中承式钢管混凝土刚架系杆拱的受力性能研究（一）

刚架系杆拱是随着钢管混凝土拱桥在我国的应用而出现的川。与一般拱梁组合体系不同，刚架系杆拱的拱肋与桥墩固结，采用预应力钢纹线作为拉杆平衡拱的推力;拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力。由于刚架系杆拱把拱桥上下部以及基础连成一体，结构超静定次数较多，受力复杂。本文以西宁市北川河桥为例，通过建立钢管混凝土刚架系杆拱桥空间有限元模型，对主拱肋在施工阶段进行静力分析和稳定分析;对全桥在使用阶段进行静力分析、整体稳定分析和动力特性分析;并对系杆施加预应力的大小等若干问题进行了讨论。

验算规范为CECS28:90规范JCJOl一89规范、DLGJ99一91规范[2-41北川河桥是位于青海省西宁市的中承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，上部结构是净跨90m的钢管混凝土析拱，矢跨比1/8，拱轴线为悬链线，m=1167，主拱圈采用4根。650 xl Omm钢管和0250 x 8mm的直、斜腹杆组成高3 Om，宽15m的析式拱肋，钢管内灌筑C50混凝土;吊杆采用12705高强碳素钢丝;横梁采用预应力混凝土变截面工字梁，间距5m;系杆选用455高强钢丝束，锚固在两端拱脚处。桥面以上设三道横撑。以加强拱桥整体性和稳定性。下部结构采用群桩承台式桥台钻孔灌注桩基础，桩径为12mo

一、有限元计算模型

本文采用美国ANSYS公司的大型结构分析通用程序，建立空间有限元计算模型。在有限元模型中，使用了三种单元类型对该桥的拱肋、吊杆、桥面系进行建模，它们分别是三维弹性梁单元(BEAM4 )，三维弹性杆单元(LINKIO)，三维板壳单元(SHELL41);全桥模型见图1所示。根据设计图纸，吊杆与拱肋和横梁铰接，拱肋两端与承台固接，桥面系在两端与高架桥铰接。

作用在系杆上的预应力是当作外荷载，按设计要求，分级施加在桥台相应位置处;活载计算时，将活载直接加在桥面板单元上，由程序自动分配到各吊杆处。

二、施工阶段的稳定分析

一般认为，钢管混凝土拱桥在施工时要注意如下要点:

1成拱后的拱轴状态(轴线长度、标高等)主要取决预制构件状态。

2拱肋形成前，结构呈多铰状态，横向稳定性较差，因此合拢过程中要注重主拱圈的变形与稳定分析。

3合理的施工加载程序应使主拱肋在施工工程中有较均匀的内力分布，保证其强度和稳定性满足要求，并使施工阶段的荷载不控制设计。

根据现场实际情况，该桥拱肋架设在方案确定为:利用北川河旧桥架设临地支墩，分三段吊装钢管骨架，形成空钢管的拱肋析架承受自身恒载。拱脚处封铰后形成无铰拱，然后开始分管、分段浇筑管内混凝土。在浇筑第一根　　管内混凝土时，钢管承受钢管自重以及混凝土自重产生的应力;浇筑第二根管内混凝土时，除了空钢管外，第一根已形成钢管混凝土组合截面，管内混凝土开始参与受力;依此类推。

计算过程中，若该阶段管内混凝土未达到强度要求，则混凝土仅作为荷载作用;当该阶段混凝土凝固达到强度要求时，则将截面特性相应改变成钢管混凝土组合截面特性，依次类

推。

为了比较不同混凝土浇筑顺序的稳定状况，本文分别计算了二种管内浇筑混凝土的浇筑顺序:方案一为1,2,3,4;方案二浇筑顺序为3,4,1,2经过施工阶段稳定分析，得到如下结1 、/ 、少二

工I L -厂人2代、论:

1钢管拱肋内混凝土浇筑顺序对该桥施工的稳定影响不大，可以采用任意一种浇注顺序施工。

2施工阶段各工况稳定系数均在25以上，拱肋的整体稳定性较好。3钢管拱肋的几何非线性影响较小，可以不予考虑。

4该桥在施工阶段的压应力为23 3MPa，满足规范要求;计算结果同时表明浇筑过程中各种材料都不出现应力屈服现象。

311三、使用阶段的受力分析

1使用阶段的截面内力验算

使用阶段的截面内力验算按照如下方法进行:首先根据有限元计算结果，得出各工况下卜「弦杆的内力，然后再折算成各拱肋截面的内力;根据规范进行内力组合。取用组合Q拱肋单肢钢管混凝土拱脚截面内力为验算值:从= 6897 4kN ,从二一6766kN " meo=6766/68974=0981m eo/h=041743<eb=09480偏心率对钢管混凝土承载力影响的修正系数为:’pp=1(1)按CEC428 : 90规范进行验算:单肢承载力N=TI W,No“111564kN>凡

(2)按JCJOI一89规范验算:单肢承载力N=州I;A,+Kf,A)二2129948kN>凡

(3)按DIGJ99一91验算:单肢承载力N=w(九4y)=1803996kN>凡

计算表明，使用阶段各工况下控制截面的内力验算满足规范要求。

一、拱桥的类型与施工方法

（一）主要类型

钢筋混凝土和钢管混凝土拱桥，按拱圈和车行道的相对位置以及承载方式分为上承式、中承式和下承式；按拱圈混凝土浇筑的方式分为现浇混凝土拱和预制混凝土拱再拼装。

（二）主要施工方法

按拱圈施工的支撑方式可分为支架法、少支架法和无支架法；其中无支架施工包括缆索吊装、转体安装、劲性骨架、悬臂浇筑和悬臂安装以及由以上一种或几种施工组合的方法。

实际采用的施工方法应根据拱桥的跨度、结构形式、现场施工条件、施工水平和方案的经济比较等内容，最终确定合理的施工方法。

二、拱架的形式与要求

拱架种类按材料分为木拱架、钢拱架、竹拱架、竹木混合拱架、钢木组合拱架以及土牛胎拱架；按结构形式分为排架式、撑架式、扇架式、桁架式、组合式、叠桁式、斜拉式。

在选择拱架种类时，应结合桥位处地形、地基、通航要求、过水能力等实际条件进行多方面的技术经济比较。主要原则是拱架应有足够的强度、刚度和稳定性，同时要求取材容易、构造简单、受力明确、制作及装拆方便，并能重复使用。

三、在拱架上浇筑混凝土拱圈

1．跨径小于16m的拱圈或拱肋混凝土，按拱圈全宽度从两端拱脚向拱顶对称连续浇筑，并在拱脚混凝土初凝前全部完成。不能完成时，则在拱脚预留一个隔缝，最后浇筑隔缝混凝土。

2．大于或等于16m的拱圈或拱肋，应沿拱跨方向分段浇筑，分段位置应以能使拱架受力对称、均匀和变形小为原则。各段的接缝面应与拱轴线垂直，各分段点应预留间隔槽，或采用分段间隔浇筑。

3．分段浇筑程序应符合设计要求，应对称于拱顶进行。各分段内的混凝土应一次连续浇筑完毕，因故中断时，应浇筑成垂直于拱轴线的施工缝。

4．间隔槽混凝土应待拱圈分段浇筑完成后，其强度达到75%设计强度，接合面按施工缝处理后，由拱脚向拱顶对称进行浇筑。拱顶及两拱脚的间隔槽混凝土，应在最后封拱时浇筑。

四、装配式桁架拱和刚构拱

1．装配式桁架拱和刚构拱安装程序为：在墩台上安装预制的桁架（刚架）拱片，同时安装横向联系构件，在组合的桁架拱（刚构拱）上铺装预制的桥面板。

2．装配式桁架拱、刚构拱采用卧式预制拱片时，为防止拱片在起吊过程中产生扭折，起吊时必须将全片水平吊起后，再悬空翻身竖立。在拱片悬空翻身整个过程中，各吊点受力应均匀，并始终保持在同一平面内，不得扭转。

3．大跨径桁式组合拱，拱顶湿接头混凝土，宜采用较构件混凝土强度高一级的早强混凝土。

4．安装过程中应采用全站仪，对拱肋、拱圈的挠度和横向位移、混凝土裂缝、墩台变位、安装设施的变形和变位等项目进行观测。

5．拱肋吊装定位合龙时，应进行接头高程和轴线位置的观测，以控制、调整其拱轴线，使之符合设计要求。拱肋松索成拱以后，从拱上施工加载起，一直到拱上建筑完成，应随时对1/4跨、1/8跨及拱顶各点进行挠度和横向位移的观测。

6．大跨度拱桥施工观测和控制宜在每天气温、日照变化不大的时候进行，尽量减少温度变化等不利因素的影响。

简单点说是纵骨架强的是纵骨架式一般是近海航区大型船用

中拱弯曲是中间向上,两头下降的变形

横向强度是船舶承受横向载荷的能力

局部强度是船舶承受局部载荷的能力

总纵弯曲是考虑船舶总体纵向弯曲强度的概念吧

桥设计成向上的理由，是因为汽车经过桥中部时，桥所承受的压力较小；而相比之下，凹形桥承受的压力较大。

由于汽车经过一个弧形的时候，需要有一个向心力f，它是由重力mg和支承力n合成的。

在拱形桥：f=mg-n

∴

n=mg-f

在凹形桥：f=n-mg

∴

n=f-mg

由上述两个式子可见，拱形桥的n较小，n是桥对汽车的支承力，其大小等于汽车对桥的压力。所以拱形桥对桥的结构强度设计上有利。

拱结构的特点：

拱身主要承受轴力，当跨度较大（如超过80~100m）时，较梁式结构和框架式结构更经济。

拱的水平推力较大，对支座的要求较高。为减轻水平推力，可设置水平拉杆或采用橡胶支座。

        在加盖的体育场、展览馆以及飞机库里，拱的支座常常是房屋的墙体、看台等。没有横墙或看台的情况下则要求设置拱扶壁以承受拱的水平推力。

        形式有两铰拱、三铰拱和无铰拱。使用最多的是双铰拱，优点是安装和制造较简单，铰处可自由转动，温度应力也较低。无铰拱跨中弯矩分布最有利，但需要较强的基础，温度应力也较大。