下承式系杆拱桥的荷载试验分析
某系杆拱桥的侧向稳定承载力初步分析
某系杆拱桥的侧向稳定承载力初步分析摘要：本文运用参考文献[2]中的理论分析了某下承式系杆拱桥的侧向稳定承载力；并以大型通用有限元软件ANSYS为平台，对该拱桥进行建模，分析其失稳模态及稳定承载力。
有限元分析结果与解析解计算结果吻合良好, 两者相差5.5%。
分析假定条件可知，计算结果为理想线弹性解，其值为实际稳定承载力的上限，可以为分析该系杆拱桥稳定特性提供参考。
关键词：稳定性；系杆拱桥；线弹性；ANSYS1 引言拱桥是一种古老的结构形式，传统拱桥多建在基础较好的山区，平原地区修建拱桥基础处理比较麻烦，据调查资料，平原地区修建的拱桥几乎都出现了类似桥台位移，拱顶下降，拱肋开裂问题。
系杆拱桥是综合了拱结构和梁的组合体系桥，集两者的优点于一身。
首先，在受力性能上，充分发挥了梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用。
该体系是一种无推力或小推力的、可以自平衡的拱桥体系，因而不同于传统的有推力拱桥，其对墩台和基础的要求较低，适用性很强；同时，外部简支、内部超静定的系杆拱桥，对地基的不均匀沉降不敏感，适用于地基土质较差的地区。
其次，在施工方面，多数大、中跨度的系杆拱桥采用钢管混凝土结构作为拱肋，此处的钢管同时起到了支架、模板、配筋三大作用，大大简化了施工过程。
第三，在平坦的地区或城市，采用中、下承式系杆拱桥可以降低桥面高度，从而减少引道工程量，降低造价。
第四，系杆拱桥有着普通梁桥无法比拟的美学效果，建成后往往成为当地的一大景观，带来可观的社会经济效益。
由于以上显著优点，系杆拱桥在各个地区得到了广泛的应用。
在系杆拱桥结构中，作为主要受力构件的拱肋承受压力，其稳定性是结构设计中的重要问题之一。
2 工程背景该桥建成于1998年，整桥分为六跨，其中主跨50米为系杆拱结构，两根系杆，十一根横梁，横梁两端锚固在系杆上并分别由九根吊杆连接到主拱圈上。
其余跨为T型简支梁结构。
桥梁总宽20米，其中车行道净宽14米，人行道净宽2×3米。
大跨钢结构下承式系杆拱桥设计分析
大跨钢结构下承式系杆拱桥设计分析摘要：本文介绍了一座全钢结构下承式系杆拱桥的设计分析，重点从拱肋、纵横梁、桥面板、吊杆等主要构件方面探讨了桥梁的设计要点，并介绍了桥梁钢结构加工的焊缝形式、焊接质量要求等施工关键控制要点。
关键词：下承式；系杆拱桥；钢结构；焊接质量检验1 引言拱桥结构合理、受力明确、跨越能力大、能够充分发挥材料性能，在大跨桥梁中被广泛应用，同时由于其结构新颖、造型美观，近年来在城市景观桥梁中应用也越来越广泛。
但此类桥梁构造复杂，设计及施工难度均较大。
本文结合工程实例，介绍了一座全钢结构下承式系杆拱桥的设计分析，重点从拱肋、纵横梁、桥面板、吊杆等主要受力构件方面探讨了桥梁的设计构思，并针对桥梁钢结构较多、焊接工作量大的特点，介绍了桥梁钢结构加工的焊缝形式、焊接质量要求等施工关键控制要点。
本文对同类桥梁的设计及施工具有较大的参考价值。
2 工程概况本项目为城市跨河桥梁，由主桥及两侧引桥组成，全长226m，跨径布置为40m（引桥）+106m（主桥）+（2x40）m（引桥）。
主桥为单跨钢结构下承式系杆拱桥，引桥为预应力混凝土现浇箱梁结构，桥梁全宽50m。
桥梁总体布置图3 主要技术标准根据桥梁结构特点、建设规模、使用环境条件等因素，桥梁设计采用的主要技术标准如下：道路等级：城市主干路，设计车速60km/h；结构安全等级：一级，重要性系数：1.1；桥梁设计基准期：100年；荷载标准：汽车荷载：城市—A级，人群荷载：3.5kN/m2；抗震设防烈度：抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度值为0.15g。
4 主桥结构设计本项目主桥为单跨钢结构下承式系杆拱桥，跨径106m，横断面全宽50m。
主桥由拱肋、纵横梁、桥面板、吊杆等主要受力构件组成。
拱肋：主桥横桥向共设置三道拱肋，横向间距19.9m，立面呈非对称形偏态拱，最高点处拱高19m，矢跨比为1/5.6。
拱肋截面呈倒梯形，横截面高度总体呈跨中高两侧低，靠拱脚处截面高1.8m，截面高度向跨中方向逐渐增大，待增大至4.5m后逐渐减小至拱脚处的1.5m。
高速铁路下承式钢箱系杆拱结合桥的受力分析
第５期
周 德，等：高速铁路卜．承式钢箱系杆拱结合桥的受力分析
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载进行补载。其主要原因是：在自重作用下，为保证 模型和实桥应力一致，模型材料容重应为实桥的８倍，
和６以及两侧腹板中点ｃ和巩在这４个测点中，上、 下翼缘中点口和６的应力之差反映怪向弯曲，而两侧
这实际上不可能做到，因此，采取了补载措施【９】。 ２．２加载方法
ｈｉｎｇｅ ｊｏｉｎｔｓ ｄ嘶ｎｇ ｉｎ－ｐｌａ鹏ｂｅＩｌｄｉ】唱ｍｏｍｅｎｔ．Ａｄｏｐｔｉｎｇ ｂ似ｂｅａｎｌｓ姐ｄ ｌａｒｇ既ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｍｓｉｏ璐，ｔｈｅ
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ｏｎ‰一Ｇ啪ｇｚｈｏｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔ０蚰幽－ｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｆ．ｏＩ．ｃｅ·ｂｅ撕ｎｇ ｃｈａｆａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｒｏｕ曲ｔｉｅｄ—ａｒｃｈ ｃｏｍｐｏｓｉ钯晰ｄｇｅ，ａ ｌ：８ ｓｃａｌｅ ｍｏｄｅｌ ｗ够
大跨度钢管混凝土系杆拱桥荷载试验研究
大跨度钢管混凝土系杆拱桥荷载试验研究摘要：荷载试验是新建桥梁评定验收的重要手段，通过荷载试验，可以检验桥梁结构的设计与施工质量，判断桥梁结构的实际承载能力。
本文阐述了某两跨钢管混凝土系杆拱桥的概况、加载方案设计、测点布置及测试结果，试验表明：该桥的承载能力、结构刚度及动力特性均满足设计要求。
关键词：钢管混凝土系杆拱桥；荷载试验；承载能力；结构刚度；动力特性1 工程概况该桥主跨为2×160m下承式钢管混凝土系杆拱桥。
主拱为横哑铃形桁式拱，拱轴线为悬链线，拱轴系数1.167，矢跨比1/5，拱肋为钢管混凝土桁式结构，截面全宽2.0m，高度为3.6m。
每片拱肋由4根钢管组成（弦杆内灌注C60微膨胀混凝土）。
上、下弦横向两根钢管之间分别用钢板作为平联。
每跨拱肋设置1道一字型横撑，2道K型横撑。
设计荷载为公路I级。
全桥布置图如图1所示。
2 荷载试验荷载试验的目的是验证桥梁结构的设计理论和计算方法是否合理，检验设计及施工质量，判断桥梁结构的实际承载能力，了解桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用阶段的动力性能。
结合本桥的结构特点，选取拱脚、L/4、拱顶截面以及4#、5#墩墩底截面作为结构内力控制截面，并以此安排加载工况。
2.1 静载试验加载方案采用Midas/Civil建立全桥的空间有限元模型，通过计算分析，加载车辆选取450kN双桥车（前轴重90kN，中后轴均为180kN，前中轴轴距4m，中后轴轴距1.4m）进行加载，各静载试验工况的效率系数如表1所示。
从表中可以看出，效率系数位于0.95～1.03，满足交通部《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011，以下简称“评定规程”）的要求。
2.2 测点布置及测试仪器主拱挠度测点分别布置在上下游拱肋的两侧拱脚、L/4、拱顶、3L/4处，桥面挠度测点布置于拱肋测点对应位置，全桥共设挠度测点40个，采用全站仪进行挠度观测。
主拱截面应力测点布置如图2所示（图中三角形为应变测点），除拱脚截面为16个测点外，L/4、拱顶和3L/4截面均布置8个应变测点，全桥共设应变测点112个，采用外贴振弦式传感器测量主拱肋应变。
某下承式系杆拱桥的结构受力分析
某下承式系杆拱桥的结构受力分析叶博【摘要】以某下承式系杆拱桥为研究背景,运用Midas/Civil软件建立全桥有限元模型,分别对该桥吊杆、拱肋和系杆结构的轴力及弯矩进行数值分析,得出以下结论:1)活载引起吊杆、拱肋和系杆的轴力与弯矩值仅为恒载的1/10左右;2)恒载和活载作用下,拱肋、系杆与吊杆固结处产生附加内力随着时间推移会致使吊杆产生损伤.3)系杆拱桥的吊杆、系杆结构在恒载与活载作用下均处于受拉状态,故布置于结构内的预应力钢束能有效改善自身受力状态.【期刊名称】《兰州工业学院学报》【年(卷),期】2017(024)006【总页数】4页(P41-44)【关键词】下承式系杆拱桥;Midas/civil;吊杆;系杆;拱肋【作者】叶博【作者单位】山西省交通科学研究院,山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】U448.22下承式系杆拱桥主要由吊杆、拱肋以及系杆组成，其中吊杆仅承担轴力，拱肋承压为主承弯为辅，而系杆均承担弯矩和轴力，构成一个梁拱组合结构体系共同承受荷载[1-4].20纪中期，系杆拱桥逐渐在我国得到广泛运用，如临清卫运河桥、扬州大运河桥等，均为下承式系杆拱桥结构[5-6].近年来，由于国内部分系杆拱桥的建时过久，使用频率较高，且当时设计和施工阶段技术不成熟，导致目前许多下承式系杆拱桥出现诸多问题[7-8].基于此，笔者以某下承式系杆拱为研究背景，运用Midas/Civil软件建立全桥有限元模型，分别对该桥吊杆、拱肋和系杆结构的轴力及弯矩进行数值分析，研究结果可为同类桥梁设计与后期加固提供参考依据.某下承式系杆拱桥全长168 m，跨径布置为(2×22+72+2×22) m，桥面宽为：2×[1.9 m(人行道)+4.6 m(非机动车道)+2 m(分隔带)]+15 m(行车道)=32 m，设计荷载为：汽车-20级，挂车-100级.桥梁立面布置如图1所示.该桥主跨为下承式钢管混凝土系杆拱，计算跨径为72 m，矢高14.4 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线.拱肋采用圆形钢管混凝土截面，钢管外径为1.4 m，壁厚14 mm.系杆采用圆形截面，外径为0.8 m，壁厚10 mm，钢管内设有高强度低松弛预应力钢绞线；拱肋和系杆钢管内均使用C40微膨胀混凝土泵送填充.吊杆采用φ0.18 m圆形无缝钢管，壁厚14 mm，管内填充C30细粒式混凝土.运用Midas/Civil有限元软件建立下承式系杆拱桥计算模型，模型中拱肋、横撑、横梁、系杆、吊杆外套管均以空间梁单元进行模拟；桥面板及铺装层以板单元模拟；吊杆内预应力钢束采用初拉力形式进行张拉，并以桁架单元模拟，拱桥计算模型具体如图2所示.模型坐标系中XYZ分别表示拱桥的纵向、横向与竖向，原点O设置于某一拱脚处，将原点处支座进行固定，并分别约束其纵桥向支座的Y方向和横桥向支座的X方向，其余支座则设定为活动支座.另外，模型中拱肋和系杆采用固结连接.拱桥模拟过程中采用简化计算方法，将拱肋、系杆单元模拟成一种各项同性的材料，即将钢材和混凝土视为等效材料，并将其截面换算为等效截面.模拟中基本材料拟定为钢材，运用以下计算公式将混凝土换算成钢材.A=As+，I=Is+，γ=(γcAc+γsAs)/A.式中,s、c分别表示钢和混凝土；A、E、I、γ分别表示材料的面积、杨氏模量、惯性矩和容重.假定模拟材料均为各项同性.钢的弹性模量分别为E1=2.1×105 MPa，μ1=0.3；混凝土的弹性模量为E2=3.31×104 MPa，μ2=0.167；拱肋、系杆结构内钢-混的弹性模量比为6.34，比重为3.07.计算过程中恒载作用仅考虑结构自重，汽车活载根据《公路桥涵设计通用规范(JTG D60—2015)》中相关规定进行计算.吊杆是下承式系杆拱桥中的主要组成部分，其工作状态能反映出桥梁是否安全.通过对系杆拱桥内吊杆结构进行数值分析，获得恒载、活载作用下各吊杆的轴力变化曲线如图3所示.根据图3可知，恒载作用下吊杆左右幅的轴力变化一致，且拱桥两侧吊杆的轴力呈对称分布；而活载作用下吊杆左右幅的轴力变化差异相对较为明显，但两侧吊杆的轴力由于最不利荷载的布置差别较小，整体上仍呈对称分布.在恒载或活载作用下各吊杆均处于受拉状态，其中吊杆轴力主要由恒载作用引起，而活载作用的影响相对较小；各吊杆的轴力分布都比较均匀，且变幅较小.拱肋是系杆拱桥中主要的承重构件，其内力的控制对全桥整体受力和成桥线形起着决定性影响.通过对恒载及活载作用下拱肋结构的内力进行数值分析，获得各节点轴力与弯矩的变化规律如图4～5所示.根据图4可知，恒载作用下拱肋结构产生较大的轴向压力，两侧各节点的轴力呈对称分布，拱顶处轴力值最小，沿跨中向两侧拱脚逐渐递增；拱肋上下侧弯矩分别处于受压、受拉状态，其中拱顶处出现负弯矩，拱肋弯矩沿跨中向拱脚侧逐渐增大.从图5可以看出，活载作用下拱肋结构基本处于受拉状态，其轴力由拱脚往拱顶逐渐递减，两侧轴力分布对称，较于恒载作用，活载对拱肋轴线拉力的影响更小；拱肋全跨弯矩均为正弯矩，其中1/4跨处弯矩达到峰值，并分别向跨中、拱脚处逐渐减小.通过对拱桥系杆结构进行受力分析，分别获得恒载、活载作用下各系杆节点的轴力及弯矩变化规律如图6～7所示.根据图6可知，恒载作用下系杆全跨轴力均处于受拉状态，其中跨中处轴力值最小，且向两侧边跨方向逐渐递增，这是由于系杆与吊杆采用固结连接方式，故半刚性吊杆对系梁的轴力变化产生直接影响；而系杆全跨的弯矩分布较不规则，其原因为系杆在吊杆轴向力影响下产生数个集中力，致使吊杆与系杆固结处的弯矩发生突变.从图7可以看出，活载作用下系杆全跨轴力也均表现为受拉，但轴力变化与恒载作用差距较大，其中两侧1/4跨处轴力值最大，且逐渐向跨中及边跨减小；活载作用下系杆和吊杆固结处弯矩存在较小突变，但系杆全跨仍处于正弯矩，这是由于活载作用引起的吊杆轴力并不明显，而恒载对吊杆轴力影响较大.通过对某下承式系杆拱桥的结构受力进行数值分析，分别得出恒载和活载作用下吊杆、拱肋、系杆的结构内力变化规律，其结果可为同类桥梁设计与后期加固提供参考依据.1) 活载作用下吊杆、拱肋和系杆的内力变化明显要小于恒载作用，活载引起各构件的轴力与弯矩值仅为恒载的1/10左右.2) 恒载和活载作用下，拱肋、系杆与吊杆固结处会产生不同程度的附加内力，当拱桥长期使用时，附加内力能逐渐致使吊杆产生损伤.3) 系杆拱桥的吊杆、系杆结构在恒载与活载作用下均处于受拉状态，故布置于结构内的预应力钢束能有效改善自身受力状态，但桥梁长期使用过程中吊杆结构内钢束的预存力会逐渐减小，故可通过增设吊杆以增强拱桥承载能力.【相关文献】[1] 韩保勤.钢答混凝上拱桥吊杆张拉方案比选[J].桥梁建设,2015,45(1):114-119.[2] 赵铭伟.增大截面法在拱桥加固中的应用[J].山西交通科技,2017(1):57-60.[3] 欧阳辉来，张万华.新开河大桥拱脚设计及局部应力分析[J].世界桥梁，2009(3):33-35.[4] 杨剑，邹团结，汪金胜.梁拱组合拱桥拱脚局部应力分析和试验研究[J].铁道科学与工程学报，2014(6)：25-29.[5] 于刚.九堡大桥设计过程复杂节点局部分析[J].城市道桥与防洪，2011(12)：30-33.[6] 刘芳.下承式钢管混凝土拱桥空间稳定性与极限承载力研究[D].长沙:中南大学，2008.[7] 曾勇，马如进，谭红梅.大跨上承式钢管混凝土拱桥的动力特性研究[J].中外公路，2014(3):113-117.[8] 陈建兵，熊秉贤，李夏元，等.钢管混凝土拱桥新增吊杆加固设计[J].世界桥梁，2016,44(5):83-88.。
某下承式混凝土拱桥动静载试验分析
２ 静载 试验 方案
为检 验该 桥实 际 承载 能力 ， 对 拱肋 和 系 杆 控制 截 面在 试验 荷载下 的挠 度 与应力 进行测 试 。
２ ． １ 测试截 面的确定
用 等截 面“ Ｉ ” 字 形截 面 ， 梁高 １ ． ４ ｎ， Ｉ 宽 １ ． ２ ｎ， Ｉ 为混 凝 土构 件 ， 每 片 拱 设 间距 为 ５ ． ３ ５ ｎ 的 吊杆 １ Ｉ ５根 ，
１ 工程概 况
南通 某 混凝 土系 杆拱 桥 横 向由 ２幅桥 组 成 ， 每 幅桥 面净 宽 １ １ ． ５ Ｉ ｌ ｌ ， 中间为 ２×１ ． ６ ｎ ｌ 的分 隔带 ， 全 宽２ ８ ． ２ ｍ， 桥 梁全长 ２ ９ ４ ． ６ ８ ｉ ｎ 。跨 径 布 置 为 ： ４×
２５ ｍ ＋８ ８． ４ Ｉ ｎ ＋４ ×２ ５ Ｉ ｎ。
８８ ４０
主桥采用 混 凝 土 下 承式 系杆 拱 ， 为 刚 性 系 ｃ ｍ】
性拱 ， 计算 跨径 为 ８ ６ ．１ ｎ， Ｉ 矢跨 比 １ ／ ６ ， 矢 高 为 １ ４ ． ３ ５ ｎ， Ｉ 拱 轴 线 为 二 次 抛 物 线 。 系 梁 采 用 箱 形 截 面， 梁高 １ ． ９ ｍ， 宽１ ． ２ ｎ， Ｉ 为全 预 应 力 构件 ； 拱 肋 采
Ｓｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎｄ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｌｏ ａ ｄ Ｔｅ ｓ ｔ ｓ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ａ Ｂｏ ｔ ｔ ｏ ｍ－ ｒ ｏ ａ ｄ Ｃｏ ｎｃ ｒ ｅ ｔ ｅ Ｔｉ ｅ ｄ Ａｒ ｃ ｈ Ｂｒ ｉ ｄ ｇ ｅ
Ｌｉ Ｂｅ ｎ ｆ ａ
（ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ １ ７ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
下承式拱桥方案分析
表 1 钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥
建成年份 年
跨径 m
矢跨比
2002 2003 2000 1997 1999 2000 2001 2007 1998 2002 1994 2004 1999 1994 1990
2003 2003 2003 2005 1997 1995 1995 2000 1998
2000
75 51+ 75+ 51 55+ 80+ 55 55+ 8316+ 55
80 80 80 51+ 80+ 51 90 90 92 99 105 11218 115 120 120 125+ 125 85+ 127+ 85 128 132 138 140 150 150 168 280
15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 14 15 15 15 16 15 16 15 15 15 15 15 15 1 415 15 1 415 15
2006 年 第 4 期 彭桂瀚等: 钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥型分析
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序号
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桥 名
锡宜高速跨京沪铁路大桥 福建福鼎桐山大桥 深圳芙蓉大桥 广东广州解放大桥 福建安溪兰溪大桥 福建福鼎山前大桥
推广应用。 本文在对这一桥型应用情况资料收集的 基础上, 对其结构参数、主要构造等进行分析, 以供 工程应用参考。
1 结构特点 刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中出现的新桥
型。与拱梁组合体系不同, 刚架系杆拱中拱肋与桥墩 固结, 不设支座, 采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡 拱的推力, 拉杆独立于桥面系之外, 不参与桥面系受 力, 而桥面系为局部受力构件不参与结构整体受力。
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
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