钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析.docx
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钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
摘要
钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济性好等优点,近年来在桥梁建设中,特别是在以受压为主的拱桥中获得了广泛的应用。
在这些拱桥结构的节点中,荷载由支管直接传给主管,由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度,主支管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。
合理的节点构造及其设计方法引起了世界各国研究者的关注。
本文所做工作为西部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究”的部分内容,主要研究内容如下:
（1简要介绍了钢管混凝土的结构特点及钢管混凝土在拱桥中的发展情况,提出了钢管混凝土拱桥的设计需注意的问题,并介绍了圣维南原理及其在钢管混凝土中的应用;
（2根据已建四管桁式钢管混凝土拱桥—湖南益阳茅草街大桥,选取工程中三类典型节点—DTY型、XYT型、DTDY型管节点为研究为对象,基于ANSYS,建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型,分析和比较了它们的静力性能,讨论了其应力变化情况;
（3对DTY型、XYT型、DTDY型主管内填混凝土节点和空钢管节点分析计算了不同节点在轴力作用及在轴力加弯矩作用下随支管管径变化与主支管变化的应力集中系数的变化,研究发现空钢管状态下节点应力集中要比主管内填混凝土情况下的节点应力集中明显得多;支管仅受轴力作用下比受轴力与弯矩共同作用应力集中要明显很多。
关键词:
钢管混凝土拱桥;圣维南原理;管节点;应力分析;应力集中
ABSTRACT
Recently,theconcrete-filledsteeltubularstructureisadoptedwidelyinbridgeengineering,whichishighofload-carrycapacity,goodatplasticityandmalleability,easytoexecuteandconstruct,excellentinfireresistanceandeconomy.Forthisreason,thiskindofcombinedmaterialisappliedtoarchedbridgethatismainlyoppressed.Inthejointsonthistypeofarchedbridges,theforcesaretobespreadtothebracethroughthechorddirectly.Becausetheaxialrigidityofthebraceismuchbiggerthantheradialrigidityofthechord,theborderbecomestheweakestpartofthewholestructure.Thereasonabledesignofthistypeofjointhasattachedtheresearchers’attentionallovertheworld.Asthepartof“Thekeytechniquesofthedesign,constructionandmaintenanceofconcrete-filledsteeltubulararchbridges”supportedbytheScienceandTechnologyItemofConstructionoftheWestwardTraffic,Themaincontentsaredetailedasfollowing:
（1Thefeatureandthedevelopmentsituationinarchbridgeofthesteelpipeconcretearebrieflyintroduced.theitempayattentiontodesigningtheconcrete-filledsteeltubulararchbridgehasputforward,andtherearetheintroductionoftheSaintVenant'sprincipleandtheapplicationintheconcrete-filledsteeltubularstructure.
（2Accordingtoafour-tubesoftrussconcrete-filledsteeltubulararchbridge-Themaocaostreetbridge,inYiyang,Hunanprovince,China,threetypicalnodesinthisproject,thatis,DTY,XYTandDTDYtubularjoints,arechosenastheobjectstostudy.WiththehelpofANSYS,theentitymodelsoftheconcrete-filledsteeltubulararesetuptoanalyze,andthenstaticcharacteristicsarecarefullycompared.Finally,theregularsoftheirstressvariationareparticularlyinvestigated.
（3theanalysisandcalculationonvariationofstressconcentratefactorforbothconcrete-filledsteeltubularandhollowsteeltubularDTYjoints,XYTjoints,DTDYjointsundertheaxialstrengthoraxialandbendingloadingstogetherfunctioninbracealongwiththevariationofdiameterofbracesandtheincludedangleofbracesandchordsthehavecarriedout.Theresultsshowthattheconcrete-filledsteelnodesaremoreobviousthantheemptysteeltubenodesonstressconcentratephenomenonandaswellasnodesunderthefunctionofaxialstrengththanaxialandbendingloadingstogetherfunctioninbrace.
钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析
KEYWORDS:
concrete-filledsteeltubulararchbridge;SaintVenant'sprinciple;tubularjoints;Staticanalysis;stressconcentration
湖南大学
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I
硕士学位论文
第1章绪论
1.1钢管混凝土拱桥概况
1.1.1研究背景及意义
拱桥是一种以受压为主的结构,可以利用抗压强度高、抗拉强度低的圬工材料修建,当地基条件较好,足以抵抗支座处的水平分力时,这种结构具有很大的经济性。
拱桥的适用跨径范围较大,从几十米到三四百米、甚至更大（于1997年建成通车的混凝土拱桥万县长江大桥主跨为420m;2004年建成通车的钢管混凝土拱桥巫山长江大桥主跨达460m;钢桁架或钢箱拱桥中,朝天门大桥和卢浦大桥已达到550多米[1]。
此外,在山区深沟峡谷、库区等地形条件下,大跨拱桥能避免高墩或高塔的建造,单跨拱桥不需要像连续梁、斜拉桥那样用边跨来平衡主跨,因此具有很强的竞争力。
长期以来,圬工和钢筋混凝土拱桥在我国得到广泛的应用。
然而,圬工钢筋混凝土拱桥的自重较大,无支架施工困难等缺陷限制了其跨径进一步增大,随着经济的发展、劳动力价格的提高和建筑材料供应的充分和价格的相对下降,拱桥的经济性和技术先进性日益受到其他桥型的挑战。
上个世纪八十年代末,我国在西南地区开始了将钢管混凝土结构应用于拱桥的实践。
1990年第一座钢管混凝土拱桥—四川旺仓东河大桥建成[2]。
此后,这种桥型在我国的公路建设中得到大量的应用和发展,据不完全统计,已建成和在建的钢管混凝土拱桥已达200余座[3]。
目前,已建成的钢管混凝土拱桥的跨径达到460m（重庆巫山长江大桥[3]。
因此,研究钢管混凝土拱桥的受力特点,具有重要的实际和理论意义。
1.1.2钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件,是使其二者有机结合的一种组合结构,其本质上属于箍套混凝土。
钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的,按截面形式的不同,可分为方钢管、圆钢管和多边形钢管混凝土。
在实际工程中,应用最广泛的是圆钢管混凝土,且管内只浇灌素混凝土,不再配置钢筋或钢骨。
钢管混凝土的基本原理是:
（1借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性;（2借助钢管对核心混凝土的套箍（约束作用,使核心混凝土工作时处于三向受压状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。
所以,钢管混凝土在本质上也就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土。
由于利用了钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用,即钢管的约束作用提
高了内填混凝土的抗压强度和弹性模量,混凝土的支撑提高了钢管的稳定性[4],充分发挥两种材料的优点,改善了组成材料的力学性能。
因而,钢管混凝土具有一系列优越的力学性能。
钢管混凝土具有以下几个特点:
（1承载力高
对于薄壁钢管来说,由于对局部缺陷很敏感,其承载力是极不稳定的。
在钢管中灌混凝土形成钢管混凝土构件后,钢管约束了混凝土,延缓了混凝土受压时的纵向开裂,而混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部稳定,两种材料相互弥补了彼此的弱点,充分发挥了各自的长处,从而使钢管混凝土具有很高的承载能力,其承载力大大高于二者单独承载力之和。
（2塑性和韧性好
单向受力时混凝土的破坏特征属于脆性破坏,对于高强度混凝土（50MPacuf,cuf为混凝土立方试块强度尤其如此,但钢管混凝土中的核心混凝土在钢管的约束下,不仅在使用阶段改善了它的弹性性能,而且在破坏时也能产生很大的塑性变形,从而使钢管混凝土具有优良的抗震性能。
在冲击荷载或振动荷载作用下,这种结构也能表现出很好的韧性,因而抗震性能好。
（3制作和施工方便
与钢筋混凝土相比,钢管混凝土没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序,施工简便。
此外混凝土的浇灌更为方便,特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落免振混凝土和自密实混凝土等工艺,更可加速钢管混凝土的施工进度。
与预制钢筋混凝土构件相比,钢管混凝土不需要构件预制场地。
与钢结构构件相比,钢管混凝土的构件通常更为简单,因而焊缝少,更易于制作。
特别是在钢管混凝土中可更为广泛地采用薄壁钢管,因而进行钢管现场拼接对焊更为简易快捷,此外,由于空钢管构件的自重小,可以减少运输和吊装等费用。
钢管混凝土在施工制造方面发展的一个重要方向是其钢管制造的标准化。
钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求,可以节约人工费用,降低工程造价,加快建设速度。
（4耐火性能好
钢管内填有混凝土,在高温情况下,由于核心混凝土可吸收钢管传来的热量,从而使其外包钢管的升温滞后,这样钢管混凝土中钢管的承载力损失要比纯钢结构相对更小,而钢管也可以保护混凝土不发生崩裂现象。
火灾作用下,随着外包钢管温度的不断升高,其承载力会不断降低,并把卸下的荷载传递给温升较慢、且具有较高承载力的核心混凝土。
这样由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间具有相互贡献、协同互补和共同工作的优势,使这种结构具有较好的耐火性能。
火灾后,随着外界温度的降低,钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复,截面的力学性能比高温下有所改善,结构的整体性比火灾中也有所提高,这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安全的工作环境,也可以减少补强工作量,降度维修费用。
（5经济性好
作为一种组合结构构件,采用钢管混凝土不仅施工方便,而且可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的力学特性,使它们的优点得到更为充分和合理的发挥,因此,采用钢管混凝土一般都具有很好的经济效果。
大量工程实际经验表明[5]:
采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件可节约混凝土50%,减轻结构自重50%左右。
钢材用量略高或约相等;和钢结构相比,可节约钢材50%左右[6]。
此外,由于在钢材内填充了混凝土,钢管混凝土的防锈费用会较空钢管有所降低。
1.1.3钢管混凝土在拱桥中的应用
钢管混凝土结构在早期的应用中,一般不考虑钢管与其核心混凝土间相互作用对承载力的提高。
另外,早期钢管混凝土中采用的钢管大多是热扎管,钢管的壁厚一般都比较大,且由于当时钢管内混凝土的浇筑工艺也未得到很好的解决,因而应用钢管混凝土的经济效果并不是很明显,从而使钢管混凝土的推广应用受到一定影响。
1939年,前苏联著名的桥梁专家Perederiry率先用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河的拱梁组合体系公路桥,跨度达101m;与此同时,前苏联Rosnovskiy教授在西伯利亚也建造了一座跨度达140m的铁路桁肋钢管混凝土拱桥。
而钢管混凝土拱桥应用最广泛的是中国。
将钢管混凝土用于拱桥,符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工及轻型化的发展方向[7]。
钢管混凝土在拱桥上的应用主要有两类:
一是钢管劲性骨架拱桥（SteelTubeFramedConcreteArchBridge,简称STFC拱桥,二是钢管混凝土拱桥（ConcreteFilledSteelTubularArchBridge,简称CFST拱桥。
钢管劲性骨架拱桥是先将钢管用于施工时的劲性骨架,然后再内灌混凝土并与外包混凝土共同形成断面,钢管混凝土参与拱桥建成后的受力,其截面设计由施工阶段的受力状态控制;钢管混凝土拱桥是将钢管混凝土直接用作拱桥结构的主要受力部分,同时也作为结构施工时的劲性骨架,其截面设计由成桥阶段和施工阶段两种受力状况控制。
从实践看,外包混凝土存在施工工序复杂、高空作业多、施工条件差、工程质量不易保证、工期长等问题,因此,随着拱桥跨度的增大,近年来修建更多的是钢管混凝土拱桥。
采用钢管混凝土作为拱桥的拱肋,主要有下列优点:
（1钢管混凝土结构最适合用于轴心受压构件,在公路和城市拱桥中,恒载占有比较大的比例,通过合理选择拱轴线,可减少拱肋中的弯矩,因而可以发挥钢管混凝土抗压承载力高的优势,从而节省材料以获得较大的经济效果。
（2由于在拱肋第一次形成时仅是空心钢管拱肋结构,所以,与传统的钢筋混凝土拱肋相比,钢管混凝土拱桥的拱肋吊装重量要小得多。
从拱桥施工方法上考虑,钢管混凝土拱桥就有向大跨径方向发展的可能。
（3向管内浇灌混凝土采用先进的泵送施工方法。
一根直径80cm,弧长150m的钢管拱肋,一般只要4~5个小时即可泵送完成。
而对于钢筋混凝土拱桥则需要绑扎钢筋、立模,然后分段灌注,工序十分繁琐,工期时间也长。
（4由于拱肋自重的减小,使桥墩负担减小,节省了基础费用。
（5和过去常用的钢筋混凝土拱桥相比,不存在混凝土开裂问题[5]。
基于以上特点,钢管混凝土拱桥在出现后,很快得到了桥梁界的认同。
已建跨径最大的钢管混凝土拱桥巫山长江大桥达460m。
这些都是桥梁建设设计史的大工程。
表1-1列举了我国目前已建和在建的200m以上的钢管混凝土拱桥[2]。
近十年来,随着钢管混凝土结构技术日趋成熟,钢管混凝土结构在我国土木建筑工程领域的应用规模和发展速度都是惊人的,我国钢管混凝土结构技术的发展正处在一个崭新的历史时期。
但必须注意的是,钢管混凝土拱桥对钢管的加工质量、吊装过程中拱肋钢结构的焊接质量要求较高;另外,在污染较严重和拱圈常年被污水浸泡的地方,也不太适宜修建钢管混凝土拱桥。
表1.1钢管混凝土桁式拱桥一览表
序号桥名建成
年份
跨径
（m
矢跨比拱轴线形
结构
形式
拱圈（肋截
面形式
1四川巫山长江
大桥
20051/5中承式四管桁式
2湖南南县茅草街
大桥
20061/5
m=1.543
悬链线
飞鸟式四管桁式
3广东广州丫髻沙
大桥
20001/4.5
m=2.0
悬链线
飞鸟式六管桁式
4广西南宁永和
大桥
在建3381/4.5中承式四管桁式
5浙江淳安县南浦
大桥
在建3081/5.5
m=1.167
悬链线
中承式四管桁式
6重庆奉节梅溪河
桥
20011/5悬链线上承式四管桁式
7湖北武汉汉江
三桥
20001/5
m=1.543
悬链线
下承式四管桁式
8广西三岸邕江
大桥
19981/5
m=1.167
悬链线
中承式四管桁式
9湖北秭归青干河
大桥
20021/4.95
三次样条
函数
中承式四管桁式
10浙江三门健跳
大桥
在建2451/5
二次抛物
线
中承式
横哑铃形桁
式
11湖北武汉江汉
五桥
20001/5
m=1.5
悬链线
飞鸟式四管桁式
12贵州落脚河
大桥
待建240中承式
集束五管变
截面
13浙江铜瓦门
大桥
在建2381/4.82
修正二次
抛物线
中承式单片桁式
14贵州北盘江
铁路桥
20011/4下承式四管桁式
15江苏徐州京杭运
河桥
20021/4
m=1.33
悬链线
飞鸟式四管桁式
16广西六景郁江
大桥
19991/5
m=1.543
悬链线
中承式四管桁式
17湖北恩施南泥渡
大桥
2201/5
m=1.756
悬链线
上承式四管桁式
18重庆合川嘉陵江
大桥
20021/4
m=1.6
悬链线
中承式四管桁式
19四川眉山岷江
大桥
在建206飞鸟式四管桁式
20四川绵阳涪江
大桥
19972飞鸟式四管桁式
21广东南海三山西
大桥
19951/4.5
m=1.3
悬链线
飞鸟式横哑铃桁式
1.2钢管混凝土拱桥的设计理论及方法
1.2.1设计理论
目前世界各国的桥梁设计理论,都在从容许应力状态理论向极限状态理论过渡[7]。
极限状态这一概念最早是苏联在50年代提出,现已得到全世界范围内得到广泛应用。
当采用容许应力法来进行计算时,大多是将钢管与混凝土视为简单的组合,
换算为钢筋混凝土截面偏心受压构件,按现行桥规[8]中的钢筋混凝土结构来进行检算。
对于桁架拱桥中的支杆和横联杆等不灌注混凝土的空钢管,则按桥规钢结构的容许应力法进行验算。
其中,相贯线焊连的疲劳设计多参用美国焊接学会编制的《钢结构焊接规范》（ANSI/AWSD1.1[9],同时引用其相应的焊接要求。
这种设计方法没有考虑到钢管对混凝土的套箍力使核心混凝土承载力得以提高的有利作用,因此,采用钢筋混凝土容许应力法来设计钢管混凝土拱肋是偏于保守的,未能充分发挥这种结构的承载能力,这只能作为强度安全的裕量保留在结构中。
与容许应力法相比,极限状态法将笼统的单一安全系数分解为抗力和荷载两方面,并且对不同的抗力和不同的荷载原始数据进行统计分析,以得到即经济又安全的设计方案。
由于钢管混凝土拱桥至今还没有专用的设计和施工规范,我国大部分钢管混凝土拱桥的设计仍然采用容许应力法,但也有部分设计单位套用建工规程[10]进行极限状态设计。
对于较为重要的大跨度钢管混凝土拱桥还需进行了大量的试验研究,以确定其设计参数。
比如,益阳茅草街大桥在湖南大学进行了
全桥静动力模型试验。
目前我国钢管混凝土拱桥技术已取得了一系列丰硕的成果,在钢管混凝土拱桥的修筑技术上处于世界领先水平。
初步建立了系统的钢管混凝土结构设计计算体系,取得了良好的效果。
已修订的《公路桥涵施工技术规范JTJ-41-2000》增加了钢管混凝土拱桥的内容,《公路工程质量检验评定标准JTJ-071-97》也对原标准JTJ-071-94中有关钢管混凝土拱桥的内容进行了修订。
交通部规范《钢管混凝土拱桥设计规范》、《钢管棍凝土拱桥施工技术规范》正在制定和征求意见之中。
1.2.2组合截面换算方法钢管混凝土拱肋和横撑是钢管混凝土肋拱桥的主要受力构件,由于钢管混凝土拱肋是由钢管和混凝土两种材料构成的组合结构,因而存在随工况而不断变化的紧箍力作用。
因此,在不同的施工状态下,钢管混凝土拱肋截面几何特性的合理计算有待于进一步的探讨。
由于交通部尚没有颁布钢管混凝土拱桥的设计规范,目前在计算钢管混凝土拱肋的几何特性时,工程师们多采用如下几种方法[11]:
方法1:
采用所谓换算截面,将钢管面积按一定原则换算为混凝土面积,将钢管混凝土视为单一材料。
弹性模量采用混凝土弹性模量cE,组合材料面积为scnAAA+=,抗弯刚度为（sccnIIEEI+=,抗扭刚度为（'ptpccpInIGGI+=。
其中:
csEEn/=,csGGn/'=,E为弹性模量,G为剪切模量,I为惯性矩,pI为扭转惯矩,A表示截面积;这里下标s表示钢材,下标c表示混凝土。
方法2:
将钢管混凝土中的钢管与混凝土分别用不同的单元来模拟,保证其节点坐标相同,分别计算各自的截面面积和抗弯刚度。
方法3:
将钢管混凝土中的钢管与混凝土合成一个单元,其组合截面的EA、
EI,按照式ssccAEAEEA+=、ssccIEIEEI+=计算。
应该注意的是,一般情况下EA、EI为一个统一的符号,因为如果A和I用毛截面表示,两者的E值并不相等。
方法4:
由于钢管混凝土结构是由钢和混凝土两种材料构成的组合结构,两者之间存在随工况不断变化的紧箍力作用,导致实际上的刚度不断变化。
采用文献[12]中给出的公式,将钢管混凝土视为单一的组合材料,根据理论分析得到组合材料指标,按构件整体的几何特性,进行构件承载力的计算。
其理想化的单轴受压应力-应变关系如图1-1所示,这里OA段是线弹性阶段,AB段是弹塑性阶段,按二次抛物线变化,在求得组合材料的弹性模量后,即用常规的有限元方法
按单一材料进行计算。
图1-1钢管混凝土结构的本构关系在上述四种方法中,方
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