六肢钢管混凝土拱桥主拱建筑构造设计研究

六肢钢管混凝土拱桥主拱建筑构造设计研究

来源:www.51fabiao.org作者:lgg发布时间:2018-03-17 11:16
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱、墙壁、基础
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱、墙壁、基础以及能够形成内部空间,满足人们生产、居住、学习、公共活动需要的工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 钢管混凝土拱桥的发展现状
拱桥是最古老的桥型之一,其在我国古代就已经大量建造[1]。国内最著名的几座历史古桥就有赵州桥、苏州枫桥、卢沟桥、泉州五里桥、洛阳桥等[2]。由于受到科技水平的制约,古人都以易于开采的天然条石进行建造。随着科学、材料、工业的不断发展,建桥的材料发生了翻天覆地的变化,拱桥也从最初取材方便的石拱桥逐步经历了铁、钢制材料拱桥、钢筋混凝土材质拱桥和钢管混凝土拱桥等五个阶段。最早石拱桥是在公元前 200 年至 260 年建起的巨大呈半圆形的石拱桥[3]。自从 18 世纪英国爆发了的工业革命之后,钢铁的产量大幅增加,工业用钢逐渐进入桥梁结构中,最著名的铁桥当属跨越英国 Coalbrook Dale Severn 河[4],由 5 片圆弧铸铁拱肋组成的净跨度达 30m 的拱桥了。19 世纪 50 年代,英国人发明了转炉炼钢法,也就是现在俗称的廉价炼钢法,大量钢铁被运用在桥梁建设当中,这也大力促进了钢桥的发展。但是最早使用钢铁材料建成的拱桥应是美国人在 1874 修建的 Eads 桥,它的结构形式是三跨连续桁肋拱桥[5]。桥梁技术工业革命的再一次兴起是在 19 世纪 60 年代,英国的工程师在一次偶然的事件中发明了波兰特水泥,由此钢筋混凝土结构诞生[6]。第一座钢筋混凝土拱桥是在 1989 年建成的,跨径为 52.46m 的 Chatellerault 桥[7]。拱桥在一般情况下属于弯压结构,当拱桥的跨径加大,材料强度不仅是制约结构跨越能力的第一要素,此时也应考虑到结构的稳定性问题。但是对于自重本来就很大的圬工拱桥来说,例如钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥,主拱圈在施工架设的安全性就很突出[8]。没有更好的高强材料来利用,不能采用有支架的方法进行施工,种种困难都制约了拱桥向大跨度发展的步伐。因此很多科技工作者都在试图寻找更高强的材料运用到工程实际中,钢管混凝土结构应运而生。
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1.2 钢管混凝土拱桥构造研究现状
桁架式结构的钢管混凝土拱桥,是以桁式梁桥为基础发展而来。结构中各桁架杆件主要以受拉压作用。桁架梁与实腹梁相比,采用稀疏的腹杆来代替整体的腹板,可以节省大量钢材以达到减轻结构自重的目的。由于桁架式结构的材料用料少,桁梁可做成较大高度来获得更大的刚度,进而增大了跨越能力。目前,对于桁架拱拱脚段的研究较少,主要研究集中在桁架节点的研究。目前国内外对钢管混凝土柱节点开展了大量的研究工作,其研究节点的类型主要集中在对圆钢管混凝土节点的研究[19]Packer 学者,针对矩形钢管混凝土桁架的” X”、”T”、”K”型节点开展了 31组实验,详细研究了各类型节点的承载力,分析了结构破坏的模式,并研究了如何加强矩形钢管桁架节点的强度方法[20]。湖南大学的刘永健博士,研究了矩形钢管混凝土桁架”T”、”Y”、”X”和”K”型节点各种可能的破坏模式,分析了各种节点情况的极限承载力状况和对其的影响因素[21]。福州大学的宋福春和陈宝春教授,也通过模型试验的方法对 V 型缀管钢管混凝土格构柱进行了极限承载力的研究[22]。
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第二章 钢管混凝土拱桥拱脚段构造研究
 
2.1 拱脚段构造调查拱铰
根据不同的施工方法、截面形式和构造特点,主拱拱脚可采用直接固结的连接形式,如上海卢浦大桥。更多的则采用先临时铰接、吊装若干节段后封铰或合龙后再固结的形式。钢管拱安装常采用专题施工发或缆索吊装法。采用缆索吊装法施工,吊装过程中为了便于调节主拱圈的高程,释放拱脚的弯矩,需要在在拱脚处设置临时拱铰装置,拱铰通常对转动的位移量需要不是很大。采用转体施工拱桥,由于主拱圈采取低位拼装,需要绕转轴转动较大的角度才能达到设计位置,拱铰需要的转动位移量大,因此常采用钢管铰及销铰以满足较大转动,其形式和缆索吊装的临时铰结构基本一致。拱铰构造形式较多,大致分为钢管转轴铰、销轴铰和平面铰三种构造形式。钢管转轴铰受力比较明确(见图 2- 1),其承载能力很大,能够满足大跨度的钢管混凝土拱桥的施工要求,在大跨度钢管拱桥施工中被广泛使用。但是,由于钢管转轴铰需要在拱脚断面的中心位置设置体积较大的钢管铰轴,并在拱座中埋置较为复杂的铰座装置。当钢管混凝土拱桥跨径较小(<120m),拱脚截面较矮(<250cm)时,设置和预埋相应铰装置在空间的布置上就显得很困难。拱轴角钢平面铰是通过在拱座上设置一个临时牛腿,拱圈施工中传至拱脚的荷载通过牛腿传给拱座(见图 2- 2)。牛腿顶面预埋角钢,牛腿角钢与拱圈拱脚中心对应角钢的角点为该铰的转动中心。施工中可利用角钢平面铰对拱圈的位移进行调整,适用于拱铰转动较小和施工中拱脚荷载较小的钢管混凝土拱桥施工。但这种铰形式以其结构简单、施工简便,在采用缆索吊装节段悬拼法施工、跨度不大于 200m 的钢管混凝土拱桥施工中是一种实用的架构形式。
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2.2 拱铰腹杆受力规律研究
采用缆索吊装斜拉扣挂施工的大跨度钢管混凝土拱桥。施工过程中以线形控制为主,兼顾材料强度。由钢管拱和扣索力引起的荷载全部由拱铰腹杆来承担,其强度和稳定性问题直接影响整个施工的安全。对于拱铰斜腹杆的夹角,国内尚未开展过深入系统的研究。本章的目的是研究拱铰腹杆夹角与结构受力规律,并提出拱铰斜腹杆的合理夹角范围。为了单独研究拱铰斜腹杆随夹角变化的受力变化规律,首先应将拱铰的腹杆结构进行隔离,将与隔离体交叉处杆件的内力作为外部荷载。根据结构特点施加相应的边界条件进行简化处理。简化后的拱铰腹杆结构可以看作是一个三角形结构。已安装好的主拱圈节段由钢绞线组成的扣索支承,封铰前主拱圈示意如图 2-5 所示。此时,主拱圈上的拉索相当于一个弹簧,由于索力很大,结构整体位移较小,故将所有拉索简化为一般的竖向支撑,即在简化计算示意图(见图 2-6)中 B 点施加竖向支承约束来模拟。拱铰处 A 点释放了弯矩,采用为简支约束,只约束其平动自由度,释放其转角自由度。C 点为自由点,不对其做任何约束。
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第三章 钢管混凝土拱桥横向联系构造研究 ........34
3.1 横向联系构造调查 ....34
3.2 单肢双肋拱桥横向弹性稳定性研究 .....37
3.3 横向联系对单肢钢管拱桥横向弹性稳定性影响研究 ......43
3.4 横向联系对六肢钢管拱桥横向弹性稳定性影响研究 ......46
3.5 香火岩大桥横向联系优化..........56
3.6 本章小结 .........59
第四章 钢管混凝土拱桥钢管壁厚设计与选择研究.........61
4.1 钢管混凝土拱桥壁厚的调查............61
4.2 影响钢管壁厚取值的因素..........63
4.3 香火岩大桥壁厚优化 ......73
4.4 本章小结 .........79
第五章 结论与展望 ...........81
5.1 本文取得的研究成果 ......81
5.2 存在的问题和工作展望 ........82
 
第四章 钢管混凝土拱桥钢管壁厚设计与选择研究
 
4.1 钢管混凝土拱桥壁厚的调查
钢管混凝土组合结构由钢管内包核心混凝土而成,钢管的直径为 D,钢管的壁厚为 t。钢管截面面积和混凝土截面面积分别用 As、Ac 来表示,图 4- 1 为钢管混凝土组合结构截面示意图。钢管不仅是钢管混凝土组合结构中的一部分,也是承担结构荷载提高结构承载力的重要组成部分。通过参阅大量文献以及规范,钢管混凝土拱桥对于壁厚的取值所要考虑的因素主要如下:1.当桁式拱桥选定截面形式后,钢管的直径和壁厚尺寸将直接影响着结构的强度,需要选择合适的径厚比。2.为了防止空钢管受力时管壁局部失稳,还需对最大径厚比进行限制。3.为了保证管内混凝土具有足够的延性而不会因为套箍能力的不足发生脆性破坏,同时,为了保证钢管不会因为在混凝土等级过低的情况下发生塑性变形,径厚比的选取也是有必要的。4.考虑防腐到钢材的防腐要求,壁厚不宜取的过小,但也不能过厚,因为对厚钢板的材质要求更高,钢管卷制的加工难度大。5.截面含钢率可以反映出钢管对混凝土的套箍指标,含钢率过大过小都会存在一些弊端。如果含钢率太小,钢管对混凝土的紧箍作用不明显,不能发挥该新型结构的潜力,如果含钢率过大,就不太经济,因为较厚的管壁虽然避免了局部屈曲问题,但势必增加用钢量,造成浪费。我国从 50 年代就开始对钢管混凝土结构展开了大量的研究,并取得了丰富的理论进成果。可将其分为三个理论体系:《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:90)、《钢-混凝土组合结构设计规程 DL/T 5085-1999》和《钢管混凝土结构设计与施工规程 JCJ01-89》。
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结论
 
将拱铰三角结构单独作为研究对象,根据实际情况,进行适当简化并施加合适的边界条件。将三角结构分别看做为三角桁架和三角刚架,分析了各杆件随拱铰斜腹杆夹角变化的内力和稳定性变化规律。最后综合结构内力和稳定性提出了拱铰斜腹杆夹角合理的范围,当夹角在[60  , 100  ] 区间内,拱铰腹杆的内力和稳定性都处于较优水平。通过改变实桥拱铰腹杆的夹角进行有限元分析,一方面验证了简化模型在内力计算和稳定性规律,另一方面从实桥计算和工程实例都验证了文章所提出的拱铰斜腹杆夹角是合理的,可以运用在实际工程中。以双肋实腹拱的横向稳定性为出发点,整理了侧倾临界荷载的理论推导公式,从理论公式上判断影响拱肋横向稳定的因素有和横向联系的样式、刚度和布置方式。并类比在六肢钢管混凝土拱桥上。通过改变横向联系的布置位置、横撑的样式和横向联系的刚度开展了一系列数值分析。并以拱圈的横向弹性稳定性系数为判断准则。
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参考文献(略)