吊杆拱桥拱肋与吊杆线形偏位对承载能力影响研究

1009-68２5（２015）1２-0180-03吊杆拱桥拱肋与吊杆线形偏位对承载能力影响研究

收稿日期：

２015-0２-09 作者简介：

石兆敏（19-），男，在读硕士； 王 辉（1990-），男，在读硕士石兆敏 王 辉

（同济大学，上海 ２0009２）

摘 要：通过有限元模拟与试验相结合的方法，分析研究了吊杆拱桥拱肋线形偏差、拱座位移以及吊杆偏位弯曲等病害对结构承载能力的影响，并根据相关规范得出其对结构安全性影响的定量评价。关键词：吊杆拱桥，承载能力，拱肋线形偏差，拱座位移，吊杆弯曲中图分类号：Ｕ441.２

文献标识码：A

0 引言

２0世纪80年代以后，

随着高强度钢绞线和钢丝的发展，吊杆拱桥因满足拱桥大跨度的要求受到桥梁工程师的推崇而成为大跨度拱桥发展最有潜力的桥型。但是经过调查发现，大量建于２0世纪90年代左右的吊杆拱桥，目前已出现各种病害，甚至已造成桥梁事故。其中，由于吊杆拱桥通过拱肋受压来承担荷载，拱肋的承载能力对结构安全性极其重要。拱肋线形偏差、拱座位移等状态下的稳定问题以及由此导致的柔性吊杆偏位弯曲问题对吊杆拱桥承载能力的影响值得关注。

拱肋极限破坏一般为受压构件稳定破坏，需要考虑几何非线性影响。２0世纪40年代，几何非线性稳定开始应用于拱肋承载能力分析中。Ｃｈａtterjee 于1949年建立拱桥承载力二阶理论，考虑几何非线性影响，并且采用了弯矩增大系数方法；Pａpａngeｌｉs 利用能量原理推导出圆弧拱在均匀受压受弯状态下屈曲微分方程，

通过数值方法得到临界荷载闭合解［1，２］；李国豪、项海帆结合工程实例研究了拱式桥梁的稳定分析计算方法

［3，4］

。２0世纪60年代后，拱桥稳定承载力分析的有限元计算方法得到广泛研究

［5，6］

。

因此，本文采用拱肋非线性承载力的有限元方法分析拱肋线形偏差对拱肋承载力的影响；结合吊杆弯曲试验与FＥM 模拟结果，对拱肋线形偏差等因素引起的吊杆偏位弯曲问题进行研究。根据上述研究结果，并引入承载能力下降指标，得出拱肋线形偏差和吊杆偏位弯曲等病害对结构安全性影响的定量评价。

1 理论分析与现场试验1.1 有限元模型

拱肋计算模型选取某拱桥跨径为L ＝115.6m ，

拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1／5，两片拱肋间距17.5m 。拱肋采用哑铃形钢管混凝土截面，钢管及腹板壁厚1.4cm ，内充Ｃ50微膨胀混凝土，钢管材料为Q345。吊杆拉力作用采用于每个拱肋吊点处施加集中荷载，每片拱肋19根吊杆，吊杆间距5.7m （见图1）。线形偏差的拱肋承载能力基于Ansys 软件中的非线性梁单元进行分析，拱肋采用Beａm188单元模拟。为分析不同支座类型的拱肋，分别选取常用的两铰拱和无铰拱进行模拟计算。

由于线形偏差只引起拱肋几何构型的改变，主要引起拱肋的失稳破坏，因此计算模型中只考虑几何非线性，通过对拱肋极值点失稳破坏形式分析，求出拱肋的临界荷载。线形偏差的大小取拱肋节点偏离设计位置的最大值，模型中拱肋的线形偏差由线性屈曲模态生成。

吊杆弯曲角对承载能力影响采用Ansys 软件进行分析（见图

２），在吊杆中部位置施加横向力使其弯曲。吊杆等效截面刚度系

数经过与试验对比，近似取0.5。

Y

X

Z 横向力F

图1拱肋有限元模型图2吊杆有限元模型

1.2 承载能力下降指标

为了量化构件病害与承载能力的关系，为实际评定时提供依据，建立构件承载能力下降指标α如下式：

α＝

P cro -P cr 1

P cro

（1）

其中，P cro 为设计状态下构件的极限承载力；P cr 1为使用状态下构件的极限承载力。

国内有相关研究表明，结构病害对承载能力影响的范围最大

不超过5%，可以认为对结构安全性影响较小［7］

。文献

［8］规定材料强度和承载力下降。在此设定：当α﹥0.05时，构件病害发生已对结构安全性产生影响；当α﹥0.２5时，结构处于危险的状态。

1.3 拱肋偏差线形的选取

拱肋线形偏差主要包含两种类型：

竖向（面内）和横向（面外）偏差。拱肋的第一阶面内失稳模态如图3ａ）所示，为易发生的拱轴线线形偏离形式；拱轴线的面外偏差的主要形式如图3b ）所示，其与拱肋的第一阶线性失稳模态一致。本文以上述常见的两种偏差形式作为拱肋线形面内和面外偏差病害进行分析。

设计拱轴线

实际拱轴线

ａ）

b ）

图3拱肋面内和面外线形偏差的主要形式

因此，取微小初始偏差（1mm ）拱肋的承载力作为设计初始状态下拱肋的极限承载力，从而分析更大线形偏差情况下拱肋的承载力。

1.4 吊杆弯曲试验

为了给试验吊杆施加偏位弯曲变形，

采用在吊杆中部位置施加横向力的方式使其弯曲。试验先采用1000kN 的初始轴力（近似于吊杆使用索力），维持该轴力大小不变。横向加载也由千斤

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２015年4月

山西建

筑SＨANＸI ARＣＨITＥＣTＵRＥ

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顶提供荷载。根据分级加载的方式，通过每级增大２0kN 横向力进行弯曲角的逐级递增，弯曲角最终加至２.5ʎ附近。通过理论计算结果和试验实测数据对比，分析吊杆在不同弯曲角影响下锚固端附近钢丝弯曲应力发展规律，判定开始对结构安全性产生影响时的弯曲角θ大小（见图4，图5）

。

L b

θr

弯曲角θ

图4吊杆弯曲示意图图5吊杆现场横向加载

2 数值分析与讨论

2.1 拱肋线形偏差对其极限承载能力影响

选取大小不等的10个偏差值进行定量分析，并分别考虑无铰拱和两铰拱的情况，计算结果如图6所示。

L /1２00

1mm （初始）L /２0000L /10000L /5000L /3000L /２000L /1500

L /1000

L /800

荷载/0.1k N

２00

0001800001600001400001２0000100000800006000040000２0

0000

100２00300400500600

拱肋跨中挠度/mm ａ）无铰拱面内偏差

90000800007000060000500004000030000２0000100000

荷载/0.1k N

50100150２00２50300拱肋跨中挠度/mm b ）无铰拱面外偏差

拱肋跨中挠度/mm 80

0007000060000500004000030000２000010

0000

荷载/0.1k N

50

100150２00c ）两铰拱面内偏差

拱肋跨中挠度/mm 荷载/0.1k N

10２030405060２000015000100005000

d ）两铰拱面外偏差

图6无铰拱和两铰拱拱肋不同线形偏差情况下的荷载—位移曲线

★

由图6可知，

在未考虑材料非线性的情况下，拱肋的加载曲线没有明显的下降段，且无铰拱的承载力大于两铰拱。说明拱肋线形偏差的存在对拱肋的竖向初始刚度无影响，但使拱肋的临界荷载下降；两铰拱拱肋线形偏差对承载能力的影响大于无铰拱的情况。

不同偏差大小下拱肋承载力和相应的承载力下降指标α的

变化规律见图7，图8。可知，随着拱肋线形偏差的增大，极限承载力近似以线性规律下降，承载力下降指标α的增长速率也接近直线变化，且面内与面外的线形偏差对同类拱肋承载力降低幅度接近；两铰拱承载能力下降速率大于无铰拱，说明拱肋约束的增加能有效改善线形偏差对安全性的危害。可得出判定：对于无铰拱，当拱肋面内或面外线形偏差达L ／3000（40mm ）时，对于两铰拱，当面内外偏差达L ／5000（２5mm ）时，拱肋承载力相对设计初始状态下降约5%，结构安全技术状况存在退化。

2.2 吊杆弯曲对其承载能力影响

分别对处于初始轴力作用下以及在２.7ʎ弯曲角情况下的吊杆锚固端附近钢丝应力分布进行分析。研究发现：轴力作用下钢

丝拉应力分布均匀，最大拉应力出现在锚具出口处，应力大小在

150MPａ~170MPａ之间；存在弯曲角时，锚固端附近钢丝拉应力分布不均匀，存在较大的局部弯曲应力，最大应力集中在锚具出口处，应力大小在-２00MPａ~51２MPａ之间。

▲

两铰拱—面外偏差

■

无铰拱—面内偏差▲

两铰拱—面内偏差

●无铰拱—面外偏差

承载力/k N

1800016000140001２000

10000800060004000２

000

偏差大小

●

▲■

▲

▲▲▲

▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲

▲▲

●●

●●

●●●●

●■

■■

■■

■■

■■（初始）

1mm L /5000L /1500

L /800

２5

２0

15

10

50

●

●

●

●

●

●

●

●■

■

■

■

■

■

■

■▲

▲

▲

▲

▲

●

▲

▲

▲▲▲

▲

▲▲

▲▲

▲

▲▲▲偏差大小

承载能力下降指标/%

L /２0000

L /3000

L /1２00L /800

图7

拱肋承载力的变化情况

图8

承载力下降指标的变化情况

600500400

300

２00100

最大应力/M P ａ

0.51 1.5２

２.53弯曲角/（°）■

●

●

●■

■

■

■

■

●

●●

●■60504030２010

局部应力占总应力百分比/%

0.5

1 1.5２

２.5

3

弯曲角/（°）

■

■

■■■

●

●

●●

●

●

■■

实测

●

有限元

■

实测

●

有限元

图10钢丝弯曲应力比重—弯曲角曲线

图9锚固端钢丝最大应力—弯曲角曲线由图9，图10可知，实测应力值与有限元应力分析结果基本吻合，最大拉应力增长以及吊杆钢丝中弯曲应力的比重随弯曲角近似呈线性变化。根据当对钢丝应力增加超过强度的5%时即对安全性产生影响的准则，即可认定：当吊杆的弯曲角超过0.6ʎ时，吊杆的弯曲作用对其安全性产生影响。

3 结语

1）拱肋线形偏差使拱肋的临界荷载呈线性下降趋势。无铰

拱面内或面外线形偏差超过L ／3000时、两铰拱面内外偏差超过L ／5000时，可认为线性偏差对拱肋安全性产生影响（承载力降幅大于5%）。

２）试验吊杆存在弯曲角时，锚固端附近钢丝最大拉应力的增长以及弯曲应力的比重均随弯曲角近似呈线性变化规律；当吊杆的弯曲角超过0.6ʎ时，可认为吊杆弯曲对其安全性产生影响（应

力增加超过钢丝强度的5%）。参考文献：

［1］ Ｊ.P.Pａpａngeｌｉs ，N.S.Trａｈａｉr.Fｌexｕrａｌ-TｏrsｉｏnａｌBｕckｉng

Test ｏn Arcｈes ［Ｊ］.Ｊｏｕrnａｌｏf StrｕctｕrａｌＥngｉneerｉng ，1987，

113（7）：1433-1443.

［２］ Ｊ.P.Pａpａngeｌｉs ，N.S.Trａｈａｉr.Fｌexｕrａｌ-TｏrsｉｏnａｌBｕckｌｉng

ｏf Mｏnｏsymmetrｉc Arcｈes ［Ｊ］.Ｊｏｕrnａｌｏf StrｕctｕrａｌＥngｉneer-

ｉng ，1987，113（10）：２２71-２２88.

［3］ 李国豪.桥梁结构稳定与振动［M ］.北京：中国铁道出版社，1996：35-59.

［4］ 项海帆，刘光栋.拱结构的稳定与振动［M ］.北京：人民交通

出版社，1991：30-44.

［5］ Rｏbert K Wen ，Kｈａｌed Medａｌｌａｈ.Ｅｌａstｉc Stａbｉｌｉty ｏf Deck-Type ArcｈBrｉdges ［Ｊ］.Ｊｏｕrnａｌｏf Tｈe StrｕctｕrａｌDｉvｉsｉｏn ，1987，113（4）：757-768.

［6］ 金伟良.钢筋混凝土拱桥的极限承载力［Ｊ］.浙江大学学报

·

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第41卷第1２期

２015年4月

石兆敏等：吊杆拱桥拱肋与吊杆线形偏位对承载能力影响研究

文章编号：

1009-68２5（２015）1２-018２-0２拆除既有铁路桥梁并顶进框架桥关键技术

收稿日期：

２015-0２-1２ 作者简介：

李丁立（1984-），男，硕士，工程师李丁立

（中国中铁二院工程集团有限责任公司济南勘察设计研究院，山东济南 ２5001２）

摘 要：结合潍坊市潍州路工程实例，详细介绍了框架桥顶进施工方案，从线路加固设计、拆除既有线下桥梁施工设计两方面入手，阐述了具体的工艺流程及采用的关键技术，为解决类似问题提供了较好的解决方法。关键词：框架桥，顶进，线路加固，拆桥中图分类号：Ｕ448.13

文献标识码：A 1 工程背景

潍州路是潍坊市联接南部各县市区的主要通道，

同时也是潍坊市多条快速路的连接通道，对潍坊市以及各县市区的经济、社会发展、道路交通运输等方面起到了重要的作用。随着经济的发展，目前潍州路既有下穿铁路立交桥已不能满足道路交通和城市规划要求，因此对潍州路下穿胶济客专、胶济线、坊子支线立交桥进行改建势在必行。

原潍州路为一幅路形式，健康路至潍胶路段主路宽２9m ，外侧设有4m 绿化带及4m 人行道。潍胶路以南段主路宽２8m ，外侧设有4m 绿化带，无人行道。道路从北至南分别下穿胶济客专上下行、胶济线上下行、坊子支线，共5条线路。既有胶济客专、胶济线为双线电气化铁路，坊子支线为单线非电气化铁路，本段线路情况见表1。

表1 原潍州线路情况表

线路胶济客专胶济线坊子支线

平面直线直线直线坡度／ɢ

-1.7

-0.4

胶济客专跨潍州路以框架桥形式跨过，

交叉里程为K169+4２0，孔径组合为（10+15+10）m ，边孔通行净高3.5m （结构高度4.3m ），中孔通行净高5.4m （结构高度6.２m ），斜交角度53ʎ。胶济线及坊子支线跨潍州路以梁桥形式跨过，孔跨组合为1２m +

２0m +1２m 。两边孔桥下通行净高为3.２m ，中跨桥下通行净高5.0m ，斜角角度53ʎ。坊子支线、胶济线左线、胶济线右线、客专

左线、客专右线之间线间距分别是5.0m ，5.3m ，11.3m ，4.6m 。本次设计主要技术标准：铁路采用中—活载（２005）ＺKＨ；道路采用城—A 级；城市主干路；设计车速50km／ｈ；100年；桥下通行

净高不小于5.0m 。

根据潍州路整体规划以及现有潍州路下穿胶济线框架及梁桥情况，潍州路拓宽后下穿胶济铁路采用以下设计方案：拆除胶济客线两侧1-10m 框架桥，各改建为1-11.5m 框架桥，然后再在其外侧各顶进1-11.5m 框架桥，这样形成5孔框架，通行净高均可增加到5m 以上，车道也有所增加。胶济线梁桥予以拆除，并与客专对孔顶进5孔框架桥。

2 既有线下拆桥及框架桥顶进设计方案

所有线路均采用D 便梁加固，

然后顶进胶济线及客专最外侧２孔1-11.5m 框架桥，在此期间，车辆在既有梁桥及框架桥下通

行。待胶济线及客专最外侧框架顶进完成后，将道路改至２外侧

新建框架桥内通行，然后先对胶济线梁桥、客专两孔1-10m 框架桥进行拆除，最后顶进剩余框架桥。框架桥布置图见图1。

热力照明、交警、公交人行道 1.5%

1150

110

19565

热力110

885

100

30

30

２65

1.5%

195

65

1.5%

10

110

框

架中心线

1２0650

110

1500/２165110

670

1150

100

55110

1２030

303030

图1框架桥布置图

根据胶济铁路现状，既有梁桥采用D 便梁进行线路架空后拆除，拆除完成后将D 便梁改造成纵横抬梁，框架桥全部采用顶进法施工。

1）胶济客专部分框架桥按以下步骤进行施工：采用D２4便梁

加固线路，在便梁下施工挖孔桩→以施工好的挖孔桩为支点，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅

移架（自然科学版），1997（4）：449-461.

［7］ 殷 迅.钢管混凝土拱桥主要病害调查与分析［D ］.重庆：

重庆交通大学，２011.

［8］ ＪTG ／T Ｊ２1—２011，公路桥梁承载能力检测评定规程［S ］.

［9］ 王 辉.在役柔性吊杆拱桥技术状况检测与分析评定［D ］.

上海：同济大学，２014：51.

［10］ 邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算［M ］.北京：人民

交通出版社，２007.

Ｓｔｕｄy ｏｎaｒcｈｒｉｂaｎｄsｕsｐｅｎｄｅｒｄｉvaｔｉｏｎｉｍｐacｔｏｎｂｅaｒｉｎg caｐacｉｔy ｏｆaｒcｈｂｒｉｄgｅ

ＳｈｉＺｈaｏｍｉｎ Waｎg Ｈｕｉ

（Tongji University ，Shanghai ２0009２，China ）

Ａｂsｔｒacｔ：Tｈe pａper presents ａn ａnａｌysｉs ｏf tｈe ｉnfｌｕence ｏf ａrcｈrｉb ａｌｉgnment devｉａtｉｏn ，skewbａck dｉspｌａcement ａnd sｕspender cｕrvｉng dｉseａse

ｏn tｈe beａrｉng cａpａcｉty ｉs ｉdentｉfｉed by FＥM sｉmｕｌａtｉｏn ａnd experｉment ，meａnwｈｉｌe ，drａwｉng qｕａntｉtａtｉve cｏncｌｕsｉｏns ｏf tｈe ｉnfｌｕence degree ｏn ａrcｈbrｉdge strｕctｕre ａccｏrdｉng tｏtｈe cｏdes.

Kｅy wｏｒｄs ：sｕspenders ａrcｈbrｉdge ，beａrｉng cａpａcｉty ，ａrcｈrｉb ａｌｉgnment devｉａtｉｏn ，skewbａck dｉspｌａcement ，sｕspender cｕrvｉng dｉseａse ·

２81·第41卷第1２期

２015年4月

山西建

筑SＨANＸI ARＣＨITＥＣTＵRＥ

Ｖｏｌ.41Nｏ.1２

Apr. ２015

吊杆拱桥拱肋与吊杆线形偏位对承载能力影响研究

作者：石兆敏， 王辉， Shi Zhaomin， Wang Hui

作者单位：同济大学,上海,200092

刊名：

山西建筑

英文刊名：Shanxi Architecture

年，卷(期)：2015(12)

引用本文格式：石兆敏.王辉.Shi Zhaomin.Wang Hui吊杆拱桥拱肋与吊杆线形偏位对承载能力影响研究[期刊论文]-山西建筑 2015(12)