下承式鐵路鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力學行為分析.pdf.doc

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。下承式鐵路鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力學行為分析.pdf.doc下承式鐵路鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力學行為分析.pdf.doc 蘭州交通大學碩士學位論文下承式鐵路鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力學行為分析姓名：徐岳震申請學位級別：碩士專業(yè)：橋梁與隧道工程指導教師：季日臣201206 蘭州交通大學 碩 士 學 位 論文摘要本 文 以 某一 實際工 程為 實例 ， 建 立 下承式鋼管 混 凝 土 系桿 拱橋 的 有限 元 模型 ， 利用針對 吊 桿 的 疲 勞破 損 受 力問題 ， 分析了影響 吊 桿 受 力行 為的 幾

2、 個 主要因素， 包括溫度 變化 、 混 凝 土 收 縮 徐 變及 吊 桿 的 風雨 振 問題 、 橋 梁振 動 問題 和 吊 桿 的 連 接形 式等 。分析認 為， 吊 桿 的 破損 原 因包 括其自身所受 的 復 雜的 附 加 剪力和 附 加 彎矩 環(huán) 境、 長期 處 于高 頻 振 動 狀 態(tài) 和 材 料 的 銹 蝕 等 綜 合 作用， 疲 勞受 力并不 是吊 桿 破斷 的 唯 一 原 因。根 據 力的 平衡 法 計 算確定 吊 桿 的 張拉 力， 保證 了拱肋 和 系梁的 恒載彎矩 合 理 分布 ，吊 桿 的 受 力均勻 。對 于 施工 階段 的 吊 桿 初始張拉 力利 用倒拆 法 求

3、解 得出 。通過 對吊 桿 的張拉 力進 行合 理 調 整， 使 得系梁控 制 部位 及 拱肋 的 內 力分布 趨于 合 理 。通過 對比 成 橋 前后 吊 桿 受 力變 化 ， 表明 活 載增 大了 吊 桿 所受 的 張力， 吊 桿 索 力增 加 幅度 基 本 一 致， 吊 桿受 活 載影響 較大。關 鍵詞：鋼管 混 凝 土 ：吊 桿 張拉 力：疲 勞破 損 ：吊 桿 受 力：論文 類 型 ：應 用研 究68 鷄 瑃 曲 謝 梁拱 組合 體 系 簡 述材 料抗彎 剛 度 ， 而是 由系 梁與拱 肋 的 拉 壓 力 矩承 擔很 大部分， 這 樣就 大大減小 了 橋梁結構自 重 ， 提升了 材

4、料利 用率 ， 增大了 橋梁的 跨 越能 力 。 需 要特別 指 出 的 是 ， 在 橋梁承 載范 圍 內 所 產生 的 剪 力 ， 基本 由拱 肋 軸 向力 的 豎 直 分量 提供， 對于 體 系 的 抗剪 要求 ， 系 梁和拱 肋 的 截 面 材 料抗剪 能 力 是 很 容易 滿 足的 。 因此對于 梁拱 組合 體 系 產生 的 效 應 ， 跨 徑范 圍 內 的 外 力 以拉 壓 軸 力 為 主。 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析梁 拱 組合 體系 橋梁 的 形式 非 常多 樣， 由 于系 梁 和 拱 肋的 不 同 組合 形式 ， 大致根 據以圖 簡 支

5、 體系 、 剛架 體系 、 連 續(xù) 體系 拱 橋 圖 上 、 下 、 中 承式 系 桿拱 橋根 據系 梁 和 拱 肋相 對抗 彎 剛度的 大小 ， 梁 拱 組合 體系 橋梁 可 分 為三 類 ：柔 梁 剛拱圖 式 如 圖 所 示 。 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析圖 系 桿拱 、 朗 格 爾拱 、 洛 澤 拱 鋼 管 混凝 土 在拱 橋 中的 應用 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析鋼管 混 凝土 結 構屬 于 鋼一混 凝土 組合 結 構， 是一種 將 混 凝土 填 充至 鋼管 內 ， 實 現 兩者協(xié) 同工 作 的 受 壓

6、 組合 材 料。它利用 混 凝土 和 鋼管 兩 種 材 料在承受 荷 載過程 時 的 相 互 作用 ， 即 在軸向 荷 載作 用 下 ， 鋼管 由于 核 心 混 凝土 的 徑 向 約 束作 用 從而 將 鋼管 中的 核 心 混凝土 強 度得到 提 高， 混 凝土 處 于 復 雜 應 力狀 態(tài) 之下 ， 其韌 性 和 塑性 大 為改善； 并且 混 凝土 的 存 在避 免了或延 緩了鋼管 產生 的 局部屈 曲 ， 保證 了兩 者能 夠 充分 發(fā) 揮材 料的 性 能 。相 比鋼筋 混 凝土 ， 鋼管 混 凝土 施工 時 不需要綁扎 鋼筋 、 支 模板 及拆 模板 等 工 序 ， 施工 相 對 方 便

7、 。因 鋼管 內 無 需鋼筋 ， 澆筑 混 凝土 較 為方 便 ， 易振搗 密 實 ， 特別由于 采 用 了泵 送混 凝土 、 自 密 實 混 凝土 及高 拋免振搗 混 凝土 等 施工 工 藝 ， 更 能 有 效 加 快鋼管 混 凝土的 施工 進度。 相 比預 制的 鋼筋 混 凝土 構件 ， 沒有 構件 預 制場 地的 要求 。并且 與鋼結 構相比， 鋼管 混 凝土 構造 通 常更 為簡單 ， 因 而 焊 縫 少 ， 易于 制 作 ， 特別是在 鋼管 混 凝土 中 可廣 泛 采 用 薄 壁鋼管 ， 因 而進行 鋼管 現 場 拼 接、 對 焊 更 為簡便 快捷。 此外 ， 先 期 架設 的 空鋼

8、管 可 以 用 作 澆筑 拱 肋核 心 混 凝土 的 模板 和 支 架， 加 之鋼管 混 凝土 自 身 具備 的 抗 壓 和 抗 鋼管 混 凝 土 拱 橋 吊 桿力 學 行為研 究現 狀 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析 式結構。胃 止 芡 餼、橫 撐鋼 管 外徑 啪， 壁厚 均 為 。拱 肋橫 撐上設 暮 崞 攏 誦 械 婪段 諼 F狡隆盜 憾 瞬 段 誚 街聚丙 烯 風 狀 纖維圖格 丑溝 特 大橋 主 跨 構造 示意圖 隨 著 鋼 管混 凝土 系桿 拱 橋在 我 國的 大量 修 建 ， 其 吊桿 的 運 營安 全 問 題逐 漸 引起 工程技術人 員 的

9、 重 視。 工程 實踐發(fā) 現， 吊桿 的 疲 勞 腐 蝕 破損 已 成 為 吊桿 破壞 的 主要 原 因。 本文 以某下承式 系桿 拱 橋 招韻 盜 焊 招怨 敖 峁固逑 為 例， 對 影 響吊桿 受力行為 的 因素進行探討， 對 引起 吊桿 破損 的 因素 進行分 析 并 提出了 相 關 建 議。 本文 的 主要 工作 內容如下： 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析 吊 桿的 疲 勞 破 壞 原 理 ，會 造 成吊 桿 的突 然 斷 裂。 纖維 狀 或粗 粒 狀 的材料 斷 裂面特 征 就 是 由 這 種 突 然 性 斷 裂造 成的。腐 蝕 疲 勞 是 結

10、構 在 腐 蝕 環(huán) 境 下 的常見失 效 形 式 ， 是 由 交變 應力 與 腐 蝕 介質 環(huán) 境 的共同作 用 產 生的 【 。 在 設 計、 維 護 、 分 析 等方 面若未 充 分 考慮 吊 桿 的腐 蝕 疲 勞 失 效 ， 將會 帶 來 很 大的 危 險性 。 水 和空 氣 是 自然 環(huán) 境 下 造 成吊 桿 腐 蝕 得主 要原因。 金屬 的疲 勞 性能由 于腐 蝕 而大大降 低 ， 腐 蝕 和疲 勞 構 成了 互 相 加 強 的循環(huán) ， 腐 蝕 加 速了 應力 疲 勞 的過程 ， 反 復 應力 又 加 速了 對腐 蝕 的作 用 。 混凝 土 溫 度變 化 及 收 縮、 徐變 下 的吊

11、 桿 受 力 行為 國 ：竺 仁國 !#甁 向 的 最 大截 面 尺 寸 。 橋面 由于受到不 對 稱的 移 動橫 向 荷 載 作 用或 橋梁受到橫 向 風 力的 作 用是 橋面 產生橫 向 振動的 主要 原 因。由 于橋面 的 橫 向 振動， 吊 桿承擔 一定的 橫 向 力， 從 而 產生 橫 向 的剪 切和彎 曲 變 形。對 于下 承式 系 桿拱 橋結 構 ， 由于短 吊 桿的 長 度較短 ， 對 變 形的 適 應 能力較差， 雖 然 橫 向 位移 在 橋面 產生 橫 向 振動時 最 小 ， 但其承擔 的 橫 向 力較大， 將會 產生較大的 彈性變 形。 由整體 結構 振動 結果 可 以發(fā)

12、 現， 吊 桿 的 變 形 是 拱肋 和 系 桿 變 形 的 幾 倍 甚 至更大。并 且 由吊 桿 的 頻 率 公 式可 知， 短吊 桿 的 振動 頻 率 比長吊 桿 要大， 故 在同 樣荷 載 作 用 下 ，短吊 桿 受動 荷 載 沖擊 影 響 比長吊 桿 也要大很多 ， 甚 至有時 達 到 數 倍 以上， 這 些 因素 導致 短吊 桿 的 應 力 幅增 大， 其 抗疲勞能 力 亦 隨 之 下 降 。短吊 桿 是 對 高 頻 振動 狀態(tài) 受力 非常 不 利 的 一 個 因素 。 所受 的 沖 擊 影 響， 對于短 吊 桿來說 尤 其重 要 。 吊 桿 成 橋索 力的確定 吊 桿 張 拉 力

13、的確定鋼 管混 凝土 系 桿 拱 橋屬于 梁 拱 組合 結 構，一 方 面其力 學 性 能 充 分 發(fā) 揮 了拱 的特 點 ：由于 承受水 平推 力的作用，拱 肋主要 以 承受壓 力為主，拱 內 剪力 、彎 矩很 小，使 鋼 管內核 心混 凝土 抗 壓 能 力強的 優(yōu) 點 得 到充 分 發(fā) 揮 ； 另 一方 面通過 吊 桿 的合 理 布 置 ，吊 桿 的張拉 力合 理 施 加 使 得 系 梁 的彎 矩得 以 減小，并將 系 梁 剪力 轉換成 拱 的軸力 ，使 全 橋處 于 合理 均 勻的受力 狀 態(tài)，吊 桿 對 于 整 個 梁 拱 組合 結 構起著 傳遞構 件之 作用。 鮮 屏 摹 砰 當 腯

14、 為非奇 異 矩陣時 ，可求 得 ： 盡合 理 。參 考以 往 的成 功 經驗 并經反 復 試算，本 文 以 圖 所示的 彎 矩作為目 標 彎 矩，計 算所需 的吊 桿 張 拉 力 。 注 ： 圖 中 所示的 吊 桿 張 拉 值為單根 吊 桿 的張 拉 值。、 吊 桿初 始 張拉 力的 確 定 蓼、瓜 彳一， 歲 毒 表 吊 桿的 初 始 張拉 力 計 算圖 表顯 示 ， 程序 輸出的 變 形 圖 示 與計 算數值較為一 致 ， 吊 桿的 初 始 張拉 力沒有 改變 吊 桿初 始 張 拉 力 對 全 橋 的 影響 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析 分 析兩

15、種 工況下的吊 桿 軸 力 ， 得出 如下結 論： 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析 最大應 力 最小 應 力 平均 應 力 應 力幅 應 力幅比 值表 吊 桿間距 變 化 時 跨 吊 桿應 力 一一一表 吊 桿間距 變 化 時 跨 中 吊 桿應 力吊 桿間距 一 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析圖 最 大應 力受 吊 桿間距 的影 響圖 應 力幅 受 吊 桿間距 的影 響從 以上的計 算 數 據及圖 表可 以看 出：最 大應 力和 應 力幅 隨著吊 桿間距 的增 加 ， 基 本都 呈現 出線 性增 加 趨 勢 ， 跨 吊

16、 桿和 跨 中吊 桿增 大的幅 度 基 本 一 致 ， 邊吊 桿增 大幅 度要稍 小 ， 并且 在 各 種 吊 桿間距 情況 下 ， 邊 吊 桿的最 大應 力以及應 力幅 值 均為最 小 。 在 增大比 例 上， 不 同吊 桿間距 下 ， 邊吊 桿增 大率要大于 跨 及跨 中吊 桿， 這與邊 吊 桿距 離拱 腳 過近， 受 到拱 肋 的影 響有 關。 蘭州交通大學 碩 士 學 位 論 文 厘應 力力幅幅 比比 值值吊桿位以上計 算 數 據顯示 ， 無 論 在 最 大應 力還 是 應 力幅 值 方 面， 邊吊 桿都 不 是 所 有 吊 桿中最 大的， 相反卻 是 最 小的。 這說 明 實際 工

17、程中經 常發(fā) 生 的邊 吊 桿破 損問題 ， 吊 桿的荷 載疲 勞 并不 是 單 純 的、 主要的原 因， 這與我 們的常識 理 論 是 有 出入 的， 值 得 引起 工 程師們深入 的研 究 和 思考。 數 據同 時顯示 ， 跨 中吊 桿的最 大應 力和 應 力幅 值 也 不 是 最 大的， 這也 與我 們平時 主觀 認為的中 吊 桿受 力最 大是 不 一 致 的。 吊桿 截 面 積 的 影響表 吊桿 截 面 積 變 化時邊 吊桿 內 力 下承 式鐵路 鋼 管 混 凝土 系 桿 拱 橋吊桿 力 學 行 為 分 析 圖 軸力 幅 受吊桿 截 面 積 的影響圖 應力 幅 受吊桿 截 面 積 的影

18、響 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析軸力和軸力幅 而增 大， 且 增 幅 明 顯； 而應 力和應 力幅 由 于 吊 桿截 面 積的 增 大， 下 降 幅 度較為緩 慢 。 相 比其 他 吊 桿， 其 軸力和應 力都 沒 有 由 于 邊 吊 桿截 面 積的 變 化 而發(fā) 生明 顯改變 。 在 柔 性吊 桿結 構設計 中 ， 針對邊 吊 桿容 易 產生破損失 效 的 問 題 ， 我 們 可 根 據 這一分析 結 果對邊 吊 桿做適 當 的 加 強 ， 例 如 采取加 大邊 吊 桿截 面 積或 對邊 吊 桿設計 相 對保 守的做法 ， 對其 他 吊 桿的 受 力基 本 沒 有 影響 。 在 下 承式 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋的 運 營 中 ， 由 于響 不 大。 蘭州交通大學 碩 士 學 位 論文圖 最大應 力受 矢 跨 比的 影響圖 應 力幅 受 矢 跨 比的 影響 蘭州交通大 學 碩 士 學 位 論文圖 應 力幅 受 梁拱 剛度 比 的 影 響 邊吊 桿的應力幅 增 大幅 值 相應增 大 左 右 ； 跨 吊 桿最大應力和 應力幅 值 略 有增 大， 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行 為分 析 本章 小 結 蘭州交通大 學 碩 士 學 位論文 下 承式 鐵路 鋼管 混 凝土 系 桿拱 橋吊 桿力學 行