钢管混凝土系杆拱桥特点及稳定性探讨
钢管混凝土拱桥结构稳定分析
钢管混凝土拱桥结构稳定分析1 引言对于钢管混凝土拱桥结构稳定分析，目前都是采用有限元等数值计算方法。
从本构关系来考虑稳定问题可以分为弹性稳定与弹塑性稳定，而弹性稳定又从是否考虑几何非线性、初始缺陷等因素又分为线弹性稳定和非线性弹性稳定。
线弹性屈曲分析假设结构失稳状态为弹性小变形，结构内力与外荷载成比例关系，结构的稳定分析就转化为求特征值问题，求得最小特征值即为失稳临界荷载。
线性屈曲分析计算简便、概念清晰，但其理论基础是分支点稳定理论，只适用于理想结构。
由于施工环节会存在不可避免的施工误差，最后成形的拱轴线与设计的理想轴线会有偏离;此外，拱肋在结构自重及外荷载作用下，将产生较大的变形，稳定计算必须计入初始缺陷及大位移的影响，所以基于极值点失稳为理论基础的计入双重非线性的弹塑性稳定问题越来越来重要[1]。
本文对拱肋采用统一理论模型进行模拟，通过求解结构从加载开始到失稳全过程的结构响应，得到全过程荷载位移曲线[2]，从而探讨几何非线性和材料非线性对整体稳定性影响。
2 稳定理论及基于ANSYS的应用2.1第一类稳定分析第一类稳定可归结为如下特征方程：求解时，先对结构施加一个参考荷载，求出对应的几何刚度矩阵，然后代入（1）式，求解广义特征值，解出最小特征值，即可得出临界荷载。
且令为第一类稳定问题的稳定安全系数[3]。
在基于ANSYS进行线弹性屈曲分析中有以下几点需要注意：（1）线弹性屈曲稳定分析前要先进行线弹性静力分析，在此过程中必须要打开预应力效应开关，因为这样才能计入参考荷载所对应的几何刚度矩阵。
其对应的相应命令为：Pstres。
（2）第一类稳定问题在数学方法上可以化解成矩阵特征值的问题。
对于求高阶矩阵特征值，主要采用子空间迭代法（Subspace Method）和兰索斯分块法（Block Lanczos）[4]。
（3）特征值对所有的荷载都作相应的缩放。
如果某些荷载是常数，例如结构的自重，而其它荷载是可变的。
浅谈钢管混凝土拱桥的稳定性
浅谈钢管混凝土拱桥的稳定性一、前言进入二十世纪以来，我国经济水平飞速发展，带动着建筑、文化、科技等诸多方面一同朝着更高的方向迈进。
在建筑领域，道路、桥梁等设施构成了经济发展的大动脉。
高原铁路、公路，大型、特大型桥梁的建成，不仅方便了普通老百姓的出行，更是为国民经济的发展的有力保障。
桥梁，起着承前启后，联通两地的作用。
尤其是在山间河谷、崇山峻岭之间，桥梁的作用更是毋庸置疑，不仅作为沟通的纽带，更具有颇高的美学价值，也是沿途一道亮丽的风景线。
而这其中又数拱桥的美学价值最高。
拱桥在我国具有非常悠久的历史，不管是在数量、形式，还是技术水平上，我国都有着很高的成就。
聪明智慧的祖先们已经将拱桥的技术应用的炉火纯青。
现存世界上最古老的拱桥就是我国的赵州桥，距今已经有1400多年的历史，采用了“敝肩式”结构，即在大拱的两肩上再辟小拱，这在当时是石拱桥结构中最先进的一种。
拱桥的分类有很多，单从所采用的原材料来说，包括：石拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥[1]。
而在目前，值得每一个中国桥梁人骄傲的是，这四种拱桥的世界跨径纪录都在中国境内。
最长跨径为550米的上海卢浦钢拱桥。
在目前的设计施工中，混凝土拱桥应用最广。
我国的桥梁人也在设计施工过程中积累了丰富的经验，为后续混凝土拱桥的设计、施工奠定了扎实的基础。
二、钢管混凝土拱桥技术特点随着近年来各种新技术、新装备的不断出现，钢管混凝土拱桥技术以其独特的优点，逐渐获得了桥梁设计师和普通民众的青睐，该技术也发展迅速。
如图1所示，为苏州寒山（马运）大桥的实景照片。
钢管混凝土拱桥的特点包括：图1. 重庆巫山钢管混凝土拱桥1. 桥身曲线造型优美，线条流畅，张弛有度。
高贵优雅与气势宏伟合二为一。
2. 采用钢管和混凝土两种材料，共同施工。
拱肋的形状、样式设计灵活，因地制宜，在满足功用的前提下可以进行一些合理的改进设计，保证桥梁的功用和美学价值合二为一。
3. 由于特殊的桥体形状，对拱桥支脚处产生两个方向的力，一是竖直压力，二是水平推力。
钢管混凝土拱桥稳定性的计算理论简述
钢管混凝土拱桥稳定性的计算理论简述摘要：本文针对钢管混凝土拱桥的稳定性问题，从理论计算的角度对其进行了探讨。
首先简述了钢管混凝土拱桥的构造特点和受力情况，然后介绍了钢管混凝土拱桥的设计原则和设计计算方法。
接着阐述了钢管混凝土圆形拱桥的静力分析方法，并针对桥墩的稳定性进行了数值模拟计算。
最后对钢管混凝土拱桥的稳定性进行了评估，并提出了相应的加固措施。
关键字：钢管混凝土拱桥，稳定性，设计原则，设计计算方法，数值分析，加固措施。
1. 引言钢管混凝土拱桥是一种新型的桥梁结构，具有承载力大、刚度好、耐久性强、施工方便等优点，特别是在跨度较大的工程中表现出了明显的优越性。
然而在钢管混凝土拱桥的设计和施工中，其稳定性问题一直是困扰工程师们的难题。
本文旨在探讨钢管混凝土拱桥的稳定性问题和相应的解决方法，为相关工程实践提供参考。
2. 钢管混凝土拱桥的构造特点和受力情况钢管混凝土拱桥是一种以钢管为骨架、混凝土为填充物的桥梁结构。
其构造特点主要包括以下几方面：（1）柱与拱采用钢管混凝土结构，两者通过锚固套筒连接起来，形成整体结构；（2）拱段分布顺应曲线，通过节点连接完成整个结构；（3）横向变位通过悬臂梁与拱顶连接传递；（4）桥面铺装采用钢筋混凝土铺装层覆盖沥青路面。
钢管混凝土拱桥所受的荷载作用主要分为水平荷载和垂直荷载两种。
水平荷载包括风荷载和地震荷载，作用于桥梁的平面上。
垂直荷载包括自重和交通荷载，作用于桥梁的竖直方向上。
在桥梁的使用过程中，还可能出现冰雪荷载、水流荷载等非常规荷载。
3. 钢管混凝土拱桥的设计原则和设计计算方法（1）设计原则钢管混凝土拱桥的设计应符合以下原则：① 桥面宽度应符合交通规定，并满足行车安全和通行舒适性要求；② 拱形应满足静力平衡和刚度要求；③ 桥墩应满足稳定性和承载能力要求；④ 施工应符合安全、经济、高效的要求。
（2）设计计算方法钢管混凝土拱桥的设计计算方法应分为静力分析和动力分析两部分。
系杆拱桥的稳定性分析
系杆拱桥的稳定性分析摘要：介绍钢管混凝土拱桥一类稳定问题，以一座计算跨径为80.6 m的系杆拱桥为研究对象，建立空间有限元模型，对结构进行屈曲分析，计算出各几何参数对体系一类稳定影响，总结出一般性结论，为优化结构设计提供依据。
关键字：拱桥；几何参数；稳定分析；有限元法0 引言桥梁结构的失稳现象表现为结构的整体失稳或局部失稳。
结构稳定问题的两种形式：第一类稳定，分支点失问题；第二类稳定，极值点失稳问题。
第一类稳定分析，是指如果拱所承受的荷载达到一定的临界值时，拱的平衡状态会丧失稳定性，这是由于拱的平衡状态出现了分支，使原来的平衡状态失去了稳定性转向新的平衡状态。
第二类稳定分析，对于大跨度拱桥，由于其宽跨比相对较小，相对刚度较弱，在外界因素作用下结构的内力除了轴向力外，弯矩，扭矩所占的比重比较大，结构的变形为非线性状态，结构的受力性能由弹性状态进入非弹性状态，从而使得结构发生压溃破丧失了结构的稳定承载力，这种现象称之为拱的承载能力破坏(即第二类失稳破坏)。
1 稳定分析有限元原理根据空间梁单元的应变能以及利用极值条件，可以得到空间梁单元的刚度方程为：式中：是空间梁单元的弹性刚度矩阵；是空间梁单元的几何刚度矩阵。
设增大入倍, 则杆力和几何刚度矩阵也增大入倍, 因而可以写出下式：如果入足够大, 使得结构达到随遇平衡状态，即当变为, 上列平衡方程也能满足；则同时满足上面两式的条件是：这就是计算稳定安全系数的特征方程，求出的最小特征值就是最小的稳定安全系数。
2 稳定性计算及分析2.1工程算例及计算模型的建立本文以某下承式钢管混凝土系杆拱桥为研究对象，分析几何设计参数对其稳定性的影响。
主桥采用上下行分离、下承式钢管混凝土系杆拱，计算跨径L=80.6m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5，矢高f＝16.12m。
系梁采用变截面矩形断面，跨中梁高1.8m，支点梁高2.4m，梁宽1.4m。
横梁为预应力混凝土结构，端横梁高1.80 m，宽1.30 m，中横梁高1.57 m，宽1.30m；风撑采用钢管结构，断面采用圆形，半径为0.85 m，钢管由14 mm厚的Q345C钢板卷制焊接而成；拱肋采用钢管混凝土结构，断面采用哑铃形截面，钢管直径为0.9 m，截面高1.9m，钢管由14 mm厚的Q345C钢板卷制焊接管，内灌C40微膨胀混凝土；吊杆采PES5-61镀锌平行钢丝索。
下承式钢管混凝土系杆拱桥的施工阶段力学研究与稳定性分析
下承式钢管混凝土系杆拱桥的施工阶段力学探究与稳定性分析专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。
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钢管混凝土拱桥施工关键技术及稳定性分析
钢管混凝土拱桥施工关键技术及稳定性分析Chapter 1 Introduction钢管混凝土拱桥是现代桥梁结构中的一种重要形式，近年来在各种道路和铁路工程中得到了广泛的应用。
钢管混凝土拱桥的优越性能在于它具备了钢管和混凝土桥梁的优点，能够在大跨径和高荷载条件下承载结构，同时有较高的抗震能力和耐久性。
钢管混凝土拱桥的施工过程是一个具有挑战性的任务，它需要高度的技术知识和经验。
本文将介绍钢管混凝土拱桥的施工关键技术及稳定性分析。
首先，将介绍钢管混凝土拱桥的基本结构和设计要求。
其次，将讨论钢管混凝土拱桥的施工序列和关键技术。
最后，将对钢管混凝土拱桥的稳定性进行分析，以确保钢管混凝土拱桥的安全和可靠性。
Chapter 2 钢管混凝土拱桥的基本结构和设计要求钢管混凝土拱桥是由钢管和混凝土构成的，它具有轻质、高强、高刚性和良好的抗震性。
在设计中需要满足一些特殊要求，以确保桥梁的可靠性和安全性。
2.1 结构形式钢管混凝土拱桥是由一组弧形钢管和连接的混凝土组成的拱桥。
桥面直接支撑在钢管上，钢管和桥面一起受力。
为了保证桥梁结构的平衡和稳定，弓形钢管在跨度方向上把力传递到钢柱和混凝土砌块上。
钢管混凝土拱桥桥面上一般铺设混凝土板或钢板。
2.2 设计要求设计钢管混凝土拱桥需要满足以下要求：（1）满足各种相应的载荷要求，如荷载、地震、温度和疲劳等要求。
（2）搭建时拱出形状应满足理论形状，应校核拱形。
（3）设计应满足桥梁的稳定性，避免拱桥的侧扭和侧向振荡等现象。
（4）充分考虑钢管的保护性能，防止钢管的腐蚀和老化，确保整个结构的耐久性。
Chapter 3 钢管混凝土拱桥的施工序列和关键技术钢管混凝土拱桥的施工编排顺序应遵循钢管——加固空间网壳结构——混凝土固化。
钢管的高强度和铺装混凝土能极大地保护钢管不受机械损坏，从而延长桥梁的使用寿命。
3.1 钢管安装在施工中，首先需要进行钢管的加固与安装。
钢管的加固和安装关系到桥面的质量和稳定性，是整个结构的基础。
大跨径铁路钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析
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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。
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钢管混凝土系杆拱桥特点及稳定性探讨
摘要：对钢管混凝土系杆拱桥的特点进行了描述，对钢管混凝土系杆拱桥的设计和施工过程中不可忽略的因素——稳定性进行了归纳和总结，并且进一步对稳定性的影响因素进行了探讨。
关键词：钢管混凝土，系杆拱桥，稳定性
1 引言
钢管混凝土拱桥具有跨越能力强的特点，我国已建成的钢管混凝土拱桥有四川旺苍东河大桥、广东高明大桥、广州丫髻沙大桥等。
其中跨径110m的四川旺苍东河大桥是我国第一座钢管混凝土拱桥，其结构形式为的下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥[1]；跨径112.8m、全宽26m的佛陈大桥是我国同类结构中在跨度和宽度上均具有代表性的一座下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥。
2 钢管混凝土系杆拱桥特点
钢管混凝土系杆拱桥兼有钢管混凝土结构和系杆拱桥的特点：作为钢管混凝土结构，因钢管内填充了混凝土，增加了钢管壁受压时的稳定性，而且钢管壁对混凝土起套箍作用，使管内混凝土处于三向受压状态，充分发挥了混凝土的抗压强度、提高了混凝土的延性；作为系杆拱桥，系杆拱组合体系将拱肋的推力传给系杆，使体系成为外部静定、内部超静定的结构，系杆和拱肋均有一定的刚度，荷载引起的弯矩在系杆与拱肋之间按刚度分配，它们共同承担体系的轴力和弯矩。
系杆拱桥主要分为有推力和无推力组合体系，无推力系杆拱桥能够较好地适应不良地层和具有较小的建筑高度，主要由拱助、吊杆、系杆(梁)三部份组成。
根据上下部分结构的联接方式，系杆拱又可分为两种，一种是上下部之间刚接，一种是简支，如图1所示[2]。
(a )简支形式
(b) 刚接形式
图1 系杆拱形式
3 稳定分析
由结构力学知识可知，拱桥以承受压力为主，拱肋的受力情况为承受一定的弯矩、扭矩和剪力。
在对拱桥进行施工和运营时，若拱结构本身的刚度不足会发
生失稳的情况，因此保证拱结构的稳定性是拱桥设计和施工需要考虑的一个不可忽略的因素。
钢管混凝土拱桥的失稳有两种性质不同的失稳形式：分支点失稳和极值点失稳。
分支点失稳，其平衡路径有一突变尖点，失稳前平衡路径稳定，失稳后平衡路径可能不稳定，如理想无缺陷结构的失稳。
对于极值点失稳，失稳前后无明显的突变，但存在一个最大荷载。
当达到最大荷载后，进入不稳定状态，荷载迅速下降，发生大变形。
如果结构有初始缺陷，则它的失稳属于极值点失稳[3]。
对应这两种失稳采用的分析方法：第一类为线弹性最小特征值屈曲问题，用于确定一个理想弹性结构的理论屈曲强度；第二类为极值点问题，即考虑了结构几何非线性和材料非线性情况下的极限承载力问题。
第一类稳定问题在理论分析上和工程应用上都占有重要地位，这是由于第一类稳定问题力学概念较明确，可归结为在数学上的特征值问题，求解相对容易，并且第一类和第二类稳定问题有着良好的相关性，往往代表着第二类稳定问题的上限，所以工程中通常以第一类稳定问题的计算结果作为设计的依据。
由于拱会受到风荷载作用、施工过程中存在拱轴安装上的误差等原因，拱桥建造过程中的稳定问题属于第二类稳定问题。
用荷载增量法求解非线性的有限元增量平衡方程，计算结构失稳的临界荷载，并且考虑了单根构件因荷载局部作用及初始缺陷等影响所造成的先期失稳现象，采用构件的极限承载压力予以解决，稳定分析中还计入了施工过程的应力与变形的叠加效应，并考虑了钢管混凝土的套箍效应和风荷载的横向作用[4]。
桥梁结构的空间稳定性分析中，失稳模式分为面内失稳和面外失稳，按稳定性分析过程中结构的位移变化率判别[4]。
实际拱桥设计中，由于按第二类稳定问题分析拱的稳定性相当复杂，所以对中小跨度的拱桥多按第一类稳定理论验算拱桥的稳定性。
单拱面系杆拱桥吊杆、系杆(梁) 与拱肋共同作用，必须计算其第二类稳定性。
钢管混凝土系杆拱桥的失稳主要发生在施工阶段，主要危险是第一类稳定问题，拱的最终压溃倒塌通常是在屈曲或侧倾以后发生。
拱桥结构的稳定性，通过保证稳定安全系数来进行，其表达式为：
其中，Pd为某阶段施工前已施加于结构的外荷载；Pc为某施工阶段作用的外荷载；为结构失稳时所加荷载的倍数。
现有《公路桥涵设计通用规范》[5]中有关拱的计算及稳定性分析资料都是基于裸拱的分析结果。
而对系杆拱桥吊杆刚度密度的计算并未说明，因此在设计过程中，对此应引起注意。
4 影响稳定的因素
拱桥稳定性的影响因素中，起较大影响作用的因素为拱肋自身刚度、横撑形式、拱肋侧倾角。
横向风撑的布置形式和风撑的刚度均会影响到拱的整体稳定性，其中风撑的布置形式对拱桥的横向稳定性影响更大。
一般采用X 型或者K 型风撑可以提供较大的剪切刚度，效果比较理想。
对于中小跨径系杆拱桥来说，采用一字型横向风撑即可满足刚度要求。
当桥梁跨径较小时，往往不设置横向风撑。
从风撑刚度角度考虑，在拱肋切平面的抗弯刚度对临界荷载的影响最为显著。
风撑刚度的提高主要是具有增加对于拱肋自身转动的约束效果而增加拱桥的整体稳定性。
但是随着拱肋间距的增大，尤其当桥梁宽跨比较大时，增加风撑刚度对整体稳定性的提高作用会逐渐削弱而变得不太经济，此时以适当增加风撑数量比较合理。
5 结语
本文对钢管混凝土系杆拱桥的特点和稳定性进行了探讨，并总结列出了对拱桥的稳定性会造成较大影响的主要因素，供同类桥梁设计时作为参考之用。
注：本章内容的所有图表及公式以PDF形式查看。