【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土拱桥结构及受力特点分析
钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
1.1.2 钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，是使其二者有机结合的 一种组合结构，其本质上属于箍套混凝土。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺 旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的，按截面形式的不同，可分为方钢管、 圆钢管和多边形钢管混凝土。在实际工程中，应用最广泛的是圆钢管混凝土，且 管内只浇灌素混凝土，不再配置钢筋 日
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（1）简要介绍了钢管混凝土的结构特点及钢管混凝土在拱桥中的发展情况， 提出了钢管混凝土拱桥的设计需注意的问题，并介绍了圣维南原理及其在钢管混 凝土中的应用；
（2）根据已建四管桁式钢管混凝土拱桥—湖南益阳茅草街大桥，选取工程中 三类典型节点—DTY 型、XYT 型、DTDY 型管节点为研究为对象，基于 ANSYS， 建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型，分析和比较了它们的静力性能，讨论了 其应力变化情况；
(3) the analysis and calculation on variation of stress concentrate factor for both concrete-filled steel tubular and hollow steel tubular DTY joints, XYT joints, DTDY joints under the axial strength or axial and bending loadings together function in brace along with the variation of diameter of braces and the included angle of braces and chords the have carried out. The results show that the concrete-filled steel nodes are more obvious than the empty steel tube nodes on stress concentrate phenomenon and as well as nodes under the function of axial strength than axial and bending loadings together function in brace.
【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土拱桥结构及受力特点分析
【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土拱桥结构及受力特点分析某中承式钢管混凝土拱桥拱肋的理论计算跨径为152m，拱肋直径1.5m，厚度为2cm，内部浇筑C50混凝土，计算矢高为47m，矢跨比为1/3，拱肋拱轴线采用倒悬链线，拱轴系数为1.55。
拱肋采用圆形截面，主梁采用扁平流线形钢箱截面，拱肋设18对吊杆。
下部结构为钢筋混凝土拱座及承台接钻孔灌注桩基础。
桥面铺装采用6cm 厚环氧沥青。
钢箱梁主体结构均采用Q345-C钢，钢箱拱肋结构采用Q345D钢，其技术指标应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）的相关要求，盖梁及墩柱采用C40混凝土，拱座及承台采用C30混凝土，基桩采用C25混凝土。
桥梁设计荷载为公路-I级，人群荷载5.0KN/m2；环境类别为II类；设计安全等级为一级。
Midas/Civil有限元模型使用Midas/Civil建立全桥模型，本桥3D模型按照桥梁设计选择相应的材料和截面特性。
模型划分共计368个节点，378个单元，其中梁单元360个，桁架单元18个，考虑到的各作用效应有：（1）恒载：自重以及设计荷载；（2）均匀温度：结构因均匀温升、温降，梯度温升、温降产生的作用效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定计算。
（3）支座沉降：支座不均匀沉降按1cm考虑。
（4）车辆荷载：按最不利车辆荷载考虑，车辆为公路—I级五车道，人群荷载为5.0KN/m。
本桥考虑2.5%的桥梁纵坡。
模型节点单元见图3。
其中，拱肋单元编号为155~322，共计167个单元。
图1 钢管混凝土拱桥有限元模型永久作用分项系数按照作用对结构承载能力不利的情况选取，可变作用分项系数按照规范的要求进行取值。
各荷载组合系数见表3。
表3 荷载组合系数名称荷载工况组合系数结构恒载自重+二期1.1车辆荷载公路—Ⅰ级1.4支座沉降1cm 1.0温度荷载±20℃ 0.7计算结构自重+二期+车辆荷载+升、降温效应（±20℃）+支座沉降（1cm）作用下的拱肋内力。
对钢管混凝土拱桥受力分析及性能探讨
对钢管混凝土拱桥受力分析及性能探讨摘要:钢管混凝土拱桥设计是常见而又复杂的实际问题，针对钢管混凝土受力性能及抗震横向对提高拱肋的横向稳固性起到了极大的作用, 一同避开了拱顶段管内混凝土不密实的问题.本文笔者以下进行了分析。
关键词:钢管混凝土;拱桥设计；抗震；分析1 有限元模型简介某大桥的受力分析采用大型通用程序A N-SYS 进行计算.建模时, 拱肋、桥面纵梁、横梁采用空间梁单元, 其中钢管混凝土拱肋段采用双单元法建模, 即在模型离散时, 在同一段有限元模型中将钢管和混凝土分别作为两根杆件输人, 但同时保证二者的节点坐标完全相同, 在相同的节点间建立两个单元, 一个单元赋予钢管的材料属性, 另一个单元则赋予混凝土的材料属性, 这样两种材料的应力—应变关系可以得以输人[4]; 系杆与吊杆采用拉杆单元, 桥面系采用梁格法模拟. 桩基的计算模型是用弹簧支承来模拟地基的水平抗力, 用m 法进行计算.全桥共374 个节点,4 2 个梁单元, 有限元模型见图1图1 某大桥有限元模型2 横向一类稳定计算某桥成桥后进行了静动载测试本文在进行横向稳定计算时, 以静载测试的四个工况为模型的荷载, 计算某大桥在各个工况下的一类稳定系数(特征值)静载试验共进行了 4 个工况: 工况一为按口 4 点弯矩最大; 工况二为拱脚负弯矩最大江况三为拱顶正弯矩最大; 工况四为拱脚推力最大布载。
分析时以管内混凝土填充长度系数α为参数(参数a 含义见图3).0 < a < 0.5 时为复合拱; 当a= O 时为钢管拱; 当a = 0.5 时, 为钢管混凝土拱.计算中不考虑材料的非线性计算结果见图2.图2稳定系数变化趋势图对该桥的弹性一类稳定分析表明, 在各种加载工况下, 一阶弹性失稳模态不受混凝土充填系数a的影响, 均为面外失稳，但α对稳定系数有影响.当a 从0 变化至1/ 12 时, 稳定系数缓慢增长, 最大仅增加4.8% ; 此后, 稳定系数增加较快,当a 趋近L/4 时, 稳定系数均达最大值(除工况三) ; 此后随a 增加稳定系数反而下降, 在α=0.4 17 时达到最低点后又开始上升, 到a =0.5(钢管混凝土拱)时稳定系数达到第二个峰值.因此, 从弹性一类稳定系数来看, 坡充系数太小(小于1/ 1 2) 时管内混凝土对稳定系数提高的作用较小, α在0.25 附近时, 效率最高; 超过0.25 时反而降低了拱的稳定性能, 这可能是此时刚度增加的有利作用小于拱肋自重产生的不利影响. 当然,钢管混凝土拱的稳定系数最大, 但从复合拱的角度而言, 钢管与钢管混凝土在拱肋L/4 处相接, 结构一类弹性稳定性最好。
钢管混凝土异型拱桥拱座力学特性分析
中简化 了超静 定结 构 的约束 作用 ， 故计 算 结 果不 能保 证精度 。为此 ， 采用 Ａ Ａ ｔ Ｂ ＱＪ Ｓ通用 程序 建立 了全 桥有 限元模 型 （ 图 ２ ， 见 ） 以准 确分 析拱 座 的局 部 应力 。模
第一作者简介 ： 赵铁永（９ ５ ） 男， １７ 一 ， 主要从事 交通及市政道路
桥 梁设 计 工 作 。
１ ６
型 中采用 杆系单元 模 拟拱 座局 部 区域 外 的结 构 刚度 ，
用 三维实体 单元模拟 拱座 局部 区域 （ 见图 ３ 。为 了确 ）
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赵 永徐 ，越 ： 管 凝 异 拱 拱 力 特 分 铁 ，平朱 峰 钢 混 土 型 桥 座 学 性 析
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３ ． ６５ｍ。拱 肋 由 ３根圆形 截 面钢 管混 凝 土结 构组 成 ，
包 括１ 主拱肋和 ２根 副拱肋 ， 根 ３根拱肋 之 间成倒 三角
形截 面。拱肋 曲线 均为 抛物 线 ， 主拱 肋平 面和 副拱肋
４ ７ｍ＋１２ｎ ＋ ７ｍ。 主梁 中跨 为钢一 混凝 土结 合箱 ３ ｌ ４
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收 稿 日期 ：０ ０— １ ０ ２１ ０ — ８
大跨度钢管混凝土拱桥受力性能分析
参考内容
基本内容
随着经济的发展和科技的进步，我国基础设施建设规模不断扩大，尤其是大 跨度桥梁的建设取得了长足的发展。大跨度钢管混凝土拱桥作为现代桥梁工程的 重要类型，具有结构轻盈、跨越能力大、美观环保等优点，因此在公路、铁路和 城市交通领域得到广泛应用。
然而，大跨度钢管混凝土拱桥施工过程复杂，涉及众多关键技术，如何确保 桥梁施工过程中的稳定性、安全性和精度控制成为亟待解决的问题。本次演示旨 在探讨大跨度钢管混凝土拱桥施工控制方面的研究，以期为类似桥梁工程建设提 供理论支持和实践指导。
参考内容二
一、引言
随着现代工程技术的不断发展，大跨度桥梁的设计和施工越来越受到人们的。 大跨度桥梁不仅在视觉上提供了宏大的景观效果，而且在功能上满足了跨越大型 河流、峡谷或其他复杂地形的需求。在众多大跨度桥梁中，大跨度钢管混凝土拱 桥因其独特的结构特性，如高强度、耐久性好、造价低等，而在桥梁工程中具有 广泛的应用。
在实验研究方面，学者们通过制作缩尺模型、全桥模型等进行了各种加载实 验，以探究拱桥的受力性能。这些实验表明，大跨度钢管混凝土拱桥具有良好的 承载能力和变形性能，同时拱脚处容易出现裂缝。尽管实验研究在某些方面取得 了成果，但仍存在实验条件与实际环境有所差异等问题。
本次演示主要研究大跨度钢管混凝土拱桥的受力性能，借助完善的理论和实 验设施，旨在探寻拱桥结构中应力、应变和强度等指标的变化规律。首先，运用 有限元软件建立大跨度钢管混凝土拱桥的数值模型，进行静力分析和模态分析， 以获取拱桥在自重作用下的应力分布和振动特性。
文献综述
大跨度钢管混凝土拱桥的非线性地震反应研究已经取得了不少进展。国内外 学者通过理论分析、实验研究及数值模拟等方法，对拱桥的地震响应进行了深入 探讨。已有的研究主要集中在以下几个方面：
钢管混凝土拱桥
钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥（Steel-Tube Concrete Arch Bridge）是一种以钢管作为主要构件、混凝土为填充物，采用拱形结构的桥梁。
由于其结构特点，该类型的桥梁具有较高的承载能力、稳定性和整体性能，因此在短跨度桥梁中广泛应用。
本文将从钢管混凝土拱桥的构造特点、设计与施工工艺、应用与发展等方面进行探讨。
一、构造特点钢管混凝土拱桥结构特点主要表现在两个方面：拱形结构和钢管混凝土材料。
拱形结构是钢管混凝土拱桥最显著的结构特点，该结构的力学特性为受力后整体形变，荷载集中于两端，相对于梁式桥梁更加稳定。
而且，拱形结构具有较高的承载能力，在短跨度桥梁中具有明显优势。
钢管混凝土材料则是钢管混凝土拱桥的创新之处。
该材料具有混凝土和钢管的优点，可以更好地发挥两种材料的特性。
钢管可以担任桥梁的主要承载构件，中空部分可以用来加入混凝土，提高承载能力；而混凝土可以保护钢管，延长其寿命，同时具备优秀的抗压强度和耐久性。
二、设计与施工工艺钢管混凝土拱桥的设计与施工工艺需要考虑到以下因素：钢管材料的选择、拱形结构的力学特性、混凝土的浇筑工艺。
钢管材料方面，需要选择品质良好、符合标准的钢管。
在拱形结构的设计中，需要通过建立数学模型，模拟荷载作用下的力学特性，对拱形结构进行优化设计，确保承载能力和稳定性。
混凝土在钢管中的浇筑工艺通常采用顶升法或压力法。
顶升法是将混凝土从一侧注入钢管内，同时在另一侧进行顶升，使混凝土在钢管内均匀分布；压力法是通过在钢管中注入高压水泥浆，将混凝土压入钢管内。
无论采用哪种方法，都需要保证混凝土充实度，避免产生空洞、裂缝等质量问题。
三、应用与发展钢管混凝土拱桥具有优秀的结构特点和性能，已经在我国的短跨度桥梁建设中得到广泛应用。
随着技术的发展，钢管混凝土拱桥在跨度和承载能力方面也已经有了较大的突破，越来越多的工程师开始将其应用于中长跨度桥梁的设计中。
同时，在钢管材料和混凝土浇筑向导方面也有了新的突破。
钢管混凝土拱桥动力特性与分析
结 构 参 数 影 响 进 行 了初 步 研 究 ［ ４ ］ ， 为 深 入 开 展 对 中 承 式 钢 管 混 凝 土 拱 桥 自振 特 性 研 究 ， 提 供 了 技术 支 持 。
１ 有 限 元 法概 述
模 型 材料 参数
钢 管
２ ． １ Ｅ１ １
７ ８ ０ ０ ０ ． ３
０ 引 言
式 中： Ｋ 为 刚度 矩 阵； Ｍ 为 质量 矩阵 ； “为 位 移 向 量 。 若假定为谐 运 动 ， 模 态 分 析 的 运 动 方 程 可 以 转 化 为 公 式
（ ２ ） 。
钢 管 混 凝 土 拱 桥 是 我 国 公 路 上 广 泛 使 用 的 一 种 桥 梁 结 构 型 式 。 钢 管 混 凝 土 拱 桥 以其 型 式 优 美 、 结 构 受 力 合 理 等 优 点 得 以在 中 、 大 跨 径 的 桥 梁 设 计 中 广 泛 应 用 ］ 。近 年 来， 钢 管 混凝 土 拱 桥 也 成 为 国 内 外 桥 梁 专 家 研 究 的 重 要 对
Ｉ Ｋ一∞ ｆ 一０
（ ２ ）
由于 钢 管 混 凝 土 拱 桥 的 跨 度 较 大 ， 结 构复 杂 ， 自 由 度
象， 其中主要 的研究 领域 为其 静 力性 能 ， 而 成 果 也 主 要 集 中在 对 其 结 构影 响 较 大 的极 限承 载 力 、 收 缩 徐 变 等 结 构 方 面 。但 是 在 对 钢 管 混 凝 土 拱 桥 的 动 力 性 能 分 析 方 面 却 研
以某 三 跨 中承 式 双 飞 燕 钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 为 例 ， 跨 径组 合 为 ８ ０ ｍ＋３ ６ ８ ｍ＋ ８ ０ ｍ。边 跨 、 主 跨 拱 脚 均 固 结 于 拱 座 。 边跨 曲 梁 与 边 墩 之 间 设 置 轴 向 活 动 盆 式 支 座 ， 在 两 边 跨 端部之间设置钢铰线 系杆 ， 通 过 边 拱 平 衡 主 拱 拱 肋 所 产 生 的 水 平 推 力 。桥 面 设 置 ２ 双向纵坡 ， 横 向设 ２ 双 向横 坡， 全 桥 桥 面宽 度 为 １ ６ ． ０ ｍ。 全桥 吊杆 和 立 柱 间 距 为 ８ ｍ。 模 型 材料 参 数 见 表 １所 列 。 表１
钢筋混凝土拱桥结构受力特点及设计
钢筋混凝土拱桥结构受力特点及设计摘要：钢筋混凝土拱桥形式古朴、优美，是景观桥梁常用的结构形式。
拱桥结构能够充分利用混凝土的抗压能力,养护维修费用低。
本文以北京新八里桥为例，通过有限元软件对该桥梁进行静力、抗震分析，最后得出结论。
希望为今后同类型的桥梁设计提供一些借鉴作用。
关键词：钢筋混凝土拱桥有限元、结构分析设计实例Mechanical Characteristics and Design of Reinforced Concrete Arch Bridge1 前言拱桥造型优美、庄重、大气，同时其结构形式多样，在城市景观桥设计中经常选用拱桥结构。
拱式结构在荷载作用下，两端将产生水平推力，从而使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，使之成为偏心受压构件，截面应力分布均匀，可以充分利用主拱截面材料强度。
2 钢筋混凝土拱桥结构特点2.1 钢筋混凝土拱桥优点外形美观，跨越能力较大，截面应力均匀，能充分的利用混凝土抗压能力，耐久性好，维修、养护费用低，构造较简单[1]。
2.2 钢筋混凝土拱桥缺点自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构工程量，当采用无铰拱时，对地基条件要求较高，由于拱桥水平推力较大，在连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采用较复杂的措施，如单向推力墩。
3 新八里桥工程3.1 工程概况新建八里桥位于通燕高速旁通惠河上现状八里桥上游。
新建桥梁全长81.0m，桥梁断面全宽26.6m，断面布置为：3.0米（人行道）+10米（行车道）+0.6米（双黄线）+10米（行车道）+3.0米（人行道）。
上部结构为一孔等截面悬链线钢筋混凝土箱型拱桥，主拱跨径为1-55m，矢高f=8.1米，矢跨比f/L =1/6.79，拱轴系数m=2.8398，主拱高1.35m，宽24.3m；腹拱拱轴跨径6.0米、矢高f=1.2米，矢跨比f/L =1/5的等截面圆弧板拱，腹拱高0.3m，宽24.3m；下部结构桥台为薄壁台身接承台, 基础为钻孔灌注桩，台身厚1.2m，在距离承台4.5m位置渐变宽至2.932m,桥台宽26.3m；承台尺寸：长x宽x厚为26.3x13.2x3m；桩基直径2m，每个桥台布置15根桩，顺桥向布置3排，每排5根。
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【钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析】钢管混凝土
拱桥结构及受力特点分析
某中承式钢管混凝土拱桥拱肋的理论计算跨径为152m，拱肋直径1.5m，厚度为2cm，内部浇筑C50混凝土，计算矢高为47m，矢跨比为1/3，拱肋拱轴线采用倒悬链线，拱轴系数为1.55。
拱肋采用圆形截面，主梁采用扁平流线形钢箱截面，拱肋设18对吊杆。
下部结构为钢筋混凝土拱座及承台接钻孔灌注桩基础。
桥面铺装采用6cm 厚环氧沥青。
钢箱梁主体结构均采用Q345-C钢，钢箱拱肋结构采用Q345D钢，其技术指标应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）的相关要求，盖梁及墩柱采用C40混凝土，拱座及承台采用C30混凝土，基桩采用C25混凝土。
桥梁设计荷载为公路-I级，人群荷载5.0KN/m2；环境类别为II类；设计安全等级为一级。
Midas/Civil有限元模型
使用Midas/Civil建立全桥模型，本桥3D模型按照桥梁设计选择相应的材料和截面特性。
模型划分共计368个节点，378个单元，其中梁单元360个，桁架单元18个，考虑到的各作用效应有：（1）恒载：自重以及设计荷载；
（2）均匀温度：结构因均匀温升、温降，梯度温升、温降产生的作用效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定计算。
（3）支座沉降：支座不均匀沉降按1cm考虑。
（4）车辆荷载：按最不利车辆荷载考虑，车辆为公路—I级五车道，人群荷载为5.0KN/m。
本桥考虑2.5%的桥梁纵坡。
模型节点单元见图3。
其中，拱肋单元编号为155~322，共计167个单元。
图1 钢管混凝土拱桥有限元模型
永久作用分项系数按照作用对结构承载能力不利的情况选取，可
变作用分项系数按照规范的要求进行取值。
各荷载组合系数见表3。
表3 荷载组合系数
名称荷载工况组合系数
结构恒载自重+二期1.1
车辆荷载公路—Ⅰ级1.4
支座沉降1cm 1.0
温度荷载±20℃ 0.7
计算结构自重+二期+车辆荷载+升、降温效应（±20℃）+支座沉降（1cm）作用下的拱肋内力。
根据分析结果，提取拱脚处最大荷载，见表3.7。
表4 拱脚处荷载最大值
工况轴力（KN）剪力（KN）弯矩（KN.m）纵
-*****.5 -490.03 *****.51
拱座有限元模型
设计中拱座采用的是强度等级为C30的混凝土，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ D62-2004）第3.1.2条规定，钢筋混凝土构件混凝土强度等级不应低于C20。
因此，为了便于对比分析采用不同标号的混凝土拱座主拉应力和主压应力的变化情况，建立了C20、C25、C30、C35和C40五组不同强度等级混凝土拱座模型，用以观察拱座内力变化的情况，进而确定合适的混凝土标号。
根据圣维南原理，如果把物体的一小部分边界上的面力变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。
拱脚的局部应力分布只与邻近区域的应力状态有关，远离拱脚区域的应力状态对拱脚处的应力分布影响很小，可以忽略其对拱脚处应力分布的影响，因此对加载区域进行延长处理消除应力集中的影响，可以满足要求。
分析中取0.5m长的拱肋。
由于五组模型在单元划分、荷载、边界条件等方面均保持一致，区别仅在于选用不同强度等级的混凝土，这种处理方式既方便了模型的建立，又能够在相同条件下比
较准确地分析不同强度因素对主拉应力和主压应力的影响效果。