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———文章编号:10094539(2018)08004005・桥梁工程・风荷载作用下系杆拱桥施工阶段拱脚应力分析及研究徐兴伟(中铁十七局集团有限公司山西太原030006)摘要:钢管混凝土系杆拱桥在施工过程中,其稳定体系尚未形成,在横向风荷载作用下几何非线性明显,拱肋极易产生较大侧向位移和扭曲,对拱脚受力不利。本文以商合杭高速铁路140m钢管混凝土系杆拱桥为研究背景,采用MidasCivil和MidasFea建立了整体与局部有限元模型,研究了在静风荷载作用下,系杆拱桥施工阶段拱脚的应力分布规律。研究表明:施工过程中,在风荷载作用下拱脚处均出现了主拉应力大于混凝土容许抗拉强度区域,区域主要分布在拱座与系梁交界处;通过设置缆风绳可以有效降低几何非线性影响,减少了拱肋横向挠度,保证拱脚受力安全。关键词:高速铁路钢管混凝土系杆拱桥风荷栽拱脚应力分布中图分类号:U448.225文献标识码:A—DOI:10.3969/j.issn.10094539.2018.08.010StressAnalysisandResearchonArchFootIbYhileConstructingTiedArchBridgeUnderWindLoadsXuXingwei(ChinaRailway17山BureauGroupCo.Ltd.,TaiyuanShanxi030006,China)Abstract:ThestabilitysystemofCFSTtiedarchbridgehasnotyetformedduringtheconstructionprocess.Itsgeometricalnonlinearitybecomeobviousundertheinfluenceoflateralwindloads.andthearch-ribiseasytogeneratelargelateraldisplacementandtwist.Thisisbadforthestressonarchfeet.Takingthe140mCFSTtiedarchbridgeof—Shangqiu-HefeiHangzhou—HighspeedRailwayastheresearchbackground,thewholeandlocalfiniteelementmodelswereestablishedbyMidasCivilandMidasFea,andthestressdistributionlawofarchfeetintheconstructionunderwindloadsWasstudied.Thisstudyshowsthatthemaintensilestressisgreaterthantheallowabletensilestrengthareaoftheconcreteatarchfeetundertheinfluenceofwindloadsinconstruction.Theareaismainlydistributedinthejunctionofthearchseatandthetiedbeam.TheinfluenceofgeometricnonlinearPanbereducedeffectivelybysettingcablewindmpe.whichreducesthenansversedeflectionofarchribandensurestheforcesafetyofarchfoot.Keywords:high-speedrailway;CFSTtiedarchbridge;windload;stressdistributionofarchfeet1引言钢管混凝土系杆拱桥以其优美的线形、良好的跨越能力被越来越多的应用在高速铁路建设当——收稿日期:20180525—基金项目:中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划(201685)作者简介:徐兴伟(1988一),男,助理工程师,主要从事大跨桥梁健康监测及施工控制研究。中¨-。钢管混凝土系杆拱桥作为一种外部静定、内部超静定结构,结构的受力体系非常复杂,特别是拱肋与系梁连接的拱脚位置,不仅要承受端横梁、拱肋、系梁传来的空间力系,同时还要承受大吨位支座的反力作用,且边界条件不明确旧J。因此拱脚部位受力的复杂性使其在整个桥梁结构受力体系中显得尤为重要。对于钢管混凝土系杆拱桥有限元分析来讲,往往采用杆系单元进行模拟[3。5]。但40铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(08)万方数据・桥梁工程・是基于拱脚的受力复杂性,拱脚节点的受力计算显然不能视为杆系单元分析,需要在整体桥梁结构受力分析的同时,对拱脚节点进行局部受力分析,以保证桥梁结构的安全性和耐久性。高速铁路钢管混凝土系杆拱桥近几年正朝大跨度方向发展,随着跨径的增加,抗风问题成为越‘来越需要关注的一个重要问题M8J。大跨度系杆拱桥的施工阶段相对于成桥阶段,由于稳定体系尚未形成,且其面外刚度远小于面内刚度,特别是采用先拱后梁施工方法时,在施工过程中结构体系相对先梁后拱施工方法的稳定性和安全性更难保证。因此在横向风荷载作用下,拱肋极易产生较大侧向位移和扭曲,对拱脚受力不利。在风荷载作用下拱脚固结点受力复杂而且不具有普遍性,因此对于具体的桥梁仍然有必要进行具体的分析研究。本文以在建商合杭高速铁路140m跨钢管混凝土系杆拱桥为研究对象,采用材料非线性理论并考虑几何非线性的影响,研究风荷载对高速铁路钢管混凝土系杆拱桥施工阶段拱脚的受力影响,并提出‘缆风绳设置形式及位置,以指导工程实践一10|。2工程概况在建商合杭高速铁路140m跨钢管混凝土系杆—拱桥位于湖州市吴兴区境内,桥孔布置为1140m简支系杆拱桥,梁全长142.6m,计算跨径跨长为140m,矢跨比为1/5,拱肋平面内矢高28m,拱轴线采用二次抛物线。拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面,拱肋高为3.8m,采用Q345qD钢,拱肋上下弦杆及缀板间均灌注C55混凝土。为增强拱肋平面外稳定性,拱肋设置七道横撑;系梁按照整体箱梁布置,采用单箱双室预应力混凝土箱形截面,桥面宽12.4m,梁高2.8m,采用C50混凝土浇筑。全桥拱肋共设置16根系杆,均采用19一捌15.2高强度低松弛预应力钢绞线;吊杆布置采用尼尔森体系,全桥共设置30对吊杆,吊杆均采用127根巾7高强低松弛镀锌平行钢丝束,图1为全桥总体布置图。本桥采用先拱后梁施工方法,全桥共设置16个系梁节段,系梁除拱脚采用支架现浇外,其余节段采用前支点牵索挂篮浇筑,拱肋钢管采用整体吊装。节段1节段2节段3节段4节段5节段6节段7节段8合龙段节段7节段8节段F节鞲斗节轼,节段2节段1,辟墨墨丝!骂塑^塑l塑^塑^塑^塑^塑^』蝉塑^塑^婴^塑^幽^塑^!幽J,匡薹i匡垂匦至薹重虱3分析方法及数值模型图1全桥整体布置(单位:cm)3.1数值分析对于拱脚的局部应力分析,采用两步分析法。第一步先采用杆系理论对全桥进行施工阶段受力分析;第二步对拱脚局部位置建立实体模型,将各工况下提取的内力值以外力的方式施加到局部模型上,进行局部应力分析¨卜12J。本文采用Midascivil对全桥施工阶段及运营阶段进行整体分析,系梁与拱肋采用梁单元模拟,拱肋采用Midascivil自带的施工联合截面模拟施工浇筑过程,吊杆与系杆采用桁架单元模拟,拱脚与系梁采用弹性连接。进行施工阶段模拟时,考虑混凝土收缩徐变以及预应力影响,模型见图2。采用MidasFea建立拱脚局部模型进行三维分析,根据圣维南原理,保证分析拱脚核心部分均处于s区。因此建立拱脚模型时,拱肋伸出拱座长度取5nl,系梁至支座端部取13.4m。实体模型中,钢铁道建篱技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(08J41万方数据・桥梁工程・管、混凝土均采用实体单元模拟,钢筋采用一维线单元模拟,管内混凝土通过嵌入方式与钢管连接,钢管与拱座采用嵌入方式连接,约束条件按照实际添加;将整体分析结果等效加载在局部模型上,再加上相应的约束条件进行细部分析。局部模型如图3所示图2整体模型图3拱脚局部模型3.2施工阶段划分及分析工况选取本桥施工采用先拱后梁施工方法,拱肋采用浮吊整体吊装,系梁采用支架法现浇拱脚节段1,其他节段采用前支点牵索挂篮悬臂灌注。全桥共划分为46个施工阶段,分别为:支架现浇第一节段_吊装拱肋一张拉拱脚预应力一张拉5#系杆-÷依次泵送拱肋上玄杆、下玄杆、缀板间混凝土_安装吊杆2#吊杆一拆除拱脚支架_挂篮对称浇筑2~8号节段并依次张拉3#~15#吊杆及剩余系杆一浇筑合龙段并拆除挂篮及临时固结_安装1#吊杆。张拉剩余预应力_二期铺装.÷成桥运营。通过Midascivil整体有限元模型计算结果分析,在整个施工阶段中,选取两个关键阶段工况对拱脚受力进行分析:工况1为拱肋混凝土灌注完成之后;工况2为系梁合龙段浇筑之前(此时系梁处于最大悬臂状态)。通过整体分析,考虑该桥在风荷载、恒载作用下并考虑收缩徐变影响,提取该桥的内力计算结果,并提取内力值以外力荷载的形式施加到拱桥局部模型中进行局部应力分析。4结果分析4.1整体计算结果本文计算荷载主要包括恒载、预应力荷载、系梁吊杆初拉力、混凝土收缩徐变、风荷载作用。根据文献研究¨3|,跨度150in以下的各类桥梁,动力风荷载与静力风荷载相比是次要的,因此本桥只考虑静力风荷载下的受力情况。通过整体计算得出局部模型截断处内力计算值。表1中内力值计入风荷载作用,风荷载按照《铁路桥涵设计规范》(TB—100022017)中规定取值。表1数值表明,在横向风荷载作用下,结构由于几何非线性影响,拱肋出现了较大横向位移,拱肋迎风侧与背风侧受力不均。表1风荷载作用下拱脚截面内力计算结果(无风缆作用)拱肋(迎风向)拱肋(背风向)工况N,kNQy/kNQ:/kN帆/(kN・m)M=/(kN・m)P,/mmN/kNQy/kNQ:/kNM,/(kN・n1)‘M:/(kNin)Pv/mm工况1ll034.412927859582668.713240.5135384620525812工况2263652291093954687.4284142161406645285.8注:X方向为顺桥向;y方向为横桥向;z方向为竖桥向。4.2拱脚受力分析本文重点分析结构的主拉应力和主压正应力。主梁采用的是C50混凝土,抗拉与抗压容许应力根据设计图纸取值为2.79MPa、一22.4MPa,管内灌注混凝土采用的C55混凝土,其抗拉与抗压控制应力取值为2.97MPa、一24.4MPa。本文主要关注的是拱脚处与系梁衔接的拱座部分的应力分布情况。4.2.1工况1拱肋混凝土灌注完毕工况1为拱肋混凝土灌注完成之后,拱座部分主应力or。的分布情况:应力分布区间主要分布在一1.3MPa-2.13MPa之间,既存|盔}立应力也存在压应力,其中有3.5%的区域超过了2.79MPa应力限值,位置为洪座与系梁交界内侧圆弧位置,最大值出现在背风侧拱座圆弧位置,如图4中A区域。主应力cr3的应力分布情况为:应力分布主要一10MPa一一1.75MPa之间,以压应力为主,最大压应力出现在拱肋与拱座交界处,如图5中区域B,有0.1%的区域超挝了一16MPa。42铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(Oal万方数据・桥梁工程・t曼:怒:篓隧滋睡燮I巫::燃:畦::燃:I匝...I。T~一,II蔷:一一●—堕。-219~。1图5工况1第三主应力云图(单位:MPa)4.2.2工况2系梁未合龙阶段工况2系梁未合龙阶段,由于采用先拱后梁挂篮悬臂浇筑系梁法施工,此时系梁处于最大悬臂状态,拱脚处于最不利受力状态。在横向风荷载作用下,拱脚出现了左右受力不均的情况。拱座部分主应力盯,的应力分布情况为:应力分布区间主要分布在一0.05MPa~1.67MPa之间,既存在拉应力也存在压应力,其中有10%的区域超过了2.79MPa容许应力限值,位置为拱座与系梁交界内侧圆弧位置,最大值出现在背风侧拱座圆弧位置,如图6中C区域。主应力盯,的应力分布情况为:应力分布主要一18MPa~一1.75MPa之间,以压应力为主,最大压应力出现在拱肋与拱座交界处,如图7中D区域,拱座处基本处于受压状态。由于在风荷载作用下,拱肋在面外出现横向侧移,导致拱脚出现了较大的拉应力,超出了混凝土的容许拉应力值,因此需要采取一定措施削弱风荷载的影响,保证拱脚的施工安全.图6工况2第一主应力云图(单位:MPa)∞№31)EL日IE,ICt;r*女▲≯5缆风设置影响分析对于大跨度的钢管混凝土系杆拱桥,在成桥状态下的正常荷载工况下其几何非线性并不明显。由于拱桥面外刚度远小于面内刚度,因此在风荷载作用下拱肋产生了较大的横向位移,结构发生空间扭曲,结构的几何非线性明显。如前所述,在风荷载作用下几何非线性对拱脚的内力产生了较大影响。通过设置缆风绳的方式在一定程度上可以削弱风荷载对拱桥的不利影响。本文中为抵消风荷载对拱桥的受力影响,在拱肋迎风侧与背风侧各设置六道缆风绳,缆风绳的布置形式如图8所示。缆风绳采用小34lnm钢丝绳,布置形式为与拱轴线水平夹角设置为45。,三根缆风绳分别锚固在拱肋端第一、第二、第三道横撑处,另一端做地锚,锚固于岸边。通过缆风绳设置,图8缆风绳布置形式拱肋横向位移明显减小,面外、面内弯矩降低,拱座不平衡受力现象得到改善,计算结果如表2所示。将内力等效为外部荷载施加到局部模型中进行拱脚局部应力分析,计算结果如图9一图12所示。■o蘼∥鲞趟蓬图7工况2第三主应力云图(单位:MPa)铁道建筑技术RAILWAYCO~S丁只UC丁『O~TECHNOLOGY2018(08J图10工况1(有缆风)第三主应力云图(单位:MPa)43~参●一途万方数据・桥粱工程・图12工况2(有缆风)第三主应力云图(单位:MPa通过风缆设置,工况1中有99.7%的区域处于2.79MPa容许应力限值范围内,有0.3%的区域超过了容许应力限值,这个区域主要是在拱脚圆弧段与系梁交界内侧区域,可以通过设置钢筋网或者采用纤维混凝土加强振捣方式提高其抗裂性。工况1中最大主压应力为一7.6MPa,低于抗压容许强度,且有足够的抗压安全储备强度;工况2中拱座主拉应力数值基本低于抗拉容许应力限值,且拱座基本处于受压状态,有极小的区域出现了应力集中,超出了抗拉容许应力,应力集中区域与工况1中一致。工况2中最大主压应力为一8.6MPa,其有足够抗压安全储备强度。因此,通过缆风绳设置,可以减少拱肋横向侧移,减小拱肋几何非线性对拱脚的影响,从而保证拱脚在施工过程中主拉应力低于抗拉容许应力限值,保证施工安全。表2风荷载作用下拱脚内力计算结果(有风缆作用)拱肋(迎风向)拱肋(背风向)工况N/kNQy/kNQ:/kNM,/(kN・in)帆/(kN・m)P/mN/kNQy/kNQ:/kNM,/(kN・m)M:/(kN・rtl)Pv/mm工况112026.18830140391722.212870.89437151571642.2工况2269421451274862601.52751713l13360632l1.56结论通过对新建商合杭高速铁路140m跨钢管混凝土系杆拱桥关键施工阶段的整体与局部有限元分析,主要结论为:(1)在横向风荷载作用下,拱桥的结构几何非线性显著,拱肋产生了较大的侧向位移;在横向风荷载作用下,工况1与工况2施工阶段,拱脚处均出现了主拉应力大于混凝土容许抗拉强度区域,区域主要分布在拱座与系梁交界处;拱座抗压强度满足设计要求。(2)通过对拱桥设置缆风绳方式,降低了结构的几何非线性影响,拱肋横向侧移减小;通过对拱脚局部应力分析研究,工况1与工况2施工阶段,拱脚处主拉应力基本小于混凝土容许抗拉强度,只有极小的区域出现了应力集中。主拉应力超过了混凝土的容许抗拉强度,可通过设置钢筋网或者采用纤维混凝土加强振捣方式提高其抗裂性。参考文献[1]金莉.京石客运专线桥梁设计综述[J].铁道建筑技—术,2017(3):3236.[2]RenWX,ZhaoT,HarikIE.Experimentaland—analyticalmodalanalysisofsteelarchbridge[J].JournalofStructural—Engineering,2004,130(7):10221031.[3]白艳.收缩徐变对钢管混凝土系杆拱桥静力性能的影—响[J].铁道建筑技术,2016(5):4548.[4]杜迎东,王起才,张戎令,等.钢管混凝土系杆拱桥拱肋内混凝土不同浇筑工序差异研究[J].铁道科学与—工程学报,2016,13(3):500505.[5]柳明佳.钢管混凝土拱桥转体施工安全控制仿真分析—研究[J].铁道建筑技术,2017(10):5054.[6]程进,江见鲸,肖汝诚,等.静风荷载作用下大跨度钢拱桥施工稳定性的参数研究[J].计算力学学报,—2004,21(1):5055.[7]黄传胜.大跨钢管混凝土拱桥整体吊装施工稳定性分析与抗风研究[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(2):—752755.[8]张建民,寇素霞.风荷载作用下钢管混凝土拱桥反应几何非线性有限元分析[J].东北林业大学学报,2005—(5):120122.[9]王元清,姜波,张勇,等.静风荷载对大跨度钢管砼拱桥施工稳定性的影响[J].重庆交通大学学报,2007,—26(4):4650.[10]杨泳听,周锐,葛耀君.大跨度拱桥的等效风荷载[J].—同济大学学报,2015,43(4):490505.[11]杨高平,张霆浩.下承式钢管混凝土系杆拱桥拱脚局部—应力分析[J].南阳理工学院学报,2014,6(3):7275.[12]王福春,梁力,李艳凤.下承式系杆拱桥拱脚局部应力有—限元分析[J].沈阳建筑大学学报,2011,27(2):281285.[13]陈宝春钢管混凝土拱桥[M].北京:人民交通出版社,1999.44铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(081万方数据
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