展，但隨著當(dāng)下橋梁跨度的增大，橋面變的更寬，拱橋穩(wěn)定性的問(wèn)題和系梁橫向力學(xué)特性的問(wèn)題日益凸顯，關(guān)于尼爾森體系系桿拱橋拱肋穩(wěn)定性的相關(guān)研究還非常少，關(guān)于尼爾森體系系桿拱橋系梁的橫向力學(xué)特性分析更是存在較多的不確定性。本文針對(duì)尼爾森體系系

2、桿拱橋的穩(wěn)定性和系梁橫向力學(xué)特性深入研究，得出相關(guān)結(jié)論可為工程建設(shè)提供有力的參考。
　　本文首先參考了大量國(guó)內(nèi)外橋梁方面文獻(xiàn)，介紹了國(guó)內(nèi)外在尼爾森體系的系桿拱橋方面的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，以及本文的選題意義和主要研究工作。國(guó)內(nèi)外目前尚未見(jiàn)到其統(tǒng)一的規(guī)范和規(guī)程（關(guān)于鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與施工），這就導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)與施工中存在較大自由行，難以嚴(yán)格把控其合理性，而本文研究的尼爾森體系系桿拱橋作為一種新型的系桿拱結(jié)構(gòu)形式，更是沒(méi)有統(tǒng)一

3、的設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)，在這種情況下，盲目的憑借以往的拱橋經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，不合理的設(shè)計(jì)和盲目的施工可能導(dǎo)致工程的病害甚至坍塌等事故。因此目前對(duì)尼爾森體系系桿拱橋的鋼管混凝土拱橋的靜、動(dòng)力性能進(jìn)行研究急需開(kāi)展，以便為其合理的設(shè)計(jì)和施工提供可靠的理論基礎(chǔ)。作為全球的基建大國(guó)，我國(guó)已經(jīng)有非常多的普通鋼管混凝土拱橋的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為系桿拱橋在我國(guó)的快速發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)，但尼爾森體系系桿拱橋的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)還少之又少，國(guó)外已經(jīng)對(duì)其有了豐富的應(yīng)用和發(fā)展，且研究

4、比較成熟，相比之下，國(guó)內(nèi)學(xué)者即使對(duì)普通鋼管混凝土拱橋的研究也正方興未艾，而對(duì)鋼管混凝土拱的尼爾森體系系桿拱橋的研究還鮮有開(kāi)展。
　　其次，研究穩(wěn)定性相關(guān)的理論。在拱橋設(shè)計(jì)中，失穩(wěn)問(wèn)題不容忽視，研究拱的失穩(wěn)有重要意義。從失穩(wěn)的理論層面對(duì)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要包括了第一類穩(wěn)定的問(wèn)題的有限元分析和其非線性狀態(tài)的近似求解方法，以及第一類失穩(wěn)中的面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)的研究理論和有限元求解方法。在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文的實(shí)際工程，

5、研究了尼爾森體系系桿拱橋的拱肋的穩(wěn)定性及其影響因素，利用有限元軟件MIDAS建立了桿系結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)比分析4種荷載工況、5種橫撐形式、變化的橫撐剛度及變化的預(yù)應(yīng)力對(duì)拱肋穩(wěn)定性的影響，并得出結(jié)論:在研究荷載對(duì)拱肋穩(wěn)定性影響中可以看到橫向風(fēng)荷載對(duì)拱肋穩(wěn)定性影響較小，而系梁上增加豎向荷載，拱肋的穩(wěn)定性有顯著的降低，因此可以看出在吊索傳遞更多的荷載給拱肋時(shí)，其穩(wěn)定性隨之降低;拱肋間橫撐形式對(duì)拱肋穩(wěn)定性有明顯的影響，對(duì)比分析可以看到中間米撐兩

6、側(cè)各兩組K撐的橫撐形式是即經(jīng)濟(jì)又有效的橫撐形式;橫撐剛度提高也使得拱肋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性隨之提高，但隨著橫撐剛度進(jìn)一步提高對(duì)拱肋整體穩(wěn)定的提高有限，且兩邊橫撐剛度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)有較大影響，基于有限元分析結(jié)果，建議中間橫撐的剛度減低為原設(shè)計(jì)的0.6倍，邊橫撐維持不變，這樣整體穩(wěn)定性僅降低了1.16％，可以在幾乎不降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上變的更經(jīng)濟(jì);預(yù)應(yīng)力的施加和增大均使拱肋穩(wěn)定系數(shù)提高，從增加量上分析，預(yù)應(yīng)力荷載施加基數(shù)從0.2增加至1.

7、8，穩(wěn)定系數(shù)從12.10增加到12.54，增加了3.64％，可見(jiàn)預(yù)應(yīng)力對(duì)拱肋穩(wěn)定性影響較小。
　　再次，對(duì)于箱形梁橋的橫向內(nèi)力分析方法進(jìn)行了探討，探討了包括國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于箱梁橫向分析的主要方法如平面框架法、板單元影響面法等?；谇笆龌纠碚摚Y(jié)合本文實(shí)際工程:鄭萬(wàn)128m尼爾森體系系桿拱橋，石梁河特大橋，對(duì)于該橋的箱室截面及其橫梁進(jìn)行了精細(xì)化多方案有限元分析，分別建立全橋有限元模型、平面桿系系梁截面、橫梁截面、有橫梁的板單元系梁模

8、型、無(wú)橫梁的板單元模型及利用ANSYS建立簡(jiǎn)化的節(jié)段實(shí)體有限元模型，通過(guò)與全橋?qū)嶓w模型對(duì)比分析尼爾森體系系桿拱橋的系梁橫向力學(xué)特性。分析得出了箱室的平面框架法僅可適用于無(wú)橫隔板或橫隔板縱向距離很大的箱梁、對(duì)于有橫隔板的箱梁利用板單元計(jì)算更為準(zhǔn)確且操作方便等主要結(jié)論。認(rèn)為在邊腹板、邊室跨中、中腹板及中室跨中具有一個(gè)應(yīng)力的峰值點(diǎn)，設(shè)計(jì)值應(yīng)作為最不利點(diǎn)，在計(jì)算中平面框架法對(duì)有橫梁的拱橋系梁并不適用，在箱室處計(jì)算值偏大，在橫梁處計(jì)算值偏小，這是

9、由于系梁縱向荷載分布不均勻?qū)е碌?，橫梁處剛度較大則承受了更大的荷載，而箱室處剛度較小則承受了較小的荷載。
　　最后，對(duì)本文全部?jī)?nèi)容給出結(jié)論，本文閱讀了大量相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)涉及尼爾森體系系桿拱橋穩(wěn)定性相關(guān)理論和系梁橫向分析方法進(jìn)行了總結(jié)，本文依據(jù)實(shí)際工程石梁河特大橋，針對(duì)尼爾森體系系桿拱橋的穩(wěn)定性和系梁橫向力學(xué)特性進(jìn)行了初步探討，得出了有益的結(jié)論。下承式尼爾森體系系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式新穎，成橋后造型美觀，觀賞性強(qiáng)。受力方面，能承受較大的超載