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异型梁拱组合桥施工及运营阶段力学性能分析

论文编号:lw201708152235088932 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年01月29日 论文作者:无忧论文网
1  绪论 

1.1  问题的提出
随着社会的进步、经济的腾飞,我国的桥梁建设取得了举世瞩目的成就,与此同时,人们对桥梁结构功能及景观方面的要求越来越高,传统桥梁已经无法满足,随之出现了一些有特色、有文化蕴意的桥型,其中有代表性的如异型梁拱组合桥。异型梁拱组合桥的造型中包含了拱的竖向弯曲线条和梁的水平线条,整体结构在空间上显得非常轻盈美观,很容易与周围环境相互协调,形成一处优美的风景。异型梁拱组合桥造型优美,揉合了普通拱桥和传统桥梁的优点,在城市和景观要求较高的地区越来越多地被采用[1]。 异型梁拱组合桥拥有突出的景观效应,但由于结构的异型,相比常规桥梁,此类桥梁结构的方案选型和结构设计、施工有一些特有的问题。 (1)异型梁拱组合桥为典型的空间受力体系,在成桥状态下,拱与其它构件都处于复杂的空间受力状态,结构行为与受力特点不易把握,有关桥梁整体设计和施工过程分析还有待深入研究。 (2)异型梁拱组合桥造型差异大,结构复杂,相互借鉴性小,且均为空间超静定结构,难以采用现有的解析法求解,必须使用计算机技术进行详细的数值分析,这就要求针对具体的桥梁建立相应的有限元模型进行数值分析。 (3)异型梁拱组合桥在建设过程中,对施工技术要求较高,且其施工过程对于桥梁的实际状态影响很大,不易与设计状态相吻合。 因此,正确分析异型梁拱组合桥的关键在于充分了解结构的受力特点、传力途径以及熟悉施工过程中结构的受力特征[2]。另外,在拱肋、拱脚、主梁等构件的传力过程中,当构件处于受拉或受压状态时传力效率最佳,体系最为合理,而复杂的异型梁拱组合桥,通常都会存在构件承受很大弯矩、扭矩、剪力作用的情况。
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1.2  组合拱桥的分类及特点 
根据拱桥与其它不同桥型结构组合所形成的类型,可以将组合拱桥分为梁拱组合桥、刚构拱组合桥、斜拉拱组合桥和悬索拱组合桥[3]。 在组合拱桥的四种分类中,应用最多、技术最为成熟的是梁拱组合桥;刚构拱组合桥因其独特的桥墩造型,近年来被采用的次数逐渐增加;斜拉拱组合桥和悬索拱组合桥结构比较复杂,施工难度大,较少被建造。梁拱组合桥,如图 1.1 所示,通常包括梁、拱、板、杆等两种及两种以上基本构件,兼具梁桥和拱桥的特点[4]。梁桥在自重和其它竖向荷载作用下,一般不会出现水平反力,其下部结构及基础主要承受上部传递的压力,同时由于竖向作用力几乎与梁纵向轴线相互垂直,则和同跨径的不同类型桥梁相比,梁内部易出现较大弯矩。但梁桥桥面平顺,施工方法成熟,造价经济,因此在已建的中、小跨径的桥梁中占绝大部分。拱桥在自重和其它竖向荷载作用下,拱肋为主要承重构件,承担绝大部分荷载的作用。拱桥的承载拱肋,利用其材料特性,充分发挥了圬工结构抗压的优势,而靠近拱脚部位的拱肋受力复杂,且承担很大的水平反力,因此拱脚处细节设计以及边界约束十分重要。梁拱组合桥通过梁与拱的合理组合,既可以发挥各自受力的优点,又能弥补彼此的不足。 
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2  郑东新区前程路大桥有限元模型 

2.1  工程概况 
郑东前程路大桥位于郑州市白沙园区,贾鲁河与前程路交汇处。2012 年 10月,建设单位向国内数家设计院进行了方案征集,通过专家评定和多方的遴选,确定以“六艺”的整体理念来设计白沙园区的六座桥,六座桥梁的“六艺”设计理念与古代的“礼、乐、射、御、书、数”六种技艺相对应。其中前程路桥的造型理念布局为“御之桥”,全桥为三跨中承式组合拱桥,大桥建成后将成为园区道路沿线的标志性建筑,而且是贾鲁河景观长廊的一道靓丽风景,也是郑东新区一座具有时代感、充满生机与活力的现代化桥梁,如图 2.1 所示。桥梁全长 218m,纵轴线与河道夹角为 66°,跨径布置为:37.08+137.78+37.13=212m,如图 2.2 所示。桥梁全宽 58m,为左右两幅,每幅宽 27m。中跨桥面以上拱肋为钢结构,对应的主梁段为钢结构,V 墩及次边跨箱梁组成的刚构为预应力混凝土结构,边跨为简支混凝土结构。桥梁每幅的横断面布置为:5.5m(人行道)+4m(非机动车道)+15m(机动车道)+2.5m(护栏)=27m,两幅桥之间的间隔为 4m。横梁为倒 T 型断面,按间距 3.6m 垂直于主纵梁布设,梁高 2.21m,底板宽0.7m。横梁分为三类,在主纵梁就位后,依次吊装焊接。小纵梁为倒 T 型断面,按间距 3.95m 平行于主纵梁布设,梁高 0.6m 和 1.5m,底板宽 0.6m。正交异性桥面板由钢桥面板和 U 肋组成,U 肋间距 0.6m。 V 墩上部采用现浇预应力混凝土等截面箱梁,梁高 2.2m。箱梁宽 27m,单

箱八室,横断面如图 2.5 所示。箱梁顶板厚 0.25 至 0.45m,底板厚 0.22 至 0.42m。腹板厚 0.45 至 0.75m。中横梁宽 3m,端横梁 A 和 B 纵向宽分别为 7.5m 和 2m,均为钢筋混凝土结构;跨中设一道横隔板,厚 60cm 并预留人孔,端横梁 B 端设牛腿,厚 95cm,深 1.25m,其上设置边跨简支箱梁,以协调梁端的竖向位移。  

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2.2  郑东新区前程路大桥有限元模型 
复杂异型梁拱组合桥的数值分析关键在于建立合理的有限元模型。在有限元模型建立的过程中,单元类型的选择、结构构件的模拟、边界条件的模拟是否准确,直接影响着后期计算结果的可靠性。因此,在全桥力学性能分析时,模型建立需要注意以下几条基本原则: (1)结构形状(包括构件的长度、宽度、厚度等)变化的要求; (2)材料特征(模量、容重、泊松比、热膨胀系数等)变化的要求; (3)连接单元特性(包括支座、阻尼限位设备等)变化的要求; (4)全桥恒载、汽车活载等作用模拟的要求; (5)问题求解计算精度的要求; (6)求解过程中不出现病态问题的要求。 在以上几条原则的基础之上,考虑到郑东新区前程路大桥东、西两幅桥构造一致,且相互无横向联系,以下分析取东幅桥为研究对象。 
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3  郑东新区前程路大桥一次成桥分析 ......... 22 
3.1  拱桥吊杆力的调整 ...... 22 
3.1.1  影响矩阵法 ....... 22 
3.1.2  基于影响矩阵法的吊杆力调整 ....... 23 
3.2  前程路大桥一次成桥计算结果分析 .......... 28 
3.3  有限元模型计算结果对比 .......... 37 
3.4  本章小结 ...... 39
4  异型梁拱组合桥施工过程仿真分析 ......... 40 
4.1  桥梁施工过程仿真分析 ...... 40
4.2  前程路大桥施工方案 .......... 41
4.3  前程路大桥施工过程计算结果分析 .......... 45
4.4  成桥阶段桥梁线形分析 ...... 56 
4.5  本章小结 ...... 58 
5  异型梁拱组合桥运营阶段分析 ......... 60 
5.1  活载作用计算分析 ...... 60 
5.1.1  最不利活载作用下混凝土结构的受力及变形 ....... 62 
5.1.2  最不利活载作用下钢结构的受力及变形 ....... 63 
5.2  温度作用计算分析 ...... 64 
5.3  运营阶段结构验算 ...... 70 

5  异型梁拱组合桥运营阶段分析 

郑东新区前程路大桥运营阶段计算工况主要考虑汽车活载、人群荷载、温度荷载(整体升降温、日照正负温差),作用荷载如表 5.1 所示。各计算工况简要介绍如下[50]: (1)汽车活载:根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011),城市-A 级车道荷载的均布荷载标准值为 10.5k N/m,集中荷载标准值为 360k N。考虑最不利情况,非机动车道采用机动车布载。 (2)人群活载:设计中规定,人群荷载标准值为 4.5k N/m2,横向布置在人行道的净宽度内,纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。 (3)整体升降温:郑州属寒冷地区,大桥预计合龙温度为 15±5℃,则计算中,取混凝土结构整体升温为 20℃,降温为-25℃;取钢结构整体升温为 30℃,降温为-35℃。 (4)梯度温度:按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)对该桥上部结构主要截面进行加载。沥青混凝土铺装层的厚度为 10cm,则计算竖向日照正温差时,取桥面板表面的最高温度 T1=14℃,T2=5.5℃;钢箱拱肋顶板的最高温度 T1=25℃,T2=6.7℃。另外,竖向日照反温差为正温差乘以-0.5。 

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结论 

异型梁拱组合桥为空间超静定结构,受力及变形特点不易把握,需进行详细的数值分析。郑东新区前程路大桥为异型 V 墩刚构组合拱桥,本文运用软件MIDAS/Fea 和 MIDAS/Civil 建立该桥空间有限元模型,并对大桥施工过程及运营阶段进行仿真分析,得出以下主要结论: 
1、采用影响矩阵法对郑东新区前程路大桥进行吊杆力调整,可以快速有效的将吊杆内力调整至设计值,同时得出桥梁施工所需的吊杆张拉力,此张拉力的得出是拱桥后续仿真分