鋼管初應力對鋼管混凝土拱橋承載力的影響研究.pdf

1、鋼管混凝土拱橋因其較好的解決拱橋吊裝重量和跨度的矛盾，是近十多年來發(fā)展最為迅速的橋梁結構之一，至2005年，國內已建成跨度為 460m 的鋼管混凝土拱橋，而且跨度和數(shù)量仍在不斷增大之中。相對于工程實踐，鋼管混凝土拱橋的設計理論相對滯后，如鋼管初應力對鋼管混凝土拱橋承載力影響問題就是其中之一。鋼管混凝土拱橋是在空鋼管拱橋的基礎上逐根灌注混凝土而形成的鋼一混凝土組合結構，在形成鋼管混凝土拱橋之前鋼管因承受自重和濕混凝土重量，不可避免地產生鋼

2、管初應力。鋼管初應力使鋼管屈服提前，影響鋼管混凝土拱橋承載力，但迄今為止尚未開展深入系統(tǒng)地研究。 本文以西部交通科技項目“鋼管混凝土拱橋設計、施工及養(yǎng)護關鍵技術研究”中的子題“鋼管初應力對拱橋結構行為及承載力的影響研究”為研究內容，開展了以下研究工作： 1、采用空間梁單元計算拱橋極限承載力。為反映鋼管初應力對拱橋極限承載力的影響，根據(jù)空間梁單元非線性幾何方程，應用虛功原理，推導了包含初應力和初應變在內的一般線彈性本構關系

3、的空間梁單元顯式切線剛度矩陣。為考慮鋼管提前屈服進入彈塑性狀態(tài)后鋼管與核心混凝土的套箍效應，文中提出了綜合應用實體一空間梁單元法和普通空間梁單元法計算拱橋承載力的新方法，并推導了計入初應力的實體一空間梁單元剛度矩陣及其轉換矩陣； 2、詳細推導了單肢、啞鈴型和四肢格構型鋼管混凝土拱橋初應力計算公式，并給出了初應力計算流程圖； 3、根據(jù)線性徐變理論，推導了軸心和小偏心鋼管混凝土受壓構件徐變應力計算公式。徐變度采用最普遍的退化

4、核 Dirichlet 級數(shù)形式，進一步導出了鋼管混凝土拱橋計算核心混凝土徐變變形的遞推公式和有限元方程。應用共軛斜量法擬合混凝土徐變系數(shù)，擬合結果與試驗值吻合良好； 4、開展了8根不同初應力系數(shù)和偏心距的鋼管混凝土初應力構件承載力試驗； 5、編制了鋼管混凝土拱橋考慮鋼管初應力影響的綜合分析程序，程序得到軸心受壓、偏心受壓初應力試驗構件和模型拱橋的驗證。在此基礎上，開展單肢、啞鈴型和四肢格構型鋼管混凝土拱橋在不同初應力系

5、數(shù)β、不同跨徑以及不同含鋼率α下的承載力計算。此外，還分析了矢跨比變化對拱橋承載力影響系數(shù)K<,p>的影響； 6、應用回歸分析法求出了單肢、啞鈴型和四肢格構型鋼管混凝土拱橋的承載力影響系數(shù)計算公式，并給出了各自的初應力系數(shù)限值； 7、計算結果表明，鋼管初應力的存在，使鋼管混凝土拱橋的承載力下降，下降的程度不但與鋼管初應力系數(shù)、截面含鋼率和拱橋跨徑等有關，而且還與拱肋截面型式有關，最大下降值可超過 10％。以承載力降低不超

6、過 10％為界限，則單肢、啞鈴型和四肢格構型鋼管混凝土拱橋初應力系數(shù)β應分別控制在0.3、0.6和0.6 以內。因此，在確定鋼管初應力限值時，必須依截面型式而定。目前國內在設計啞鈴型和四肢格構型鋼管混凝土拱橋時，把初應力系數(shù)β控制在 0.6 以內是比較合適的，而單肢鋼管混凝土拱橋初應力系數(shù)β也控制在 0.6 以內是偏大的，承載力將降低20％； 8、鋼管混凝土拱橋多為大跨度結構，幾何非線性對鋼管混凝土拱橋承載力影響較大。因此，在分