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大跨径混凝土拱桥拱圈稳定性与吊装系统的土木工程控制与研究

时间:2018-02-23 16:53来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是土木工程论文,本文分别对两座跨径为 100m 的大宁河大桥和跨径为 150m 的乌江四桥复线桥在单箱合拢时的稳定性采用规范规定的计算方法和基于拱桥挠度理论的方法对稳定系数。
第一章 绪论
 
拱桥在道路交通发展历史上,以其特有的优点,如承载能力高、跨越能力大、造价低廉、造型美观等,成为桥梁建设历史上竞争力强、数量多,并且还在不断发展的桥梁结构形式之一。关于拱桥的来源,很多人认为拱桥是模仿大自然的天然拱而形成的。经过几千年的发展,拱桥的设计、施工技术日渐成熟,所以拱桥在现代交通中受到广泛欢迎,并且我国特有的地形条件,为拱桥的发展提供了更好的条件。
 
1.1拱桥的结构
在我国交通建设上,拱桥是一种广泛使用的桥梁结构。拱桥与梁桥在外形的存在一定的不同,而且在受力也有一定的区别差别。从力学上讲,梁式桥梁结构在竖向荷载的作用下在梁体中主要产生弯矩,而在支座处产生竖直反力,主要以受弯为主。拱桥在竖向荷载的作用下,在拱结构中产生轴力和弯矩,在支承处产生竖向反力和水平推力,即主要以轴力为主。由于支承处存在水平推力,而使得拱结构的弯矩比同等跨径的梁桥的弯矩小,从而使得整个拱结构以受压为主。因此,拱桥的选材变得更为广泛。不仅可以使用梁桥上通常使用的钢、钢筋混凝土,钢管混凝土等,而且还可以选用一些抗拉性能较差而抗压性能较好的污工原料(如石料、砖等)来进行建设。拱桥之所能在桥梁建设中占有如此重要的地位,主要是源于其特有的优点[1]。如:①跨越能力强。使用这种结构已经成功修建迄今为止跨径最大的钢筋混凝土拱桥,跨径为 420m 的重庆万县长江大桥(如图 1.1所示);②耐久性好,养护、维修费用底;③外型美观,很多地方的市政桥梁或者标志性桥梁都采用拱桥的形式;④容易取材,与其他的钢桥或钢筋混凝土梁桥相比,能够大量节约钢材和水泥;⑤构造简单,施工便利,有利于广泛发展。同时,拱桥也存在一些不足之处,如:①拱桥的施工方法多采用在支架上施工来进行修建(尤其对于污工拱桥),但随着桥梁高度和跨径的不断变大,这种施工方法的成本会增高,增大施工的难度和总的造价;②拱结构的自重比较大,从而使得水平推力比较大,这就使得对下部结构的要求较高。③上承式拱桥的建筑高度较高,在一些平原地区不利于使用。
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1.2钢筋混凝土拱桥的国内外发展现状
19 世纪 90 年代钢筋混凝土拱桥在国外的发展已经较为活跃[3]。在 1890 年,在德国的一个展览会上,一座跨度为 40m 的钢筋混凝土拱桥首次亮相[4]。自 1900年到 2000 年期间,欧洲土地上出现了大量独具造型的钢筋混凝土拱桥和一些非常杰出的桥梁设计师。其中以瑞士的为杰出代表,罗伯特在钢筋混凝土拱桥的设计上,打破了传统拱桥设计的限制,开拓出了一种新的设计思路,这在钢筋混凝土拱桥的发展史上具有里程碑的意义。接着,法国的一位桥梁设计者在材料选择方面进行了一定的革新,打破了以往选择材料的的局限性,充分利用了新材料所具有的特点,将桥梁结构的构件通过重新组成新的整体后进行重新布置,并将他的这一成果应用于桥梁建设中。并以此建成的拱桥有:在意大利罗马建成的复兴桥,它的跨度为 100m,在法国的维耶纳河上建设完成的中跨跨径为 50m,边跨跨径为 40m 的卡米尔德桥[5]等。在吸取以往经验的基础上,马亚尔在拱桥受力方面进行研究并创造了钢筋混凝土拱桥的一种新的结构型式,并取得了明显的效果,他创造的新的拱桥结构型式主要有刚性梁柔性拱和三铰拱等。采用他的这种新的结构形式设计完成了的跨度为 90m,矢高为 13m 的上承式镶刀型的塞金纳特伯桥,从而使得马亚尔在桥梁界赫赫有名[6]。马亚尔设计的跨度是 37.4m,矢高是 6m 的瑞士萨尔基那山谷桥是另一种新的结构型式刚性梁柔性拱桥的代表桥梁。马亚尔所创造的这种新的结构形式的拱用于一些跨径比较小的桥梁有着非常好的经济性,但是这些结构并不适用于大跨度桥梁的应用,主要是因为其抗屈曲能力的限制。拱桥在使用中的维护问题也应是桥梁设计者考虑的重点,马亚尔拱中的铰在使用过程中的耐久性较差,维修相对比较困难,这些问题使得桥梁使用时面临相当严峻养护问题。所以后来的桥梁设计师们在设计钢筋混凝土拱桥时借鉴了马亚尔拱,并在拱桥工程的设计中更多的考虑适用无铰拱[7]。在 1900 到 1970 年期间,大跨度钢筋混凝土拱桥的发展进入到了一个新的辉煌的时期[8]。在 1930 年,法国工程师弗来希耐主持建造了世界上第一座拱轴线为抛物线的拱桥,浇筑拱圈时采用了系杆式的拱架,在修建这座拱桥过程中第一次适用到了千斤顶来进行对拱顶处的应力进行调整[9]。在 1934 年,斯德哥尔摩于建成了一座新的箱型混凝土拱桥—特灵博格桥,它跨度为 178m。在 1942 年,艾斯发在物资条件极度匮乏的情况下使用劲性骨架施工方法建成了一座跨度为 210m的铁路拱桥。在 1943 年,瑞典使用了满堂支架的施工方法建设完成了塞桑多公路桥,它的跨度已经达到了 264m,这个跨度在当时是一个新的记录,并且这座混凝土拱桥的跨度记录保持了达到了 20 年之久[10]。在 1952 年的第聂伯河上修建完成了一座跨度 228m 的拱桥,这是前苏联的桥梁工作人员采用钢拱架分环浇筑的施工方法修建完成的,它的这一跨度在此类桥梁中达到了一个新的高度,并且同样采用了千斤顶来对拱的内力进行进行调整,使得内力更加合理。葡萄牙在1963采取了在钢拱架上浇筑主拱圈的施工方法修建完成了阿拉比达桥,这座桥的跨径达到了 270m。一座采用了在钢拱架上进行拼装的格莱德维尔桥,它跨度为305m,并且在对拱圈应力进行调整时采用了千斤顶脱架[11]。在 1964 年的多伦多河上,桥梁工作者采用了同样的施工方法对拱圈进行浇筑,从而完成了跨径为290m的友谊桥。
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第二章 拱桥稳定问题的理论分析
 
2.1概述
拱桥作为主要承受压力的结构,拱结构的稳定问题不管是对于桥梁研究工作者和还是设计人员都是必须重视的问题,是关系到拱桥在建设和使用过程中安全的重要问题之一。在国内外的历史上,由于拱桥失稳问题导致的事故时有发生。近年来,稳定问题的研究不断深入,其研究意义与强度问题同等重要。稳定指的是结构所处的一种状态,稳定问题研究的是结构或者构建所处的平衡状态是否稳定。平衡的结构在外界荷载或者不可避免微小扰动的作用下,结构失去原来的平衡状态。但当外界作用消失后,结构能够恢复到原来的平衡,则原来的平衡是处于稳定的。但当作用消失以后,如果不能恢复到原来的平衡状态,则原来的平衡是处于不稳定的,即失稳。失稳后的结构在稍加扰动下就会发生较大的变化和位移,甚至可能会发生破坏。在拱桥中,桥梁的失稳问题大致可以分为局部失稳和整体失稳两种类型。结构中的子结构或者个别构件失稳一般会导致结构的整体失稳,从而影响整体的使用。拱桥的稳定问题同时可以分为第一类稳定问题和第二类稳定问题,即分支点失稳问题和极值点失稳问题。本章将对拱桥的稳定问题的基本理论进行详细的讨论。
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2.2两类稳定问题
我们从结构稳定的性质方面来分,可以把结构的失稳分为第一类稳定问题和第二类稳定问题。当作用于两端铰接的理想受压杆件上的荷载小于屈曲临界荷载 PE时,杆件能够保持原来的直线平衡状态。但当此时作用于直杆一个水平的干扰,杆件如果发生了微小的弯曲,直到干扰消失后,直杆能够恢复到原来的平衡状态。当作用于杆件上的荷载等于 PE时,使杆件发生微小变形的干扰消失以后,压杆也不能恢复到原来的平衡状态。并且在屈曲荷载的作用下,弯曲变形会越来越大。压杆也开始由原来的直线平衡状态转向现在的弯曲平衡。即使荷载不会再继续增大,弯曲变形也会变得越来越大,直至结构或者构件发生破坏。由于这种形式的平衡状态的解有多个,即会出现多个分支点,因此,此类失稳也叫作分支点失稳。对于理想的拱结构,拱桥的设计拱轴线和荷载的压力线完全重合,因此,主拱圈处于只受压而无弯矩的状态。当作用在拱桥上的荷载为均布荷载或者是其他的对称荷载时,拱圈的截面上只有压应力,而无弯曲应力。当作用于拱圈上的荷载比较小的时,拱圈截面内只存在压缩变形而无弯曲变形。当作用的荷载逐渐增大后,拱圈截面内开始出现除压缩变形外的弯曲变形,即此时的荷载已经达到结构的临界荷载。拱结构的设计拱轴线开始出现了不平衡的分支失稳变形,这种失稳形式就是拱桥的第一类稳定问题。拱圈在均布荷载作用下的分支点失稳情况如图(2.1)所示。图中(A)表示无铰拱、(B)表示两铰拱、(C)表示坡度较平坦的三铰拱、(D)表示坡度较陡三铰拱的四种类型的拱在对称荷载作用下对应的失稳形式。由图中可以看出,无铰拱、两铰拱和较陡的三铰拱的失稳形式都是反对称的。对于矢跨比较大的,即坡度较平坦三铰拱的失稳形式是对称的。
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第三章 拱桥单箱合拢时的稳定性分析.........29
3.1大宁河大桥单肋合拢后稳定性的计算分析............29
3.2乌江四桥复线桥单箱合拢后稳定性的计算分析....34
3.3对比分析................39
3.4本章小结................41
第四章 拱桥稳定性的空间有限元分析........42
4.1单箱合拢后稳定性方法分析与模型的建立............42
4.2单箱拱肋在自重作用下的稳定性分析.......43
4.3浪风索作用下拱肋稳定性分析......46
4.4风荷载及自重作用下拱肋的稳定性分析................49
4.5浪风索的优化设置.............50
4.6主拱圈稳定性分析.............52
4.7本章小结................54
第五章 大宁河大桥吊装系统分析与研究....56
5.1缆索吊装系统主要设计参数..........56
5.2、承重主索的计算..............57
5.3起重索的计算........61
5.4牵引索的计算........62
5.5扣索的计算............63
5.6锚梁的计算............64
5.7岩锚的计算............65
5.8本章小结................67
 
第五章 大宁河大桥吊装系统分析与研究
 
对于拱桥的施工,重点是对于主拱圈的施工,而主拱圈的施工主要受施工方法的影响,主拱圈的施工方法成为影响拱桥往更大跨径发展的重要因素。而缆索吊装的施工方法有有效的从经济和技术上解决这方面的问题。本文结合大宁河大桥施工的吊装系统进行分析研究,对采用岩锚的吊装系统进行分析,对以后同类吊装系统具有一定的指导价值。
 
5.1缆索吊装系统主要设计参数
大宁河大桥的缆索吊装系统是以钢丝绳为主要的承重索及运行轨道,配以牵引系统和起重系统的大型吊装设备,采用岩锚的锚固方式。主要用于对主拱圈节段、预空心板进行吊装施工。本缆索吊装系统充分利用地形条件具有吊重能力大、效率高、操作简单方便、总体结构简单、不受气候条件的制约等特点。根据规范及设计资料可知大宁河大桥吊装系统主要安全系数取值为:钢丝绳:主索、工作索、扣索、风缆索等张力安全系数≥3.0,应力安全系数≥2.0;起吊索张力安全系数≥6.0,应力安全系数≥3.0;牵引索张力安全系数≥4.0,应力安全系数≥3.0;千斤绳张力安全系数≥8.0;钢绞线锚索张力安全系数≥2.5。本吊装系统采用 1 组 5 根φ56mm(6×37S+FC)的合成纤维芯钢索作为主索。悬索跨度 L=204m,空索垂度0f =10.5m。在行车两边主索上每隔 20m 间距设置一个分索器支承起重索和牵引索,分索器重量按 8N/m 计算。在计算过程中需对承重主索的作以下基本假定:(1)主索在其自重作用下线形为抛物线;(2)仅作静力计算;(3)假定主索自重沿其长度均匀分布;(4)悬索是绝对柔性,任一截面均不能承受弯矩;(5)不考虑温度及锚梁位移对主索张力的影响。
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结论
 
目前,对于大跨度钢筋混凝土拱桥稳定性的计算,主要采用基于弹性理论的计算方法。这种计算方法的实质是计算理想结构在理想受力情况下的稳定系数,没有考虑结构因变形而产生的二次力效应及结构的初始缺陷等非线性因素的影响。但在实际工程中,拱结构在自重及二期恒载的作用下会产生竖向变形,这对于拱桥的稳定性也会产生相应的影响。本文以实际工程大宁河大桥(跨径为 100m)和乌江四桥复线桥(跨径为 150m)为项目背景进行研究分析,研究了基于挠度理论的稳定性计算方法,并采用基于挠度理论的计算方法分别对两个跨径不同的钢筋混凝土拱桥的稳定性进行计算分析。采用有限元软件在考虑竖向变形的情况下对拱桥的稳定性进行研究分析。讨论了浪风索对于提高拱肋稳定性的作用,并对浪风索的设置进行了优化讨论。在此研究工作基础上的得到如下结论:
①通过对拱桥挠度理论和桥梁规范对拱桥稳定性验算方法的总结,得出了基于挠度理论的拱桥稳定性计算方法。
②分别对跨径为 100m 的和跨径为 150m 的拱桥的稳定性进行计算,分别采用基于弹性理论的计算方法和基于挠度理论的计算方法计算两座跨径不同的拱桥的稳定性,通过对计算结果进行对比分析可知:在考虑拱桥挠度对于稳定性的影响后,拱肋的纵向稳定性和稳定系数均有所降低。大宁河大桥(跨径为 100m)的横向稳定系数降低了 7.2%,但其稳定性仍能满足规范要求。乌江四桥复线桥(跨径为 150m)的横向稳定系数降低了 17.02%,其横向稳定性不能满足规范要求。为保证拱桥建设的安全可靠,在计算拱桥的稳定性时,应该考虑拱桥的挠度对稳定性的影响。
③使用有限元软件对跨径不同的拱桥在单箱合拢时的稳定系数进行计算,分别计算了竖向变形前单箱拱肋的稳定系数和竖向变形后单箱拱肋的稳定系数。在考虑了竖向变形对于拱桥稳定性的影响后,单箱拱肋的稳定性有所降低。
④采用有限元软件对单箱拱肋设置浪风索后的稳定性进行分析,浪风索对提高单箱拱肋的稳定性作用明显(约提高了 4 倍)。增大浪风索的初张力、增大浪风索与拱轴线在水平方向投影的夹角,均能提高单箱拱肋在施工过程中的稳定性,但当浪风索初张力为 50KN 至 100KN 之间,浪风索与拱轴线在水平方向投影的夹角在 30°到 50°之间时,浪风索的初张力及夹角对稳定性的影响不大。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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