大跨度多肢钢管混凝土拱桥主拱构造优化研究.doc
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1、分类号 U448.22 单位代码 10618 密 级 学 号 106260127 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目: 大跨度多肢钢管混凝土拱桥 主拱构造优化研究 Study on Arch Structure Optimization of Long-span CFST Arch Bridge 研究生姓名: 黄泽权 导师姓名、职称: 周水兴 教授、博士 申请学位门类: 工 学 专 业 名 称: 桥梁与隧道工程 论文答辩日期: 2009 年 4 月 11 日 学位授予单位: 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席: 陈山林 教授 评阅人: 陈山林 教授 张 敏 副教授 2009 年
2、4 月 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文原原创创性性声声明明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文版版权权使使用用授授权权书书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查 阅
3、和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库 ,并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ,同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社 CNKI 系 列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期
4、: 年 月 日 日期: 年 月 日 摘摘 要要 钢管混凝土拱桥因其较好的解决拱桥吊装重量和跨度的矛盾,是近二十年来 发展最为迅速的桥梁结构之一,至 2005 年,国内已建成跨度为 460m 的钢管混凝 土拱桥,而且跨度和数量仍在不断增大之中。我国在钢管混凝土拱桥的修筑技术 上已处于世界领先水平,但是,传统设计方法追求的是一个满足设计规范条件下 的最低水平设计,而不是最优设计,特别是多肢桁式拱肋的设计,如果按照设计 规范条件下的最低水平设计,可能会使拱肋自重增加很多,这样既不经济又给施 工带来不便。 本文结合在建的小河特大桥(主拱肋为净跨 338m 的六肢上承式钢管混凝土 拱桥)开展以下研究工作
5、: 1. 根据满应力优化设计理论,建立钢管混凝土拱桥截面优化目标函数及约束 条件; 2. 利用强大的有限程序 ANSYS 建立小河特大桥拱肋截面优化模型主拱肋进 行截面优化,得出相应的最优拱肋截面; 3. 建立最优拱轴线的数学模型,计算出特定荷载下拱圈上的各个离散点接近 于压力线的坐标; 4根据拱脚、1/8、1/4、3/8 处的压力线坐标利用三次样条插值函数进行曲 线拟合得出拱轴线分段函数,利用分段插值函数进行分析比较; 5 利用有限元程序 ANSYS 对优化前后模型进行强度、刚度、稳定性进行分 析比较。 关键词:钢管混凝土拱桥;优化设计;满应力法;主拱构造;数学模型;插值函 数 ABSTRA
6、CT Because the contradiction between hoisting weight and span of concrete filled steel tube (CFST) arch bridges was comparatively resolved, CFST arch bridges have become one of most rapid development bridge structures in last twenty years. To 2005, a CFST arch bridge with a span of 460 meters has be
7、en built. Furthermore, the span and amount of this type of bridge are still increasing. The building technology of CFST arch bridge in our country is at world lead level, however, the traditional design pursues the lowest lever rather than the best at the premiseof meetting standard. Especial for th
8、e design of more-limb-turss type arch rib, if we accord to the lowest lever, there will be not only a great wast of economy but also inconvenience in construction. The passage carry out research work based on under-construction Small River grand bridge (a six limbs deck arch bridge, clear span of 33
9、8m) 1. Based on full stress optimize design theory, it set up the optimized objective function and constraints of CFST arch bridge cross-section; 2. By using powerful finite element program, ANSYS, it set up Small Rive grand bridge arch cross-section optimization model to optimize the main arch, dra
10、w the corresponding optimal arch cross-section; 3. Set up the optimal mathematical model of arch axis, calculated coordinate of all discrete point under the arch line closer to the coordinates of stress on a particular load; 4. According to coordinates of Under the foot arch, 1/8, 1/4, 3/8 , use of
11、the stress line cubic spline interpolation curve fitting function to draw sub-arch axis function, and use piecewise interpolation function to make comparative analysis; 5. Use of ANSYS finite element program to compare strength, stiffness, stability before and after the model of optimization. KEYWOR
12、DS:CFST arch bridge; Optimization design; Full stress; Arch structure; Maths model; Interpolation function 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1.1国内外钢管混凝土拱桥现状与发展概况.1 1.1.1国内钢管混凝土拱桥发展概况1 1.1.2国外钢管混凝土拱桥发展概况5 1.2钢管混凝土拱桥构造.5 1.2.1钢管混凝土拱桥划分5 1.2.2钢管混凝土拱桥构造特点7 1.3结构优化设计现状与发展.9 1.3.1目前结构设计特点9 1.3.2结构优化设计现状及发展11 1.3.3钢管
13、混凝土拱桥优化设计现状14 1.4本文研究的主要内容.15 1.4.1目前钢管混凝土拱桥优化研究中存在的主要问题15 1.4.2课题来源及研究意义15 1.4.3本文的主要工作15 第二章第二章 桥梁结构优化设计理论桥梁结构优化设计理论 1717 2.1概述.17 2.2结构优化设计的数学模型.18 2.2.1设计变量18 2.2.2目标函数18 2.2.3约束条件19 2.3满应力法优化设计.20 2.3.1满应力优化设计的数学模型20 2.3.2满应力设计的收敛性22 2.3.3射线步调整22 2.4有限单元法基本原理.23 2.5ANSYS 优化理论基础.25 2.5.1基于 ANSYS
14、 进行优化设计的过程.26 2.5.2零阶优化法27 2.5.3一阶优化法30 2.6本章小结.33 第三章第三章 钢管混凝土拱桥优化设计钢管混凝土拱桥优化设计 3434 3.1概述.34 3.2钢管混凝土拱桥拱肋截面形式优化分析.34 3.2.1目前国内大跨度钢管混凝土拱桥常用拱肋截面形式34 3.2.2钢管混凝土拱桥拱肋截面优化方法35 3.3钢管混凝土拱桥拱轴线优化分析.38 3.3.1拱轴线的几种优化方法38 3.3.2用三次样条插值函数确定合理拱轴线的方法39 3.4本章小结.42 第四章第四章 小河特大桥结构优化分析小河特大桥结构优化分析 4343 4.1工程概况.43 4.2主拱
15、截面优化分析.44 4.2.1小河特大桥原设计主拱截面形式44 4.2.2小河特大桥主拱截面优化45 4.3拱轴线优化分析.49 4.3.1小河特大桥原设计拱肋模型49 4.3.2小河特大桥拱轴线优化50 4.3.3优化前后拱轴线对比52 4.4优化前后主拱构造强度、刚度、稳定性分析比较.53 4.4.1主拱圈管内混凝土灌注阶段受力分析比较53 4.4.2优化前后拱肋变形分析比较55 4.4.3成桥状态稳定性分析56 4.4.4成桥状态基频分析58 4.5本章小结.60 第五章第五章 结论与展望结论与展望 6161 5.1本文取得的主要成果.61 5.2存在的问题及今后工作展望.61 致致 谢
16、谢 6262 参考文献参考文献 6363 在学期间发表的论著及取得的科研成果在学期间发表的论著及取得的科研成果 6767 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1国内外钢管混凝土拱桥现状与发展概况 1.1.1国内钢管混凝土拱桥发展概况 拱桥是桥梁的基本桥型之一。在地质条件良好、地形合适的山谷、海峡建造 大跨度拱桥不但雄伟壮观,而且经济合理、抗风性能好。无论是国内还是国外, 拱桥常常因经济、美观和刚度较大的优点而中选1。 中国是拱桥的故乡,公元 606 年建成的河北赵州桥2-3,目前仍在使用;是 世界上首座敞肩式石拱桥,其精湛的造桥工艺、精美的艺术造型极大地显示了中 华民族的聪明才智。解放后,
17、又因地制宜地建造了许多石拱桥,20世纪60年代诞 生的双曲拱桥,因解决了当时吊装能力低、钢材水泥紧张问题而得到广泛修建, 期间建造的双曲拱桥约占同期所建全部桥梁的80%,同时也形成了较为完善的无 支架吊装技术和拱桥设计计算理论,为后来大跨度钢筋混凝土箱形拱桥建设提供 了技术支持;80年代,又提出了转体施工法建设拱桥,并将跨度推进到200m。然 而,随着拱桥跨度的不断增大,施工问题日显突出,不断增大的结构自重使传统 无支架吊装系统面临诸多问题:过多的划分拱肋节段,虽然减轻重量,却无法满 足拱轴线形的要求;减小节段数量,但起吊重量太大,吊装系统难以承受,形成 了跨度与吊装重量的突出矛盾,限制了大跨
18、度拱桥的进一步发展。 钢管混凝土作为钢混凝土组合材料的一种,一方面借助内填混凝土提高钢 管壁受压时的稳定性,提高钢管的抗腐蚀性和耐久性,另一方面借助管壁对混凝 土的套箍作用,提高了混凝土的抗压强度和延性将钢材和混凝土有机组合起来; 在施工方面,钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板,施工吊装重量 轻,进度快,施工用钢量省。由于在材料和施工方法上的优越性,将这种结构用 于以受力为主的拱桥是十分合理的。钢管混凝土具有自重轻、强度大、抗变形能 力强等突出优点,较好的解决了拱桥跨度和施工的两大技术难题4-5,是迄今为止 大跨度拱桥比较理想的结构型式。与传统钢筋混凝土拱桥相比,钢管混凝土拱桥 的拱
19、肋吊装重量轻,采用预应力钢绞线千斤顶斜拉扣挂法张拉和固定拱肋,具有 弹性模量大、变形小、易于调整拱肋线形等优点,拱肋节段数可由普通钢筋混凝 土拱桥最多不超过7段变成10多段甚至更多,使钢管混凝土拱桥向大跨度方向发 第一章 绪 论 2 展成为了可能。此外,斜拉扣索在管内混凝土灌注过程中起调整混凝土应力的作 用。不仅如此,钢管混凝土拱桥还有很多优点:钢管本身就是耐侧压的模板,适 应先进的泵送混凝土工艺;施工快捷,钢管混凝土拱桥的上、下部结构可同时施 工,管内混凝土灌注一般只需一个多月,一旦形成钢管混凝土拱桥,即可开始行 车道系和附属设施施工,工期短,投资见效快。钢管混凝土拱桥的上述优点使得 其一经
20、出现便受到结构工程师们的青睐6。 国内钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用是在 20 世纪 80 年代。 1990 年 10 月建成首座钢管混凝土拱桥四川省旺苍县东河大桥,跨度 115m, 拱肋由上下 2 根钢管 280010mm 组成哑铃形截面,内灌 C30 混凝土,Q235 钢 材。此后,在 10 余年时间内,钢管混凝土拱桥如雨后春笋,在全国各地兴建, 已建和在建的超过 200 余座。如 1995 年竣工的广东省南海三山西大桥,为中承 式拱桥,L=200m,两端各带 1 个 45m 的上承式半拱,主跨拱肋由 4 根 0.75m 的钢管混凝土组成 1.83.5m 的四边形组合截面,用预应
21、力钢绞线作为系杆,平衡 主拱与边跨的不平衡推力,开创了在软土地基建造大跨度拱桥的先例。1993 年竣 工的浙江省新安江望江大桥,为 3 跨中承式钢管混凝土拱桥,主跨 L=120m,主 跨拱肋为 2900(1216)mm 钢管混凝土组成哑铃形截面,截面高 2m,Q345 钢, 内灌 C40 混凝土,首次采用钢管变厚度的办法来减小主跨拱脚处的水平推力,并 利用边跨来平衡此推力。1996 年建成的长江三峡工程 3 座公路拱桥黄柏河大 桥、下牢溪大桥和莲沱大桥,跨度分别为 160m、160m 和 114m,它们是属于多 拱肋上承式拱桥,每片拱肋皆采用 2 个钢管混凝土组成的哑铃形截面。2000 年建
22、成的广州丫髻沙大桥(图 1.1),主跨达 360m,该桥首次选用 6 管式拱肋截面,每 肋由 6750mm 钢管混凝土组成,由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架, 其中内侧、外侧钢管为 75018mm,中间钢管 75020mm,钢管间的横向平联 板总厚 500mm,内、中、外 3 根钢管通过平联板形成能共同受力的类似肋板式的 结构,上下排钢管间通过 45012mm 及 35110mm 的腹杆组成稳定的空间结 构,沿拱轴采用变高等宽截面。相继建成的还有武汉江汉三桥(主跨 280m)、广西 三岸邕江大桥(主跨 270m)等多座大跨钢管混凝土拱桥7。2005 年 1 月建成通车的 巫山长江大桥(
23、图 1.2)净跨为 460m 的钢管混凝土中承式拱桥,拱肋拱顶截面 高 7m,拱脚截面高 14m,肋宽 4.14m,每肋上下各 2 根 1 22022(25)mm、内填 C60 混凝土,钢管混凝土上弦杆,下弦杆通过横联钢管 71116mm 和竖联钢管 61012mm 连接而构成钢管混凝土桁架;巫山长江大桥在建设中创造了当时桥梁 第一章 绪 论 3 图1.3 浙江钱塘四桥 Fig.1.3 Fourth QianTang bridge in ZheJiang 建设的 5 项世界第一,巫山大桥属中承式钢管拱桥,主跨跨径492 米,居同 类型桥梁世界第一;大桥创下组合跨径、每节段绳索吊装重量、吊塔距离
24、、拱 圈管道直径和吊装高度 5 个世界第一,该桥已被列为世界百座名桥。巫山大桥 在同类型钢管拱肋吊装成塔的缆索吊机跨径、吊塔高度、起吊高度、吊重、微 膨胀自应力砼强度等方面有较大突破,攻克了钢管拱肋制作、吊装和管内砼压 注 3 大世界级施工技术难题,成为长江上第一座中承式钢管拱桥。 图1.1广州丫髻沙大桥 图1.2 巫山长江大桥 Fig.1.1 YaJiSha bridge in GuangZhou Fig.1.2 Yangtze River bridge in WuShan 以上介绍的均属于钢管混凝土拱桥的第1种类型钢管内填混凝土。钢管 混凝土的第2种类型钢管内填外包型。已建成的有四川内江新
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