鋼管初應(yīng)力對鋼管混凝土拱橋承載力的影響研究.pdf

1、鋼管混凝土拱橋因其較好的解決拱橋吊裝重量和跨度的矛盾，是近十多年來發(fā)展最為迅速的橋梁結(jié)構(gòu)之一，至2005年，國內(nèi)已建成跨度為 460m 的鋼管混凝土拱橋，而且跨度和數(shù)量仍在不斷增大之中。相對于工程實(shí)踐，鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)理論相對滯后，如鋼管初應(yīng)力對鋼管混凝土拱橋承載力影響問題就是其中之一。鋼管混凝土拱橋是在空鋼管拱橋的基礎(chǔ)上逐根灌注混凝土而形成的鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)，在形成鋼管混凝土拱橋之前鋼管因承受自重和濕混凝土重量，不可避免地產(chǎn)生鋼

2、管初應(yīng)力。鋼管初應(yīng)力使鋼管屈服提前，影響鋼管混凝土拱橋承載力，但迄今為止尚未開展深入系統(tǒng)地研究。 本文以西部交通科技項(xiàng)目“鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”中的子題“鋼管初應(yīng)力對拱橋結(jié)構(gòu)行為及承載力的影響研究”為研究內(nèi)容，開展了以下研究工作： 1、采用空間梁單元計(jì)算拱橋極限承載力。為反映鋼管初應(yīng)力對拱橋極限承載力的影響，根據(jù)空間梁單元非線性幾何方程，應(yīng)用虛功原理，推導(dǎo)了包含初應(yīng)力和初應(yīng)變在內(nèi)的一般線彈性本構(gòu)關(guān)系

3、的空間梁單元顯式切線剛度矩陣。為考慮鋼管提前屈服進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后鋼管與核心混凝土的套箍效應(yīng)，文中提出了綜合應(yīng)用實(shí)體一空間梁單元法和普通空間梁單元法計(jì)算拱橋承載力的新方法，并推導(dǎo)了計(jì)入初應(yīng)力的實(shí)體一空間梁單元剛度矩陣及其轉(zhuǎn)換矩陣； 2、詳細(xì)推導(dǎo)了單肢、啞鈴型和四肢格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋初應(yīng)力計(jì)算公式，并給出了初應(yīng)力計(jì)算流程圖； 3、根據(jù)線性徐變理論，推導(dǎo)了軸心和小偏心鋼管混凝土受壓構(gòu)件徐變應(yīng)力計(jì)算公式。徐變度采用最普遍的退化

4、核 Dirichlet 級數(shù)形式，進(jìn)一步導(dǎo)出了鋼管混凝土拱橋計(jì)算核心混凝土徐變變形的遞推公式和有限元方程。應(yīng)用共軛斜量法擬合混凝土徐變系數(shù)，擬合結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好； 4、開展了8根不同初應(yīng)力系數(shù)和偏心距的鋼管混凝土初應(yīng)力構(gòu)件承載力試驗(yàn)； 5、編制了鋼管混凝土拱橋考慮鋼管初應(yīng)力影響的綜合分析程序，程序得到軸心受壓、偏心受壓初應(yīng)力試驗(yàn)構(gòu)件和模型拱橋的驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，開展單肢、啞鈴型和四肢格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋在不同初應(yīng)力系

5、數(shù)β、不同跨徑以及不同含鋼率α下的承載力計(jì)算。此外，還分析了矢跨比變化對拱橋承載力影響系數(shù)K<,p>的影響； 6、應(yīng)用回歸分析法求出了單肢、啞鈴型和四肢格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋的承載力影響系數(shù)計(jì)算公式，并給出了各自的初應(yīng)力系數(shù)限值； 7、計(jì)算結(jié)果表明，鋼管初應(yīng)力的存在，使鋼管混凝土拱橋的承載力下降，下降的程度不但與鋼管初應(yīng)力系數(shù)、截面含鋼率和拱橋跨徑等有關(guān)，而且還與拱肋截面型式有關(guān)，最大下降值可超過 10％。以承載力降低不超

6、過 10％為界限，則單肢、啞鈴型和四肢格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋初應(yīng)力系數(shù)β應(yīng)分別控制在0.3、0.6和0.6 以內(nèi)。因此，在確定鋼管初應(yīng)力限值時，必須依截面型式而定。目前國內(nèi)在設(shè)計(jì)啞鈴型和四肢格構(gòu)型鋼管混凝土拱橋時，把初應(yīng)力系數(shù)β控制在 0.6 以內(nèi)是比較合適的，而單肢鋼管混凝土拱橋初應(yīng)力系數(shù)β也控制在 0.6 以內(nèi)是偏大的，承載力將降低20％； 8、鋼管混凝土拱橋多為大跨度結(jié)構(gòu)，幾何非線性對鋼管混凝土拱橋承載力影響較大。因此，在分