V形连续刚构梁拱组合桥内力分析_图文

发布于:2021-05-10 23:53:28

振动与冲击 第28卷第2期
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK

V形连续刚构梁拱组合桥内力分析
刘世忠1,任万敏2
(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州730070;2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031)



要:以一V形连续刚构梁拱组合桥为研究对象,介绍了V形桥墩连续刚构梁拱组合桥的设计构思,采用自编

SMAD有限元计算程序,重点分析了墩身尺寸及边界条件对整个结构的影响。通过优化计算巧妙的解决了收缩、徐变次 内力和预应力、温度次内力对结构的不利影响;本桥系梁与拱肋的横向刚度比为1926:1,通过在主梁主要收缩徐变完成 后成拱以及对吊杆进行二次调索的施工方法有效解决了刚性系杆柔性拱的横向稳定问题;三维地震反应结果表明桥梁上 部各部位的地震力不是该桥的控制内力,说明本桥设计构造具有良好的抗震性能。内力分析方法与结论对同类型桥梁设 计施工具有参考价值。 关键词:V形桥墩;梁拱组合;收缩徐变;拱的稳定;地震反应 中图分类号:442.5 文献标识码:A

4.0



工程概况
中卫V形连续刚构梁拱组合桥位于宁夏回族自治

m机非混合车道+2.0 m分隔带+16.0 m机动车

道+2.0 11"1分隔带+4.0 m机非混合车道+2.0 m人行 道,总宽32 nl;4)计算行车速度:50 km/h;5)地震烈 度:地震峰值加速度O.29,按Ⅷ度设防。

区中西部,宁、甘、内蒙古三省区交界点处中卫市新城 区主干道上的跨铁路立交桥。桥梁全长261 m,为满足 城市景观要求,主桥采用(25+56+25)m,V形连续刚

图1中卫V形连续刚构梁拱组合桥总体布置图(单位:m)

构梁拱组合体系,主梁 采用等高度混凝土单箱 五室连续箱梁,桥墩采 用V形刚构,横向布置 两片钢筋混凝土拱肋,
2.1 5


图3成桥效果图 U
rf’ ’n。



2主桥的设计思想





2.1

主梁:主梁采用单箱五室整体截面,箱梁纵向采用 等高度;横向梁高为1.3m~1.62 m。顶板厚30 em;底板 厚25 cm。边腹板40 em,中腹板30 cm,其中拱脚处中腹 板厚为200 cm。悬臂长为2.0 111,悬臂根部厚度50
em,

居中置于两侧分隔带 内,拱肋间不设横撑。 吊杆间距6.0 m。主桥 总体布置图见图1,横 断面图见图2。成桥效 果图如图3。 主要技术标准如下: 1)道路等级:Ⅱ级城市主干路;双向六车道;2) 设计荷载:城市一A级;3)桥梁宽度:2.0 m人行道+
基金项目:国家自然科学基金项目(50378076);兰州交通大学“青蓝”基 金(QL—04-08A) 收稿日期:2008—03—31修改稿收到日期:2008—05—21 第一作者刘世忠男。博士,教授,1962年生

图2主桥横断面图(单位:m)

端部厚度20 em。主梁在端部及与V撑、加劲拱、吊杆连 接处设有横梁,横梁尺寸随连接部位的不同而不同。 吊杆:吊杆标准间距6 m,采用新型PES(FD)*行高 强度预应力钢丝柬,冷铸锚固体系。该索体采用双层 HPDE防护,可有效解决应力开裂问题。锚固处设有可 偏摆的球铰装置和减震装置,以适应吊杆变形和减震。 并设有防水装置,以解决吊杆下端进水而引起腐蚀的问

题。通过上述措施提高吊杆的安全f生和耐久性。
拱肋:钢筋混凝土矩形截面(宽×高)为1.8
1.5 m×

m,两侧独立设置。拱轴线为悬链线,拱轴系数/7/,

万方数据

=2.5,跨度L=45 m,矢高.厂=12.5 m。拱肋仅协助主

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梁承担二期恒载和活载。在拱肋侧面、顶面均设有起 装饰效果的开槽构造。 下部结构设计为V形支撑墩:主墩采用三个带圆 弧倒角的5
m×1.5

使梁与拱在受力方面的优点得以充分发挥,大大削减 了跨中和支点部位的弯矩峰值,降低了梁高,减少了工
程造价。 (2)V撑连续刚构梁拱组合桥具有造型活泼、美 观、富有动感的特点,桥梁景观效果较好,可与周围环

m钢筋混凝土矩形截面V形支撑,

桥墩高12.8 m。基础采用单排6根62.0 m钻孔灌注 桩,桩长35 m。钢筋混凝土承台厚2.5 m,底面以下设 10(3111厚的C15混凝土垫层和15 cm厚的砂砾垫层。

境和谐的融为一体,丰富了人们的美觉享受,提升了城
市的建筑艺术内涵。 (3)本方案桥面宽度较宽,且在拱脚处设计刚度

为减少承台侧土对基础变形的影响,基坑采用粉细砂
松散回填。 本桥主桥 在充分考虑桥 位特点、通行要 求、桥型与周边 环境协调等因

较大的中横梁与拱肋刚性连接,巧妙地解决了主梁横
向刚度和拱肋稳定性问题。

方案采用拱、V撑和梁固结的结构体系,属于多次
超静定结构,其结构的受力比较复杂。同一般薄壁墩 刚构和连续梁相比,受力状态发生了很大的变化;在结

亨要:苎耋委要 V形墩连续刚

…………‘一
表1

构自重、预应力、温度荷载、活载、混凝土收缩、徐变等 共同作用下,V撑区域会产生较大的水*力和弯矩,当 V撑竖直高度较小时,影响更为严重。这样对结构基
础、V撑和拱脚的设计带来了较大困难。这也是本文

图4三维有限元模型

构梁拱组合方案。具有以下特点:
(1)与同等跨度的连续梁和连续刚构相比,采用

力图解决的主要问题。 3结构内力分析p“】

V撑连续刚构缩短了计算跨径,加之与拱的共同作用,

考虑与不考虑弹性地基最大内力绝对值 考虑弹性地基

不考虑弹性地基(墩底固结) 弯矩 (kN?m) V形墩(底部) V形墩(墩顶) V形墩(墩梁固结处) 主梁(墩梁固结处) 拱脚 拱顶
38 889.9 18 575.1
15

单排桩(2.0 m) 弯矩 (kN?m)
16 283.5
15 554.2 12

双排桩(1.5 m) 轴力 (kN)
22 22

剪力 (kN)

9 5 5

轴力 (kN)
25 449.1 24435.1
18 318.9

剪力 (kN)
3 762.4
3 762.4 2

弯矩 (kN?m)
23 874.4 14631.9

剪力 (kN)
4 530.8 4 l

轴力 (kN)
25 766.3

322.3 308.6

530.8 787.5

24 752.3
18

864.4

677.3

583.2

16 542.8 21 14 11

14 570.8 92823.7
13

683.6

85 508.0 18 133.6


36651.5

76710。8 15 683.0


10 559.7


532.3 603.8 838.2

13237.2 2418.7
841.7

28 115.9
14 352.1 1l 558.2

609.9

|萎|萎~~~~
l(8晒舛“附碗眩m

15419.2
12611.2

571.9

861.1

518.5

815.1

1 493.4

计算采用空间杆系有限单元法,主梁、拱肋、V撑
和吊杆共离散为867个节点,1514个单元(图4)。边 界条件的处理:梁、拱和V形支撑刚接;根据实际结构 形式,考虑桥墩与基础的相互作用,引入面内弹性地基

结构的受力比较复杂。本文仅给出受力较为不利的结 构基础、y撑和拱肋的分析过程及计算结果。
裹2桥梁前6阶自振频率及振型特点
No.

梁单元,该单元共两个节点,每个节点面内三个自由度

振型描述

频率/Hz

“以0,局部坐标系下单元面内节点力与节点位移之间
的关系为: F?=玉?艿。 (1)

式中节点位移、节点力列阵和单元刚度矩阵表达式详 见文献[7]。

空间计算时,只需将贮扩充成12×12的刚度矩
阵,填入相应的面外刚度系数即可。 经过大量的优化计算发现,V撑自身刚度以及基 础的刚度是影响结构内力分配的一个重要因素。多工

计算荷载考虑了恒载、活载、温度梯度、整体升降
温、收缩、徐变、支座沉降、吊杆预加力以及基础的刚度 等诸多因素的影响。该结构属于多次超静定结构,其

况计算了在不同边界条件下V撑厚度对结构内力分配
的影响,结果表明在相同边界条件下,V撑内力(特别

万方数据

58

振动与冲击

2009年第28卷

是弯矩)随其厚度的增加而湿著增大,但对主梁内力分 配的影响较小,其原因是V撑刚度相对于主梁而言较 小所致,在兼顾墩身内力和与整体结构美观协调的原 则下,最终选取V撑厚度为1.5
111。

土主拉应力为0.54 MPa,均在规范容许范围内。通过 分阶段施工减小了收缩、徐变、预应力等次内力对结构 的不利影响,分阶段施工与一次成桥施工相比,使设计 中较为不利的构件内力减小了20%,是拱肋在体现仅 协助主梁承担二期恒载和活载设计思想条件下,面外 稳定性满足规范要求的重要保障。

表3荷载组合下控*孛婺诹ψ畲笾担ǖノ唬海耄?n1)

4地震反应分析一.8
4.1自振特性分析



计算了考虑弹性地基作用的桥梁前15阶自振特 性,限于篇幅表2仅列出前6阶自振频率和振型 特点。 4.2全三维地震反应时程分析 根据国家质量技术监督局颁布的《中国地震动参 数区划图》(GBl8306—2001)、《建筑抗震设计规范》 (GB5001 1—2001)及《铁路工程抗震设计规范》 (GBJlll—87)的有关规定,结合本区域工程地质与水 文地质条件及工程设置的实际情况。中卫市抗震设防 烈度8度,地震动峰值加速度0.209。根据各地层的剪 切波速经验值分析,工程所在场地属Ⅱ类场地。计算 中采用1940年记录到的美国加利福尼亚州的Elcentro 地震波南北分量、1976年记录到的天津地震波和1952 年记录到的Taft地震波。激励方向为纵向+I/2竖向、 横向+1/2竖向。表3列出了荷载组合下控*孛婺 力最大值(其中组合I为E1Centro波+恒载+吊杆预 加力,组合Ⅱ为天津波+恒载+吊杆预加力,组合Ⅲ为 Taft波+恒载+吊杆预加力,组合Ⅳ为恒载+活载+沉 降+温度+人群+吊杆预加力)。图5~7为控*孛 内力比较图(图中x轴方向的截面1—5分别对应控制 截面主梁,拱顶,拱脚,V撑,桥墩)。该桥取组合I、组 合Ⅱ和组合Ⅲ最不利内力值进行抗震验算。地震作用 除混凝土收缩、徐变及预应力引起的次内力外,地 基弹性作用也是影响结构内力分配的一个重要因素, 本文还分别计算了桩径为2.0 m的单排桩和桩径为
1.5

下内力设计值与组合Ⅳ作用下内力设计值相比,主梁、 拱顶和拱脚处轴力均有所减小,V撑轴力增加了14. 0%,桥墩轴力增加了10.4%;主梁、拱脚和V撑剪力均 有所减小,拱顶剪力增加了33.3%,桥墩剪力增加了 182.5%;拱顶和拱脚弯矩均有所减小,主梁弯矩增加 了10.5%,V撑弯矩增加了0.8%,桥墩弯矩增加了 76.2%。由以上比较可知,控*孛婀岸ァ⒐敖藕停殖 地震力不是控制因素,主梁内力虽然有所提高,但提高 幅度不大。按设防烈度8度考虑,桥墩截面内力有大 幅度提高,故桥墩由地震力控制设计,其余截面均由组 合Ⅳ控制设计。本文还进行了反应谱分析计算,其内 力组合均小于组合Ⅳ作用下内力值,不再列出。 4.3典型截面位移时程曲线 限于篇幅图8仅给出了主梁跨中和拱脚位移在 EICentro(N—S)波激励方向为纵向+1/2竖向、横向+ 1/2竖向时响应的时程曲线图。

m的双排桩、桩长均为35 171的基础作用下对结构
683.0

内力分配的影响。计算结果如表1所示。在设计荷载 作用下,单排桩拱脚弯矩为15
14603.8

kN?m,是不考虑 kN,轴力为 kN?m,是不 kN,轴力为

弹性地基效应的86%,剪力为2 kN,V形墩墩顶弯矩为15 kN,V形墩底弯矩为16

571.9 554.2

考虑弹性地基效应的83%,剪力为3
22 308.6

762.4

283.5

kN?m,是不考

虑弹性地基效应的42%,是双排桩的68%,充分显示 出结构优化设计与引入弹性地基影响的重要性。V型 墩构件均按偏压构件进行设计,最不利荷载工况下应 力及裂缝宽度均满足规范要求。主梁按A类预应力混 凝土构件设计,在荷载短期效应组合下,正截面混凝土 拉应力为0.58 MPa、压应力为9.36 MPa,斜截面混凝

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器 暴



’截面l截面2截面3截面4截面5

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截面l截面2截面3截面4截面5

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截面l截面2截面3截面4截面5

图5控*孛嬷崃Ρ冉贤

图6控*孛婕袅Ρ冉贤

图7控*孛嫱渚乇冉贤

三维地震反应分析结果表明:中卫桥的抗震性能 良好,各项应力、变形指标均符合规范要求;对比桥梁

值,桥墩是该桥在地震荷载作用下的危险构件,由地震 力控制设计;与荷载组合Ⅳ作用下桥梁各部位的内力 相比,其余构件的地震内力不作为该桥的控制内力,该
20 16 12 8 昌 4

各部位的位移、轴力、剪力和弯矩在地震作用下的最大

6. 4.

怼 迥.1.
.3.


-4.
-6.

蠢 耋
.12 .16 3 3 6 9 12 15 t/s 18 2l 24 27 30 6 9 12 15 t/s 18 21 24 27 30

纵向+÷竖向地震作用下跨中纵向位移

横向+÷竖向地震作用下跨中横向位移
20 16 12

委 鲻
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.12 -16 3 6 9 12
15

18

21

24

2"7

30

t/s

纵向+÷竖向地震作用下拱脚纵向位移
图8位移时程曲线图

横向+÷竖向地震作用下拱脚横向位移
成拱、调整吊杆拉力的施工方法,不仅可以实现拱肋仅

桥在地震作用下是安全的。

5结论 通过对全桥进行详细的优化设计计算、反应谱分
析和地震时程反应分析,可以得出以下结论:

协助主梁承担二期恒载及活载的设计思想,也是实现 单拱肋横向稳定性的有利措施。 4)本桥抗震设计采用反应谱和线性时程两种方
法,与荷载组合Ⅳ作用下桥梁各部位的内力进行相比,

1)在墩身竖直高度不大的情况下,作为跨线桥, 选择V形墩连续刚构梁拱组合桥型,可以有效地减小
主梁跨度,减小梁高、降低建筑高度,节省投资;但刚构 主体及拱脚的受力比较复杂。

反应谱分析结果不是抗震设计的控制工况;通过线性
时程分析,除桥墩外地震内力不是该桥的控制内力,桥

梁在烈度为8度的地震荷载作用下是安全的,说明本
桥结构设计具有良好的抗震性能。 5)弹性地基作用和地震对上部结构的影响较小, 对桥墩的影响显著,正好体现了这种桥型优化设计的重

2)V撑连续刚构墩底水*力和弯矩较大,通过模
拟合理的边界条件、调整V撑厚度,特别是采用分阶段 施工等手段,可以有效消除大部分混凝土收缩、徐变及 预应力次内力对结构的不利影响。 3)采取先修筑主梁并释放一期自重荷载变形,再

点所在,同类桥梁应进行三维地震反应时程分析抗震验
算。本文结论可供同类型桥梁的设计和施工参考。 (下转第76页)

万方数据

76

振动与冲击

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截面积A。=100 mm2,振动频率为1 Hz,计算附加气室 与主气室不同容积比凡下弹簧的动刚度(图5)。
40 20 OO 80 60

3)弹簧的动刚度与弹簧内压力几乎保持正比关
系;动刚度随之振动频率的增大而增大;节流孔的增大 会降低弹簧的动刚度;增加附加气室容积会降低弹簧 的动刚度,但当附加气室与主气室容积比大于3时,附 加气室容积的变化对弹簧动刚度的影响便不再明显。 由于线性化模型是在小振幅条件下求得,所以此模型 无法反映振幅变化对动刚度的影响。
参考文献

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40 20 0

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由于n=%/%,主气室初始容积是固定的,所以
n值的增大相当于增加附加气室容积。由图可见,附加 气室容积增大会使动刚度减小,但附加气室容积越大, 对动刚度的影响效果越小,当附加气室与主气室容积 比凡大于3以后,动刚度变化便很小,即附加气室容积 的变化对弹簧动刚度的影响便不再明显。此结论在动 刚度模型(24)式中也可以体现,附加气室与主气室容 积比n是以(1+1/n)的形式分别在模型的分子和分母

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越小。 3

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室空气弹簧系统各元件的动力学方程,并在小振幅的 条件下,用小偏差线性化方法对各动力学方程线性化 处理,建立了空气弹簧线性化动刚度模型,由模型可知 空气弹簧的几何结构、弹簧内压力、振动频率、节流孑L 开度、附加气室容积是影响弹簧动刚度的主要因素。 2)基于所建立的动刚度模型,以Firestone
1T15M

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(上接第59页)
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万方数据

V形连续刚构梁拱组合桥内力分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数: 刘世忠, 任万敏, LIU Shi-zhong, REN Wan-ming 刘世忠,LIU Shi-zhong(兰州交通大学,土木工程学院,兰州,730070), 任万敏,REN Wanming(中铁二院工程集团有限责任公司,成都,610031) 振动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK 2009,28(2) 0次

参考文献(8条) 1.李国豪 桥梁结构稳定与振动 2003 2.金成棣 预应力混凝土梁拱组合桥梁--设计研究与实践 2001 3.吴鸿庆.任侠 结构有限元分析 2000 4.刘世忠.吴辉 薄壁箱梁内力影响面的实用计算方法[期刊论文]-中国公路学报 2007(4) 5.彭文成 V型墩连续刚构主墩底水*力和弯矩的计算分析[期刊论文]-交通科技 2004(4) 6.许汉铮.黄*明.王宏博 连续弯梁(刚构)桥的统一计算模式[期刊论文]-中国公路学报 2002(4) 7.华东水利学院 弹性力学问题的有限单元法 1982 8.朱玉 钢管混凝土系杆拱桥地震反应分析[学位论文] 1997

相似文献(1条) 1.期刊论文 任万敏.刘世忠.武维宏.Ren Wanmin.Liu Shizhong.Wu Weihong 中卫V型连续刚构梁拱组合桥设计 -兰 州交通大学学报2007,26(6)
介绍了V形桥墩连续刚构梁拱组合桥的设计构思及特点,重点计算了墩身尺寸及边界条件对整个结构的影响.通过优化计算提出了解决方法,巧妙的解 决了收缩徐变次内力和温度次内力对结构的不利影响;本桥系梁与拱肋的横向刚度比为1 926:1,系梁的刚度对拱的横向稳定性起至关重要的作用,通过在 主梁主要收缩徐变完成后成拱以及对吊杆进行二次调索的施工方法成功的解决了刚性系杆柔性拱的横向稳定问题,本文设计方法和结论对同类型桥梁设计 施工具有参考价值.

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