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內(nèi)外已有較長的發(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，我國引進(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)定性的問題和系梁橫向力學(xué)特性的問題日益凸顯，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內(nèi)外橋梁方面文獻(xiàn)，介紹了國內(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。國內(nèi)外目前尚未見到其統(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。因此目前對尼爾森體系系桿拱橋的鋼管混凝土拱橋的靜、動力性能進(jìn)行研究急需開展，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，我國已經(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，國外已經(jīng)對其有了豐富的應(yīng)用和發(fā)展，且研究

4、比較成熟，相比之下，國內(nèi)學(xué)者即使對普通鋼管混凝土拱橋的研究也正方興未艾，而對鋼管混凝土拱的尼爾森體系系桿拱橋的研究還鮮有開展。
　　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)的理論層面對穩(wěn)定性問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要包括了第一類穩(wěn)定的問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)力對拱肋穩(wěn)定性的影響，并得出結(jié)論:在研究荷載對拱肋穩(wěn)定性影響中可以看到橫向風(fēng)荷載對拱肋穩(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，其穩(wěn)定性隨之降低;拱肋間橫撐形式對拱肋穩(wěn)定性有明顯的影響，對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)一步提高對拱肋整體穩(wěn)定的提高有限，且兩邊橫撐剛度的變化對結(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％，可見預(yù)應(yīng)力對拱肋穩(wěn)定性影響較小。
　　再次，對于箱形梁橋的橫向內(nèi)力分析方法進(jìn)行了探討，探討了包括國內(nèi)外學(xué)者對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?，結(jié)合本文實(shí)際工程:鄭萬128m尼爾森體系系桿拱橋，石梁河特大橋，對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、無橫梁的板單元模型及利用ANSYS建立簡化的節(jié)段實(shí)體有限元模型，通過與全橋?qū)嶓w模型對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橫隔板或橫隔板縱向距離很大的箱梁、對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碌模瑱M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，對本文全部內(nèi)容給出結(jié)論，本文閱讀了大量相關(guān)文獻(xiàn)，對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